非地面网络的优势、挑战与应用

什么是非地面网络（NTN）？

非地面网络（NTN）是一种融合了空中、太空及地面资产的通信网络。这类混合网络运用卫星通信（SATCOM）技术来扩展现有蜂窝通信网络。非地面网络通常指连接蜂窝网络与卫星链路的网络体系，以及如何为终端用户实现对卫星网络的直接接入。

随着6G的到来，非传统网络正不断演进，以支持超低时延、高吞吐量连接以及与地面网络的无缝集成，从而实现实时远程操作、沉浸式扩展现实（XR）和全球物联网覆盖等进阶 。

当今的新太空竞赛主要聚焦于非地面网络（NTN），各国政府与企业正致力于提升通信、监视、感知及监测能力。作为卫星通信技术的新阶段演进，非地面网络是推动太空商业化的关键支撑。该网络具有显著的内在复杂性——非地面网络利用非地面卫星进行回程传输，使其从单纯的中继器转变为至关重要的核心组件。

非地面网络（NTN）由哪些部分构成？

非地面网络（NTN）是指包含非地球物理位置节点的网络。虽然我们通常将卫星视为NTN的核心组成部分，但其他组件还可包括低空平台（LAP）、高空伪卫星（HAPS）、无人机、气球以及充当基站的无人飞行器（UAV），这些组件在6G NTN架构中正受到越来越多的关注。 

当前多数研发工作聚焦于基于3GPP Release 17及后续版本实现的直接设备到卫星（D2D）连接技术，该技术使标准智能手机能够通过5G NR NTN协议直接与卫星通信。

每个非地面网络（NTN）都设有若干接入点，用于连接卫星网络与地面互联网。光纤链路将地面站相互连接，而激光光纤链路正越来越多地应用于卫星间通信基础 6G NTN的可扩展性提供高速、低延迟且抗干扰的通信基础 。 从地面的卫星网关出发，宽带链路将蜂窝网络连接至卫星星座，其馈线链路现已通过光学星间链路（OISL）和激光通信系统实现高达200 Gbps的传输速率——NASA及Starlink等商业运营商已成功验证该技术。这些接入点可连接至一个或多个网关。 该图示说明了网关与卫星间的连接，其功能相当于地面蜂窝基站的宽带回程链路。

非地球网络（NTNs）是否仅在低地球轨道（LEO）运行？

非地面网络（NTN）覆盖地球同步轨道（GEO）、中地球轨道（MEO）及低地球轨道（LEO）。6G NTN研究涵盖高椭圆轨道（HEO）与超低地球轨道（VLEO），旨在支持超低时延与全球覆盖，尤其适用于移动通信及物联网场景。 当前5G NTN主要应用集中于GEO和LEO轨道。低地球轨道卫星的爆发式增长，为商业、政府及军事领域的大多数NTN应用场景奠定了基础。 低地球轨道卫星可实现6-30毫秒的超低时延，相比中地球轨道（MEO）约150毫秒、地球同步轨道（GEO）约280毫秒的时延，使其成为直接设备连接等实时应用的理想选择。

每种轨道都会给通信网络带来不同的挑战。低地球轨道（LEO）卫星运行距离较近但移动速度更快。由于距离较近，卫星与地面之间可实现低延迟通信。相比之下，传统的地球同步轨道（GEO）卫星提供长时效固定连接，但其轨道卫星与地面站之间的信号路径延迟显著更长。该过程会根据信号在各点间往返次数呈指数级增加延迟。 例如，当卫星需要绕行地球时，就会产生明显的延迟。

时延在存储转发场景中同样存在。在此类场景中，卫星接收信号后，会在后续获得目标地面站可见性时再行传输该信号。这种现象通常被称为间歇性传输。

非传统网络有哪些优势？

非传统网络（NTNs）的核心优势在于扩展覆盖范围。偏远及服务欠缺地区——如乡村、岛屿和孤立社区——均可受益于该技术。非传统网络还能为海上船舶、飞行中的飞机、无人机、自动驾驶车辆及可穿戴设备提供服务，支持未来以移动性为核心的6G场景实现无缝连接。 NTN使网络服务提供商得以开拓未开发市场，并提供服务 传统地面网络能力的高端服务 。 该技术通过卫星传输通信与数据，满足日益增长的数据需求。在6G时代，人工智能增强的低功耗NTN连接将赋能机器对机器（M2M）及大规模物联网应用——涵盖智能农业、自动物流、气候感知与工业自动化等领域。 

非地面网络为现有的5G网络增添了一层弹性和冗余性。 在自然灾害、地区冲突或网络中断时，6G时代的非地面网络可提供分布式、人工智能驱动的架构，实现服务 快速恢复和优先服务 即使地面基础设施失效也能确保超可靠、低延迟通信。分布式低轨道卫星星座的优势在于能将风险和成本分散到数百甚至数千颗卫星上。 

通过增强非地面通信能力，非地面网络（NTNs）带来诸多益处，包括：

• 无处不在的覆盖
• 关键紧急支援改进措施。
• 通过传感能力实现农业诊断增强功能。
• 对地球和气候变量的精确监测。
• 在卫星之间有效分摊风险与成本支出。
• 进阶 与环境传感技术，用于实时监测空气质量。

非传统网络面临哪些挑战？

非传统网络及其应用面临诸多挑战，随着这些网络的发展，还将出现新的障碍。

空间环境：太空是网络空间基础设施面临的首要挑战。设备一旦部署，便无法触及。此外，系统必须在极端温度和辐射等极其恶劣的环境中运行。为确保成功运行，系统还需提供稳定的发电和储能能力。在太空构建网状网络会加剧这些复杂性，使问题发生的概率成倍增加。

尺寸、重量、功耗和成本：另一个问题是将高频射频和计算资源部署到太空的物理限制。 当从20吨级的地球同步轨道卫星转向更紧凑的低轨道卫星和高空滞留平台时，尺寸、重量、功耗和成本（SWaP-C）便成为关键问题，有效载荷必须相应调整。6G非地面通信（NTN）设计正通过分离卫星功能来突破SWaP-C限制：服务卫星专注用户链路，馈送卫星则承担无线接入网（RAN）和核心网络功能，从而优化有效载荷质量与功耗。

持续移动中的连接：非地面网络使网络中的某些事物——或许是所有事物——处于持续移动状态。NTN卫星和高空漂浮平台（HAPS）的运动会影响连接建立、信号质量及切换过程。在5G NTN中，高空运行的gNodeB实例和无线接入网（RAN）部分组件，与地面用户设备（UE）的移动共同构成了动态网络环境。

有效载荷选择：透明载荷与再生载荷的选择将彻底改变网络组织方式及信号路由机制。由于低轨道卫星处于运动状态，所有时序关系均呈动态变化。 关键问题在于用户服务质量（QoS）体验，主要源于可变时延和复杂的切换过程可能导致连接中断。在6G NTN领域，再生载荷正日益受到青睐，其支持机载gNodeB功能及星间链路（ISL），可提升覆盖范围、降低时延并优化移动性管理；而透明载荷虽结构更简洁，却高度依赖地面基础设施。

延迟：信号传输的延迟源于信号在地面和卫星之间传输。 尽管传统NTN面临延迟限制，但6G NTN研究正致力于通过太赫兹通信、可重构智能表面 (RIS) 和AI驱动路由等技术，支持 3GPP超可靠低延迟通信 (URLLC) 应用案例，目标是实现亚毫秒级延迟和99.99999%的可靠性。

安全：尽管 分布式低轨道卫星星座能分散成本与风险，但 当卫星飞越敌对领土时，其硬件仍面临脆弱性。国家安全需求催生了网络防护与创新运营模式，以保护太空部署的基础设施。例如，美国太空军正承担着为所有军种及政府部门执行此项任务的职责。6G非地面通信技术带来了新的网络安全挑战，包括人工智能滥用、量子黑客风险及语义感知威胁。 当前探索的解决方案包括：基于情境感知认证协议、区块链信任模型及人工智能驱动的异常检测技术，以保障动态分布式NTN环境的安全。

什么是5G NTN？

非传统地面网络（NTN）通常包含第五代（5G）蜂窝网络作为其组成部分。5G NTN借鉴了5G地面网络的诸多特性，面临着类似的挑战，同时对5G NTN服务的可靠性要求远高于早期卫星通信（SATCOM）网络。 传统地面基站（通常由地面塔楼构成）正向空中与太空迁移。5G核心网络被称为下一代核心网（NGC）。5G NTN包含用户设备（UE），即手机或传感器等移动终端。必要时，UE可与基站通信，每个基站称为gNodeB。

该配置是典型的5G NTN架构。但实际存在多种变体方案。例如，并非所有NTN应用都需要gNodeB节点。核心网络（即互联网）可直接连接至专有系统的网关。另一种替代方案是将NTN用于边缘计算，将网络边缘部署在卫星中。

针对5G非地面网络（NTN）架构存在多种实现方案。例如，空中资产或卫星可作为用户设备（UE）与地面节点B（gNodeB）之间的弯管设备运行。该设备将在频率1接收信号，并通过频率2进行传输，从而实现广域非地面网络通信。 需注意此模型中，终端设备需具备足够的发射功率和接收灵敏度才能与卫星弯管设备进行通信。基站（gNodeB）可部署于地面，前提是其能与NTN卫星弯管设备建立通信链路。

另一种架构方案将gNodeB部署于机载或星载平台本身。在此情况下，用户设备（UE）直接与该空中资产通信。核心网络同样连接至该空中或星载资产。其他方案则引入中继节点，用于连接采用卫星弯管模式的标准用户设备，或将用户设备与空中/星载gNodeB对接。

5G NTN的引入颠覆了传统的5G地面网络架构，开启了连接领域的范式转变。 参与基站（gNodeB）和无线接入网（RAN）领域的卫星与高空漂浮平台（HAPS）存在多种替代方案，其中部分方案采用多卫星链路架构，卫星链路横跨数英里天空。5G NTNs继承了5G地面网络的诸多特性，面临着类似的挑战，同时相较于早期卫星通信网络，其服务可靠性要求更高。

5G与6G非传统网络（NTN）的关键差异是什么？

5G NTN是地面5G的补充技术，主要通过卫星或空中连接扩展至偏远或服务不足区域，其技术基础源于3GPP Release 17和18定义的增强方案。6GNTN仍处于研究与早期标准化阶段，其完整功能集与差异化特性正由3GPP、ITU及行业领先组织积极探讨。 以下概述主要发展方向与预期进展，但随着技术探索和全球共识的演进，这些内容仍可能发生变化： 

原生NTN-TN融合：协调非地面与地面网络是6G的核心提案，3GPP与ITU的研究聚焦于协同设计，以实现无缝过渡和统一架构。这有别于5G的方案——在5G中，非地面网络仅作为附加组件存在。该融合方案的具体细节尚未最终确定，正成为全球研究与协作的重点课题。

进阶 感知：研究计划正通过整合来自不同非传统网络（NTN）层的信号，探索实现厘米级定位技术，有望解决全球导航卫星系统（GNSS）失效区域的定位难题。早期3GPP和欧盟研究指出该技术可能成为差异化优势，但相关技术与标准仍在演进中，具体实现方案尚未明确。

低延迟与海量连接：6G NTN旨在大幅超越5G的容量与可靠性，实现实时物联网和无处不在的强健移动宽带等全新应用。这些目标已被国际电信联盟（ITU）和3GPP设为研究目标，目前正在研究和试点项目中进行验证与可行性测试。

新型波形与AI原生设计：目前正在探索进阶 及AI原生集成方案，用于动态资源分配。近期行业项目报告提出了具备AI能力的无线接入网控制器及新型波形候选方案，但这些方案尚未完全标准化或获得商业验证。

可持续性与能源效率：正如早期成果所强调的，6G-NTN等计划正积极制定可持续性指标并探索绿色设计原则。随着这些理念的成熟发展，预计将对最终的6G标准产生重大影响。

NTN和卫星通信是同一回事吗？

非地面网络预示着卫星通信（SATCOM）的下一波浪潮，使卫星通信成为蜂窝网络的重要组成部分。卫星通信技术覆盖了基础设施匮乏或孤立平台难以部署蜂窝网络的偏远地区。卫星通信的应用还为机器对机器（M2M）/物联网提供了额外的可靠性保障，并为飞机、火车和汽车等移动平台提供了稳定的连接支持。

为满足卫星通信（SATCOM）的新性能需求，卫星行业正致力于实现更高吞吐量、更宽带宽和更高工作频率。网络日益依赖光子学链路，同时非地面网络还需克服自由空间、天气、云层及其他电离层条件的影响，确保向接收端传输充足功率。 鉴于非地面网络与卫星通信日益复杂，必须采用真实环境模型测试卫星通信系统，包括为延迟信号添加缓冲处理，并模拟滑移延迟以实现真实的卫星运动学。是德科技支持非地面网络在地面与空/天全工作流中的开发、制造、部署及维护，涵盖5G NR非地面网络卫星链路的测试。

是德科技如何支持NTN用例？

是德科技支持NTN用例的开发及持续性能验证，例如：

• 未覆盖区域的覆盖范围
• 为飞机、船舶、火车、巴士等提供服务
• 人机交互与物联网
• 宽松的延迟要求
• 服务可用性
• 5G进进阶 6G网络可扩展性

是德科技提供端到端的非传统网络（NTN）测试环境，可实现网络接入乃至完整卫星星座的虚拟化。通过是德科技UXM5G——一款功能全面的NTN网络仿真设备——替代具备NTN能力的无线电网络。借助是德科技PROPSIM信道 仿真器重构卫星链路，配合是德科技进阶 VXG 微波信号发生器及Keysight UXA 信号分析仪配合使用。您可全面掌控被测系统，并获得对NTN节点和链路的完整可视性。通过简单添加硬件即可扩展频率范围，覆盖所有主要NTN频段，例如X波段和K波段。

借助灵活的Channel Studio场景创建功能，您还可在节点和网络层级对真实卫星广播硬件及解决方案进行测试。通过UXA 分析仪上运行的KeysightWaveJudge无线分析仪和KeysightPathWave 信号分析（VSA）软件，可排查性能问题。若需分析WaveJudge之外的IQ数据流，可利用PROPSIM的内置IQ捕获与流式传输功能。

您还可在实验室中结合VXG 信号发生器与PROPSIM及UeSIM用户终端行为仿真技术，构建真实的测试环境。深入了解是德科技如何在整个工作流程中支持地面至空中的NTN持续发展，助力未来通信的互联互通与安全保障。