基於3GPP技術實現的衛星通訊

衛星通訊目前主要依賴專有解決方案，但這種狀況即將改變。第三代合作夥伴計畫（3GPP）在其第17版標準中引入了對非地面網路的支援，為衛星、智慧手機和其他大眾市場使用者設備之間的直接通訊奠定了堅實的基礎。

隨著行動通訊技術在全球的快速普及，讓任何人在任何時間、任何地點都能享受行動通訊服務，實現無縫全球覆蓋的目標變得越來越重要。在這一目標的推動下，地面和非地面衛星網路技術都取得了重大進步。

為了實現更全面的網路覆蓋，地面網路（TN）和非地面網路（NTN）元件將實現無縫互通和整合，為消費者智慧手機（Direct-to-smartphone）和物聯網（IoT）案例提供增強型行動寬頻（eMBB）。

與此同時，衛星網路技術可以覆蓋地面網路無法到達的地區，為世界各地（無論發展程度）目前無法獲得服務的人群和企業提供可靠的服務，帶來重大的社會和經濟效益[1]。

除了為智慧手機帶來的好處外，非地面網路能夠支援工業和政府物聯網設備，為汽車、醫療、農林業、公用事業、海運、鐵路、航空/無人機等行業以及國家和公共安全等領域提供服務。

衛星系統概述

多年來，各種衛星系統已被廣泛用於電視廣播、導航、通訊、監視、天氣預報和緊急系統等服務[2]。圖1 顯示了3種主要衛星類型的軌道：地球同步軌道（GEO）、中地球軌道（MEO）和低地球軌道（LEO），並將其與商用飛機的高度和提供本機服務的高空平臺系統（HAPS）的高度進行了比較。

地球同步軌道衛星系統在大約36000公里的高空運行，由於路徑損耗大，時延很長（＞500毫秒），其資料速率有限。地球同步軌道衛星相對設備來說是靜止的，它提供了一個較大的視野，適用於衛星電視、企業對企業資料服務（如中繼/回傳和企業網路）和政府服務（如軍事衛星通訊系統）。

中地球軌道衛星系統（如伽利略衛星導航系統（Galileo）、全球定位系統（GPS）和全球衛星導航系統（GLONASS））主要用於導航，通常部署在高度約為20000公里的半同步軌道上，具有可預測和可靠等特點，軌道週期為12小時。中地球軌道中也有一些用於通訊服務的衛星網路，部署在約 8000 公里的高度。相比地球同步軌道（GEO），時延只有其五分之一，資料速率更高。

低地球軌道衛星系統如星鏈（Starlink）、 OneWeb、銥星（Iridium）和全球星（Globalstar）等用於提供不同的服務。它們在約400-2000公里的高度運行，需要更高的速度（約8公里/秒，全軌道時間為90-120分鐘）才能保持在軌。低軌道衛星可提供衛星中最低的時延和數以10Mbps計的容量，適用於行動寬頻和物聯網應用。但由於其覆蓋範圍比中地球軌道和地球同步軌道衛星要小得多，因此需要部署更大規模的星座型衛星網路。

衛星通訊案例和商業邏輯

SpaceX在2010年代中期進行了首次商業火箭發射。當時正值太空產業發生典範轉移，火箭發射成本大幅下降，而發射容量大幅提升[3]。

此後，全球進入了「新太空時代」。每年對大型低軌道衛星網路的私人投資大幅增加，它們專注於透過現有和計畫部署的衛星網路（如Starlink、OneWeb和Amazon  Kuiper等）為居民和商業用戶提供固定寬頻網路服務。行動衛星業務（MSS）的下一個發展目標是實現與普通智慧手機的通訊。目前已經形成了 3條發展路徑：傳統行動衛星業務（MSS）、傳統長期演進（LTE）和5G非地面網路（NTN）。

傳統MSS發展路徑旨在利用MSS頻譜，將傳統MSS技術應用到新型智慧手機中。例如蘋果iPhone 14配合Globalstar，華為Mate 50配合北斗，以及高通驍龍衛星與銥星的結合等。與此同時，傳統LTE發展路徑則專注於建立改造的網路，使用地面LTE頻譜從低軌道衛星連接未改造的LTE手機。它與5G-NTN發展路徑並行，後者基於3GPP在2022年發佈的R17標準化解決方案。與傳統MSS發展路徑一樣，5G-NTN發展路徑同樣使用了MSS頻譜。

我們認為採用傳統LTE和5G NTN技術的衛星營運商可以與電信商（CSP）合作，實現互利共贏。由於直接向智慧手機提供衛星服務在資費和性能方面難以與現有的地面服務相匹敵，行動衛星業務（MSS）更適合作為行動寬頻（MBB）服務的補充，從而實現三方共贏。具體來說，電信商可以無風險地讓使用者漫遊到衛星網路，並從中獲得一定的收入分成；衛星營運商可以拓展比現有昂貴的專用設備更廣闊的潛在市場；設備廠商則可以生產能與衛星系統協同工作的設備，從而提升設備的價值。

3GPP在非地面網路方面的探索

近年來，衛星通訊越來越受到關注，3GPP也在努力使5G NR基地台以及窄頻物聯網（NB-IoT）和LTE機器類通訊（LTE-M）能夠適應衛星通訊的需求。圖2 概述了3GPP在非地面網路方面所做的工作。3GPP在Rel-15和Rel-16版本中只是進行了一些初步的研究，直到Rel-17版本，才開始了正式的規範制定工作。3GPP在非地面網路方面的工作主要是通過衛星向消費者提供通訊服務；其他案例（如通過衛星進行回程鏈路）暫不在考慮範圍內。這些工作涵蓋了對不同衛星網路的支援，特別是高度在600公里以上的低地球軌道（LEO）衛星和地球同步軌道（GEO）衛星[4]。

圖3 展示了基於3GPP非地面網路架構實現衛星通訊系統的兩種不同架構。一般來說，衛星無線通訊酬載通過所謂的饋送線路，借由衛星地面站或閘道與核心網連接。衛星通過服務線路向使用者設備（UE）提供通訊服務。雖然3GPP Rel-17規定了圖3左側所示的穿透式非地面網路架構，但是靈活的演算法和增強功能也可以支援圖右側所示的再生式架構。

在穿透式架構中，基地台（gNodeB或gNB）位於閘道之後的地面上，衛星只起到中繼器的作用。衛星上能夠進行的處理只有射頻處理，如頻率轉換、放大和波束管理等。

在再生式架構中，衛星上攜帶了整個gNB或者其中一部分，比如無線單元，這樣就可以在衛星上解碼和處理封包。在這種情況下，饋電線路類似於陸地上的前傳/回傳，而且不一定使用新基地台來實現。再生式架構支援建立衛星間的鏈路，因此具有更高的靈活性、更好的性能和全球覆蓋能力。

Rel-17 NR基地台非地面網路

現代衛星通常將其服務區域劃分為數百個子區域，用單獨的波束(「點波束（spot beams）」)為其提供服務。一般來說，每個子區域對應一個社區，直徑可達數十甚至數百公里。

地球同步軌道衛星相對於地球表面上的一個點幾乎是靜止不動的，而低地球軌道衛星則以每秒約8公里（每小時約30,000公里）的速度在軌道上運行。如果波束相對於衛星是固定的，那麼波束將掃過地球表面，導致頻繁的活動。這樣一來，即使是靜止不動的使用者設備，也會經常發生越區切換（通常每隔幾秒鐘一次）。

另一種方案是在衛星上採用波束轉向機制，使波束能夠長時間地對準地球上的一個固定區域。這種概念叫做「地球固定波束」，它可以讓設備在同一個波束和區域內停留幾分鐘。雖然兩種方案在Rel-17中都得到了支援，但地球固定波束概念有一個特別的好處，那就是它避免了頻繁的越區切換。

對於任何衛星通訊系統來說，最根本的挑戰是如何克服由於衛星相對於地球的運轉而產生的往返時延和頻率偏移，也就是所謂的都卜勒效應。地球同步軌道衛星的往返時延可能超過500毫秒。而即便是低地球軌道衛星，時延也可能達到數十毫秒。在一個區域內的差分時延也很大，根據區域大小的不同，可能達到10毫秒。低地球軌道衛星的快速運轉會造成高達25ppm（相當於2GHz載波頻率下的50kHz）的都卜勒偏移。

為此，衛星會向使用者設備廣播自己的星曆，告知使用者設備自己的位置和速度。使用者設備需要配備全球衛星導航系統（GNSS）模組，在接入網路之前用它來確定自己的位置。

使用者設備根據自己的位置和衛星星曆，計算出與衛星的距離和相對速度，並確定所需的預補償值，並運用一個大的頻率偏移和時序提前量。這樣，gNB就能夠以其標稱頻率運行，並使上行和下行時序對齊，就像在地面網路中一樣。

非地面網路傳播時延變長，因此也需要做出相應的調整。調度時序關係原本是為了適應地面網路中不超過1毫秒的往返時間而設計的，現在已經得到重新設計，以適應更長的時延。

混合自動重傳請求（HARQ）操作被設計用於保證可靠的資料傳輸，現在也受到影響。HARQ是一種「停止-等待」協議，意味著只有在收到相應的回饋後，才能重用HARQ進程ID。在傳統的NR基地台中，有16個HARQ進程ID，而在非地面網路中，這將導致下述情況，由於沒有可用的空閒HARQ進程ID，而無法傳輸新的資料。

為了避免這種被稱為「HARQ停滯」的結果， HARQ進程的數量增加到了32個。但對於具有數百毫秒的極長往返時延的地球同步軌道場景，所需的HARQ進程ID數量是無法滿足的。因此，R-17還增加了禁用HARQ回饋（在每個HARQ進程ID中）的選項。在這種情況下，重傳由無線鏈路控制層所支援的較慢的回饋環路處理。

行動性是另一個非地面網路與地面網路有顯著差異的領域。這種差異在低地球軌道衛星網路中最為明顯，即使是靜止的使用者設備也會因為衛星的軌道運轉而經歷頻繁的越區切換。在地面網路中，使用者設備根據與基地台之間的距離，會感受到明顯不同的訊號強度測量值，而在非地面網路中，所有使用者設備到衛星的距離大致相同，單元中心和單元邊緣之間只有很小的訊號強度差異。

這種差異原本應用於傳統的行動過程中，如基於接收到的下行訊號強度進行區域選擇。但在非地面網路中，連接模式下的行動性主要解決方案是有條件切換（CHO）。有條件切換已經為了滿足非地面網路的需要而得到升級，它包含了一個基於時間的觸發條件和一個基於使用者設備位置的觸發條件。前者允許使用者設備在一定的時間段內執行切換，而後者則考慮了設備相對於目標區域和源區域的位置，以此進行切換決策。

其他的增強功能包括支援下行傳輸極化訊號，延長或偏移各種計時器的起始，增強區域選擇/重選，報告隨機接入期間應用的時序提前，以及報告使用者設備位置，以便根據使用者設備所在國家選擇合適的核心網路，或者進行合法攔截等。

Rel-17物聯網非地面網路

Rel-17版本還包括了對NB-IoT和LTE-M技術的一些適應性改進，使得它們能夠支援非地面網路。3GPP的這條發展路徑被稱為「物聯網非地面網路（IoT NTN）」。這個工作項目（WI）在Rel-17版本中啟動得很晚，範圍很小，主要集中在必要的功能上。物聯網非地面網路的一般方法是儘量跟隨NR非地面網路的工作，並採用其解決方案。例如，對於時延和都卜勒偏移的預補償的基本解決方案是一樣的，都需要物聯網非地面網路的使用者設備具備全球衛星導航系統（GNSS）的支援。NR非地面網路對調度時序關係的增強功能也被應用到了物聯網非地面網路中。不過它沒有考慮行動性增強功能（例如有條件切換）。

間斷覆蓋是物聯網非地面網路特有的一個問題。與NR非地面網路不同，物聯網非地面網路案例中的使用者設備可能並不需要持續不斷的訊號覆蓋。例如，它們每隔幾個小時傳輸一次資料就可能已經足夠了。這類案例允許衛星營運商部署更稀疏的衛星網路，減少衛星的總數。為了支援這種運行模式，系統會向使用者設備發送一些資訊（例如鄰近社區的衛星星曆以及區域的覆蓋資訊），這樣使用者設備就能夠預測它們何時會有訊號覆蓋。

Rel-18

對於NR非地面網路和物聯網非地面網路的標準化工作將在Rel-18版本中繼續推進。對於NR非地面網路，新的目標主要是提高覆蓋範圍、最佳化行動性過程以及實現網路對使用者設備報告位置的獨立驗證。對於物聯網非地面網路，相關工作包括應用一種與NR非地面網路類似的禁用HARQ回饋的方法、增強LTE-M的行動性功能（比如切換最佳化），還有進一步改進間斷覆蓋。

3GPP非地面網路頻譜

衛星通訊的頻譜分為兩類，一類是用於提供行動衛星服務（MSS）的頻譜，另一類是用於提供固定衛星服務（FSS）的頻譜。S波段和L波段屬於MSS類別，而Ka波段和Ku波段屬於FSS類別。

Rel-17版本規定了對L波段和S波段的支持，它們分別對應n255帶（上行頻率為1,626.5MHz-1,660.5MHz，下行頻率為1,525MHz-1,559MHz）和n256帶（上行頻率為1,980MHz-2,010MHz，下行頻率為2,170MHz-2,200MHz）。這兩個分頻雙工（FDD）帶在每個鏈路方向上都提供了約 30MHz 的頻譜資源。

在Rel-18 版本中，還將增加一個MSS FDD帶，它的上行頻率在L波段（1,610-1,626.5MHz），下行頻率在S波段（2,483.5-2,500MHz）。這樣一來，從衛星直接向手持設備提供服務的5G NR非地面網路就可以擁有大約80MHz的下行和上行頻譜資源[6]。

在Rel-18版本中，3GPP還將規定至少三個範例帶（n510-n512），它們位於Ka頻段的17.7-20.2GHz（下行）和27.5-30GHz（上行）。 L波段和S波段針對的是手持設備，但在Ka波段，案例需要使用帶有高增益天線的設備，例如極小口徑終端，它們通常安裝在建築物或車輛上。

5G非地面網路系統性能

與地面5G網路類似，非地面網路旨在提供超越行動寬頻的服務。國際電信聯盟無線電通訊部門（ITU-R）概述了性能要求，旨在為行動寬頻（MBB）、大規模機器類通訊（mMTC）和高可靠性通訊（HRC）提供無處不在的、可靠的覆蓋[7]。該報告針對600km低軌道衛星網路在30MHz載波上的運行情況，詳細說明了每種案例的關鍵性能要求。

該報告中值得注意的要求是：峰值資料速率要達到70Mbps（下行）和2Mbps（上行），頻譜效率要達到3bps/Hz（下行）和1.5bps/Hz（上行）。這可以理解為：對於這個特定的衛星網路，其下行和上行區域流量容量分別為8kbps/km2和1.5kbps/km2。ITU-R期望mMTC能夠支援每平方公里最多500台設備，而高可靠性通訊案例要求有99.9%的可靠性。

要實現衛星網路和手持設備之間的直接連接，需要克服很多困難，因為這樣的連接會受到衛星和設備之間的傳播損耗的影響。鏈路預算由多個因素決定，包括衛星軌道高度、網路系統架構、天線的設計、衛星網路服務的區域範圍以及衛星與使用者設備的仰角。

鏈路預算反過來決定了許多性能指標，如可達到的傳輸量。試舉一例：當衛星正好在頭頂，仰角為90度時，用戶可以期望獲得最高的傳輸量。當衛星處於較低的仰角時，路徑損耗增加，當仰角在30度左右時，可達到的傳輸量可能會降低一半。

衛星和終端之間的距離還造成了時延的增加。使用者體驗到的總時延將根據衛星相對於使用者和地面站的位置而變化。以地面系統為參考，最大往返時間約為1ms，使用穿透式架構時，600km高度的低地球軌道衛星網路的往返時延將在 8ms到20ms之間（假設最小仰角約為30度）。

基於3GPP的非地面網路解決方案的主要優勢

無論採用哪種架構，基於3GPP的非地面網路解決方案的主要優勢是與大眾市場智慧手機的即時相容性。與非3GPP的傳統行動衛星業務系統使用笨重昂貴的終端相比，3GPP解決方案使得普通大小的智慧手機也能享受全球資料和語音連接。電信商可以擴大其地理覆蓋範圍，填補人口稀少地區（包括農村）的連接空白，同時覆蓋新的案例，如海上覆蓋。

基於3GPP 非地面網路的系統考慮了衛星系統固有的都卜勒偏移和時延問題，而且不依賴於專有的解決方案。它是一個具有前瞻性的解決方案，隨著3GPP版本的演進而進化，並且向後相容4G LTE物聯網非地面網路，向前相容6G非地面網路。它還具有很強的靈活性，能夠根據低軌道、中軌道和地球同步軌道衛星網路的不同運行階段，提供適合的連接方案。

基於3GPP的非地面網路解決方案可以實現一個由地面和非地面元件組成的單一網路，包含了全球最大的資通訊技術生態系統。這種演進將使衛星營運商能夠提供價格合理的衛星通訊，並且由於有規定的增強功能（包括改進的HARQ機制）而能夠實現更好的性能。另外，由於基於 3GPP的非地面網路解決方案提供的服務將部署於非地面網路專用的頻譜，因此干擾的風險很小。

結論

基於開放的第三代合作夥伴計畫（3GPP）規範的衛星連接，為建立一個大型的非地面網路生態系統提供了最好的機會，實現了同一行動平臺上地面系統和衛星系統之間的連接。由於衛星系統不具備與地面系統相同的容量，因此它們應該被視為互補而不是競爭的系統。我們預計，未來幾年將出現更多的衛星營運商和電信商之間的合作，在這一領域實現互利共贏。

在建立非地面網路的工作中必須克服的一項重要挑戰是：如果同一頻譜被同時用於地面和衛星系統，就可能會產生干擾的問題。許多地區已經制定一些監管要求，防止衛星系統使用電信商的頻譜。為了克服潛在干擾的挑戰，愛立信的立場是，最好讓基於衛星的服務使用衛星專用的頻譜。

1. Frontiers, Potential for Deep Rural Broadband Coverage With Terrestrial and Non-Terrestrial Radio Networks, July 5, 2021, Feltrin, L et al.
2. IEEE, Communications Standards Magazine (Volume 5, Issue 4), December 2021, 5G from Space: An Overview of 3GPP Non-Terrestrial Networks, Lin, X et al.
3. GSMA, Satellite 2.0: going direct to device, March 2022, Halt, T
4. 3GPP TR 38.821, Solutions for NR to support Non-Terrestrial Networks (NTN) (zip)
5. 3GPP RP-230706, Introduction of the satellite L-/S-band (zip)
6. ITU-R Report M.2514-0, Vision, requirements and evaluation guidelines for satellite radio interface(s) of IMT-2020