5G及未来通信技术的非地面网络(NTN)

非地面网络指在地表上空运行的无线通信系统，包括低地球轨道(LEO)卫星、中地球轨道(MEO)卫星和地球同步轨道(GEO)卫星，以及高空平台(HAPS)和无人机。我们首先来阐明一些卫星通信术语。虽然NTN是一种卫星通信形式，但它只是军事、国防、研究和私人航空航天等更广泛应用中的一个部分。在本白皮书中，我们将使用术语“NTN”来指代宽带数据网络、窄带数据扩展（物联网[IoT]-NTN/SOS）和新兴的非地面蜂窝网络等不同的商用无线应用场景，其中包含了NTN的大部分最新发展成果。

NTN是否适合某些商业应用取决于它需要解决的具体挑战，而且这些挑战在很大程度上取决于NTN的实现位置与人口密度（以及现有的基础设施）。例如，较发达的地区不会使用NTN将人员及其设备连接到更广泛的蜂窝网络，但它可以为大规模物联网设备提供连接，或在紧急情况下提供连接。

^{表1： NTN应用场景（按设备位置划分）}

其中许多应用场景需要不同的卫星轨道来优化特定应用的需求。不同的轨道会带来不同的技术挑战，并且可能需要在性能和功能上进行取舍。例如，虽然更远的轨道会带来更高的延迟、支持的吞吐量更低并需要更大的功率，但它们可以覆盖的表面积更大，可为更偏远的位置提供连接。对于低带宽连接而言，低吞吐量和高延迟可能是可以接受的，否则将根本无法连接，但对于支持数百个同时连接的网络，这种连接会带来困难，因为恒定的UL和DL流量通信需要的是低延迟。为此，LEO可能是一个更好的选择，但代价是需要更多的卫星才能提供更广泛的覆盖范围。不同的轨道类型情况如表2所示。

^{表2： 轨道类型}

乍一看，GEO没有多普勒频移、相对速度为零、使用寿命长且覆盖范围广，似乎很有吸引力。然而，与MEO或LEO相比，GEO延迟更高，路径损耗非常大，并且每颗卫星达到轨道距离的成本更高。GEO约占所有在轨卫星的12%。此外，以低数据速率/低带宽为目标的物联网应用场景对延迟并不敏感。

MEO介于GEO和LEO之间，GPS卫星在此轨道运行。这里存在多普勒频移和大的路径损耗，但在可控范围内。虽然成本没有GEO那么昂贵，但通常仍然太高，无法用于商业应用。

LEO与GEO正好相反，虽然多普勒频移显著，但延迟低得多，路径损耗是所有轨道类型中最小的，而且相对而言，将卫星送入LEO的成本较低。事实上，目前发射的大多数卫星都使用LEO，许多商业应用都对它青睐有加。虽然LEO在商业上受到广泛关注，但仍有许多技术挑战需要克服，我们将在后文中介绍这些挑战。

除了轨道类型外，NTN实现需要考虑的另一个因素是运行频率。并非所有频率都适合不同的轨道类型，甚至并非所有频率都可用，具体取决于特定地区或国家的规定。出于这些原因，NTN可以横跨L波段到Ka波段的频率，甚至可能延伸至E波段。

^{表3： 上行链路和下行链路的NTN频率与带宽}

与地面通信一样，低频和毫米波的调制方案、天线、RF收发仪和其他因素可能存在很大差异。表3中值得注意的是，虽然NTN的频率范围很广，但由于往返时间较长，NTN只能使用FDD运行。

下表总结了用于任意卫星通信类型的频率，而3GPP则提出了一组用于标准化商用无线应用的波段。

^{表4： 3GPP建议的NTN通信波段}

非地面网络(NTN)在卫星通信初期就已经出现。无论是通过GPS、卫星电视、专用卫星通信设备，还是军事和国防应用，通过互联卫星网络实现全球连接的概念已经得到了验证并践行了相当长的一段时间。然而，这种做法通常繁复且昂贵，需要复杂的基础设施、专业的RF技术和专用系统才能正确落实，因此直到最近才实现商业化。

NTN正处于商业领域的拐点。3GPP早在Rel-15中就已经提出了关于NTN的标准或研究，而Rel-17和Rel-18 (5G Advanced)中的5G NTN标准在实际应用中的发展势头愈演愈烈，并引发了越来越多的关注。许多蜂窝用户设备(UE)都具有某种形式的NTN功能，随着商业和国防应用场景的增多，运营变得更具成本效益。在过去的几十年中，将物品送入轨道的每千克成本已大大降低，而通信设备现在可以在减轻重量的同时提供更多功能，这使得蜂窝网络运营商、UE制造商、卫星星座运营商，以及作为卫星通信供应链一部分运营的大多数商业公司和国防承包商产生了极大的兴趣。

^{图1： 在过去的20年中，向LEO发送1 kg有效载荷的成本降低了100倍}

由于每千克成本更低、功能更强，商业航天市场迸发出更强劲的活力。20世纪60年代，将1 kg重物送入近地轨道(LEO)的成本约为10,000美元。2006年，其成本变为1,000美元，据估计，未来几十年中这一数字将降至50美元/kg左右。¹降幅约为60年内下降200倍。此外，随着芯片组和半导体的尺寸日益减小并且功能越来越强大，将相同功能集成到卫星中的成本将以更快的速度降低。

另一个影响商业航天的因素是发射入轨的卫星数量。由于规模经济已经开始发挥作用，现在每年都有更多的卫星发射。卫星增多使设计、生产、维护和其他因素都获益匪浅，因为总成本可以由更多卫星分摊，从而降低了单位成本。

^{图2： 不同年份的活动卫星数量}

NTN技术将有助于推动这种商业化，预计在未来几十年内持续增长。据估计，到2030年，市场增长将超过400亿美元。²

^{图3： 2030年NTN市场规模预估}

在NTN市场中，各种类型的公司在NTN基础设施的供应链、运营和开发中发挥着作用。虽然它们的专长和所解决的主要需求各不相同，但都涉及商业航天领域。这些关系会对组件、子系统和设备级测试的执行方式造成影响。

为了简要总结范围广泛的多样化NTN市场，我们将NTN应用场景概括为3类。虽然这种泛论并不适用于所有应用，但我们可以用它来讨论常见的应用场景，并对每种应用场景进行总结。 

宽带数据网络－该应用包括在闭环网络上使用专有设备的私有宽带连接提供商，这些网络通常需要专用接线端或地面设备进行连接。

窄带数据扩展(IoT-NTN/SOS)－此类别包括为更多用户提供更多服务的现有网络。这些服务可能是连接广泛地理区域的大规模数据驱动设备，包括气象/气候、农业数据收集、基础设施监测、远程工业设备运行状况，也可能是与现状息息相关的应用场景：与5G UE建立紧急求救(SOS)连接。

新兴非地面蜂窝网络－此类应用指在一个更大的全球通信网络中使用商用UE（对其天线或设计的改动极小或没有重大改动）进行语音和数据连接。

这些类别包含了影响NTN生态系统整体环境的具体挑战（技术、运营和政策）。我们将在后续部分中对其进行讨论。

宽带数据网络

此类别的网络具有专有特性，需要专用的专有地面接线端进行连接。在过去的几年中，各种商用专有卫星星座在为用户随时随地提供宽带数据连接方面取得了重大进展。

^{表5： NTN宽带数据提供商概述（来源：5G Americas）}

虽然这些专有网络可以提供强大而可靠的连接，但封闭的基础设施使其很难或者不可能与现有的UE或蜂窝网络集成。缺乏集成意味着，通过地面到非地面的网络链接和共享连接来实现无处不在的连接会变得更加困难，甚至根本无法实现。因其可扩展性受限于封闭网络，这些网络成本的缩减空间有限。最后，这些网络需要专用的专有地面接线端，这也增加了运行、开发和维护的成本。

虽然我们尚不清楚宽带数据网络如何与现有的地面和非地面网络连接，但宽带网络将继续发展，并可能会在可预见的未来成为NTN通信的一部分。事实上，3GPP Rel-18 (5G Advanced)包含Ka波段支持，因而未来3GPP NTN可能会支持宽带数据网络。

窄带数据扩展(IoT-NTN/SOS)

在过去的几年中，我们对这一类别的网络进行了大量的探索和开发，这也许是实现未经修改的UE与NTN连接的第一步。许多应用都属于IoT-NTN的范畴，如工业监测、气象数据收集、联网农业设备等，但对蜂窝通信影响最大的可能要数现代旗舰智能手机中集成的紧急求救(SOS)功能。事实上，许多新一代UE都具有某种紧急求救短信或语音功能，可随时随地与（大部分）未经修改的UE建立连接。

^{表6： 2023年物联网服务提供商（来源：5G Americas）}

NB/NTN在全球通信基础设施中将继续发挥越来越重要的作用，NB/NTN正在为下一代NTN（一种3GPP标准化形式的NTN）奠定基础，开发所需的关键技术。

新兴非地面蜂窝网络

目前有2项工作正在同时推进，以探索新兴非地面蜂窝网络的技术和方法。这些工作都以3GPP为重点，也对前2个类别（适用于宽带的3GPP Rel-18和适用于物联网应用场景的3GPP Rel-17）和非3GPP的开发产生了影响。

3GPP工作

这类NTN应用场景因具有标准化常见用途和应用，可能难以实现广泛采用，但却可能对全球通信产生最大的影响。这种形式的NTN具备高吞吐量（从大多数未经修改的5G商用UE到NTN网络）、无处不在的连接，并将补充地面基站的覆盖范围，为用户提供更出色的连接和价值。标准制定和落实的时间仍是未知数，基于部署过程中可能会遇到的困难，这可能是3GPP Rel-19、Rel-20或更高版本中的一个重要主题。全球频谱分配、部署用于恶劣航天环境的网络基础设施，以及开发与未针对NTN通信优化或非NTN通信专用的UE天线的连接等都是我们所面临的挑战。

鉴于LEO可实现更高的潜在吞吐量和更低的延迟，我们预计此类网络大多数都将使用LEO卫星实现覆盖。虽然对于支持来自大部分未经修改的UE的许多UL、DL和侧链路同步连接的网络来说，以上优势十分有利，但LEO需要更多的卫星并且平均寿命可能更短。

非3GPP工作

虽然我们还不知道确切的实现标准，但新非地面蜂窝网络卫星基础设施的许多早期试验都涉及卫星本身的大型相控阵天线。由于拥有数百个独立元素且占地数百平方英尺，使用该基础架构的网络开发、维护和部署都将面临挑战。

之所以需要如此庞大的天线阵列，是因为需要使用未经修改的UE。尽管当前这代UE的天线并未针对NTN通信进行优化，但对于使用已广泛采用的商用UE，诸多企业可以提供强有力的商业案例支撑。使用未经修改的现有UE将大大减轻采用和实现的负担。

^{图4： 大型相控阵天线可以使NTN连接到未经修改的UE（未按比例缩放）}

由于使用的是未经修改的UE，这种类型的天线组件有可能大幅改变NTN生态系统，同时也带来了挑战。

要测试的组件数量增加时，测试用例数量也会随之增加，甚至增幅更大，因为工程师必须对每个组件的集合进行迭代。由于这些卫星中集成了如此多的天线元素，每个元素又都有自己的测试用例集合，对于经济高效、准时且有深度的产品开发而言，自动化、数据分析和高效的测试开发变得更加重要。

测试需求和测试用例数量的增加会影响上市时间和总测试成本，测试用例的增加也会延长每个生产单元的测试时间。虽然这在过去可能不是问题，但现在生产的卫星越来越多，而且与以前的私人/政府卫星通信应用不同，上市时间可能对新NTN应用场景的市场份额和用户群的增长起到重要作用。

同时测试大型天线阵列和NTN系统/组件将是一项复杂的任务，只有通过合适的硬件和软件组合来满足测试组织的需求，才能实现这一目标。

趋势：集成地面和非地面网络

最近NTN的许多开发在很大程度上都独立于现有的地面网络和基础设施。然而，目前越来越多的NTN提供商与蜂窝网络运营商开展合作，以实现服务融合，这一趋势日益明显。其中包括从世界任意位置提供紧急求助消息传递服务（苹果和GlobalStar），以及为未经修改的手机提供语音和数据服务（AST Space Mobile、SpaceX/TMobile和Lynk）。

一个3GPP标准化的世界正在形成，其目标是促进落实所有必要的流程，建立一个可访问的开放网络，反映当今地面蜂窝网络的运行方式。

NTN带来了许多地面网络所没有的技术挑战。NTN长距离、高噪声、瞬态通信的特性意味着我们必须特别注意某些技术因素，以确保通信一致可靠。克服这些挑战对于真正无处不在且与地面蜂窝网络集成的全球连接的可行性和实现至关重要。

多普勒频移

由于卫星在同与地球表面同步的UE通信时，其相对速度会发生较大变化，我们必须考虑NTN通信中的多普勒频移现象。卫星速度可能超过30,000 kph，这会导致传输信号的频率发生显著偏移，尤其是在卫星先接近，随后频率下降的过程中，从而使多普勒从正向变为负向。

此外，高速会导致天线波束快速移动，这意味着特定天线在地面上的覆盖点位置和波束足迹都在不断变化。

^{图5： 卫星绕地球运行时的相对速度和仰角变化}

与UE进行可靠通信需要可转向波束，考虑相对速度和地面上的波束足迹。卫星必须将这些变量考虑在内，并将连接转换至下一个卫星，否则将无法查看UE。设备和卫星都必须了解彼此的位置和速度，从而调整频率，补偿多普勒频移。

^{图6： 波束覆盖范围和多普勒效应不断变化}

延迟（往返延迟）

低延迟是现代高速蜂窝网络的支柱。客户希望密集城市环境中的蜂窝网络几乎必须支持高吞吐量、低延迟的应用场景，包括视频通话、数据流、游戏和XR。

^{图7： 不同的轨道距离（来源：5G Americas提供）}

使用地面网络时，UE通常更靠近基站，因此低延迟就取决于基础设施优化、双工技术和UE功能是否强大。但对于NTN而言，远距离意味着LEO的往返传输信号传输时间为数十毫秒，GEO为数百毫秒，而在地面网络中则是以微秒为单位。虽然仍然只有几分之一秒，但往返时间却延长了1,000到10,000倍。这种差异不仅足以影响许多同步UE连接和回程链路，而且用户也会注意到其在视频或语音链路上造成的影响。

^{图8： 与地面网络相比，NTN的往返传输时间要长4到5个数量级}

高延迟限制了5G网络中常见的某些技术，因此，与地面蜂窝网络不同，NTN的运行必须受到某些限制和约束。例如，因为传输时间较长，NTN只能使用FDD，无法使用TDD。这反过来又会限制网络应对网络需求变化的灵活性，并对DL和UL流量的优先级和处理方式造成限制。虽然这一限制并非无法克服，但却是NTN的另一个必须解决的细微差别。

雨、云和闪烁引起的衰减

RF波形从UE到卫星的路径在距离或方向上不一致，在不同的天气或每天的不同时刻也不一致。这可能导致信号在被UE或卫星接收之前遇到更多噪声，进而造成更多衰减。解决噪声和由此导致的信号完整性损失问题的一个简单方法是限制NTN采用低阶调制方案，以允许出现更多的不确定性并保持可靠的连接。虽然低阶调制方案很有帮助，但它随时都会限制网络的吞吐量。

路径损耗

至此，我们已经确定，相对于地球表面的轨道距离和相关速度给NTN带来了许多独特的技术挑战。而NTN实现所面临的另一个挑战是，由于卫星与其所连接UE之间的距离太远，路径损耗很高。LEO的轨道距离至少为300 km，这就使得这些连接的距离比地面网络连接的距离远出许多倍。在其他条件相同的情况下，300 km处的自由空间路径损耗(FSPL)比1 km处高出约50 dB，而50 dB FSPL正是UE与卫星之间的理想连接，这就使该挑战变得更加复杂。这种理想连接还考虑到了UE在波束内的波束角或位置，因为这两个因素都会进一步降低接收信号功率。

^{图9： FSPL与距离的函数关系}

要克服这一挑战，我们需要更高的传输输出功率和/或更高的TX或RX天线增益。由于成本、设计影响以及市场上已经存在的UE数量众多，让UE使用更大的天线可能并不可行，而现有的UE天线由于其规格参数和设计原因，性能往往很差。此外，由于成本和电池寿命较短，制造商通常无法增加电池供电手持式UE的功耗，因而传输功率不可能超过约23 dBm。如果UE制造商犹豫不决或无法更改设计，或者打算使用现有的UE，那么唯一的其他解决方案是使用具有更高增益的更大相控阵卫星，卫星上的基站组件提供更高的功率，或两者相结合。在基站端实现更高的功率不仅需要更高的成本，还会带来额外的技术和合规性挑战，这些都需要在这些组件的设计和验证中加以考虑。

对高功率和克服路径损耗的需求是NTN发展的一大障碍；但在一定程度上，可通过使用有助于提高产品性能的测试工具和解决方案来解决这一问题。

PXI VST

PXI矢量信号收发仪(VST)将RF和基带矢量信号分析仪及发生器、用户可编程FPGA以及高速串行和并行数字接口相结合​。PXI VST非常适合NTN测试。PXI VST具有传输和接收功能，可在UL和DL上进行测试，并为特定DUT提供激励。此外，PXI VST还具有从基带到毫米波的频率覆盖范围、出众的RF性能，以及NTN设备和基础设施设计、验证和生产所需的所有工具。

NI全新推出的PXI VST PXIe-5842具有2 GHz的瞬时带宽和高达26.5 GHz的频率覆盖范围，足以覆盖大部分建议的3GPP和非3GPP NTN通道。这些频率规范以及出色的RF性能意味着，随着3GPP NTN标准的不断发展，PXIe-5842可满足现在和未来的NTN测试要求。

^{图10： PXIe-5842和RFmx软件支持从基带到毫米波的信号生成分析}

详细了解PXI矢量信号收发仪。

RFmx

RFmx是一组可互操作的软件程序，用于优化NI RF仪器仪表，使其满足通用应用、蜂窝应用、连接应用以及航空航天/国防应用的测试需求。借助RFmx，用户可通过交互式软面板快速轻松地执行和调试测量，使用RFmx Waveform Creator创建和回放开放式未锁定波形，并结合更高性能的API加快自动化测试的速度。RFmx还提供通用解调工具，可测试自定义调制类型。RFmx产品包括3GPP Rel-17中对当前LTE和5G NR版本NTN的支持选项。RFmx LTE经过扩展，可在NTN中支持增强型机器类型通信(eMTC)和窄带物联网(NB-IoT)应用场景。 

RFmx NB-IoT/eMTC可扩展NI RF仪器生成和分析NB-IoT和eMTC蜂窝信号的能力。使用该软件，用户可以通过误差矢量幅度(EVM)、相邻信道泄漏比(ACLR)、频谱发射模板(SEM)等符合标准的物理层测量，对LTE Cat-NB1/NB2和LTE Cat-M1/M2上行链路信号进行分析。 

详细了解RFmx，或联系NI获取更多信息，请继续关注相应的应用指南。

^{图11： InstrumentStudio™软件RFmx交互式软面板}

USRP硬件

NI USRP（通用软件无线电外设）软件无线电设备属于RF收发仪，可用于快速原型验证和部署高级无线应用。SDR可用于无线通信、部署信号智能系统或用作多通道测试台的组成部分。这些高通道密度的小型设备非常适合用于大规模NTN测试台的相控阵和波束转向等无线电原型验证应用。

^{图12： Ettus USRP X440}

详细了解NI USRP。

卫星链路仿真(SLE)

负责创建未来卫星通信系统的工程师需要在发射前仿真、构建和评估实际场景，以评估和预测系统行为。他们在检查各种通道仿真器设置时经常遇到困难。为了确保获得一致的结果，事实证明，将基于模型的仿真与硬件在环(HIL)测试相结合更为有效。

^{图13： 卫星链路仿真结构框图}

详细了解卫星链路仿真的执行和测试。

NI的NTN平台和测试方法

虽然有许多现成的工具可用于NTN测试，但随着市场需求和技术要求的变化，要求和测试方法也将继续演变。NI的特定应用软件和通用硬件为扩展和创建能够适应需求演变的新型测试系统奠定了基础。

由于NTN这个主题涉及的内容比较广泛，本文仅作概述，要全面了解该主题及其测试要求，还需要阅读更多相关资料。如需获取详细信息，并了解NI如何通过NTN测试帮助用户实现目标，请联系技术专家。

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¹来源： Futuretimeline.net

²来源：波士顿咨询公司

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