关于NTN的最强科普

最近这几年，NTN这个概念非常火。

那么，到底什么是NTN？为什么NTN会火？它会改变通信行业的格局吗？

今天这篇文章，我们就来一探究竟。

█什么是NTN

NTN的全称，叫做Non-Terrestrial Networks，非地面网络。

地面网络，就是我们每天都在使用的蜂窝基站网络、Wi-Fi网络等。非地面网络，顾名思义，就是没有部署在地面上的网络，是“天上的网络”。

很多人会将NTN与卫星通信划等号。其实，这是不严谨的。

严格来说，NTN包括了卫星（LEO低轨道、MEO中轨道、GEO地球静止轨道）、高空平台（High-Altitude Platforms，HAPS，例如平流层飞艇、气球）、无人机，甚至未来的月球通信中继节点等多种层次的通信网络体系。

换句话说，NTN是一张“分层异构、按需协同”的立体通信网，目的是为了实现真正的全域覆盖。

当前，NTN的主要研究方向，暂时集中在卫星平台。所以，可以姑且将NTN理解为“以卫星为主的非地面网络”。

█为什么要发展NTN

发展NTN，是因为有需求。概括来说，就是四个字——盲区覆盖。

众所周知，我们在地球上建立了发达的地面通信网络，覆盖了大量的人口。

但是，地球实在是太大了。对于那些森林、沙漠、戈壁、高山、极地等人迹罕至的区域，因为施工条件和成本的原因，无法做到有效覆盖。

以我国为例，我们的地面网络是世界上最强大的，能够实现99%的人口覆盖率。但国土覆盖率呢，仅仅只有30%左右。

除了陆地之外，更大的问题来自海洋和天空。

地球的海洋面积占地球表面积的71%，网络覆盖率只有10%（近海）。对于天空，地面网络也仅能提供了极有限的ATG（Air-to-Ground，空对地）服务。

正所谓“站得高，看得远”，将信号收发设施放置在更高的位置，可以实现“俯瞰式”的广域覆盖，消除地面网络的盲区。

一直以来，地面网络和非地面网络之间，都是相互独立的发展路线。卫星通信，有自己的标准、频段、终端、生态。整个技术体系比较封闭，属于“小圈子”。

作为地面网络技术标准的主要推动者，3GPP标准组织在研究4G/5G标准的时候，逐渐意识到：人类的活动范围在不断扩大，通信网络如果局限于地面蜂窝基站，就注定无法突破地理位置的束缚，无法满足各种应急通信、远洋航运、极地科考、森林防火、低空物流等场景的需求。

打破地面网络和非地面网络之间的壁垒，将卫星通信等技术全面融入地面通信，拓展网络连接边界，构筑一张“空天地海一体化通信网”，就成了3GPP的必然选择。

传统卫星通信企业，其实也非常愿意和地面网络融合。

一方面，地面网络拥有庞大的用户基数，意味着更大的市场规模。另一方面，地面网络也拥有成熟的规模化产业链，可以从终端、协议、生产等各个维度为卫星通信的发展创造有利条件。

两者一拍即合。于是，就有了NTN的诞生。

█NTN的发展演进

NTN是地面网络和非地面网络深度融合的产物。但是主要负责牵头的，仍然是3GPP。

2017年，也就是3GPP制定R15标准（5G第一个版本）之际，他们启动了针对NTN的研究。当时，他们定义了NTN部署场景和相关系统参数，并且研究了NTN的信道模型。

后来，到了R16阶段，3GPP研究了卫星与5G系统的融合架构，以及NTN场景解决方案的设计，对3GPP相关技术规范组的工作指明了方向。

2020年，在R17阶段，NTN有了重大突破。

R17正式将NTN纳入5G标准体系，首次定义了卫星透明转发与再生转发两种架构，并规范了终端直连卫星的接入流程。

上面的架构中，卫星和用户之间的链路叫做服务链路（Service Link）。卫星和信关站之间的链路叫做馈电链路（Feeder Link），也称为卫星无线电接口（SRI）。

卫星透明转发架构中，卫星仅作射频信号中继，不进行任何信号处理。地面的NTN网关等设备，负责执行信号解调、译码与协议栈处理等核心功能，是连接卫星与地面核心网的关键枢纽。

这种模式下，卫星不需要太复杂，系统设计更轻量、部署更快，从而显著降低卫星制造与发射成本，尤其适合大规模部署的低轨星座。

再生转发架构中，卫星不仅接收信号，还会进行解调、解码、路由甚至协议处理等操作。相当于卫星承担了基站功能，真正成为“太空基站”。

需要注意的是，再生转发架构，可以在卫星上实现全部gNB（5G基站）功能，也可以实现部分功能，由需求和场景来决定。例如，将5G基站的DU（分布式单元）功能集成到卫星上，CU（集中式单元）功能则部署在地面，形成“星上DU+地面CU”的混合架构。

不同的功能分布，涉及到的具体组网也会有所不同，如下图所示：

再生转发架构，对卫星的载荷空间、计算资源和能源供给提出了更高要求。但是，它也提升了网络的性能和灵活度，可以进行更复杂的星间组网。卫星与卫星之间的链路，叫做星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）。

这种模式，也相当于是一种边缘计算（“能力下沉”），将计算与智能能力前置至轨道上，让通信链路更短、时延更低、响应更敏捷。

R17作为NTN的早期阶段，重点研究了透明转发架构和移动协议的改进，没有对再生转发架构开展深入研究。这个时候，优先要快速实现NTN的“能用”。

再来看看NTN在应用上的分类。

R17对LTE的NB-IoT（窄带物联网）和eMTC（增强型机器类型通信）技术进行增强，打算实现这类物联网设备能够通过卫星接入地面移动网络，满足农业、环保、物流等场景的需求。

其实大家也看出来了，和5G的三大场景一样，5G NTN也进行了细分，变成了NR-NTN和IoT-NTN两大技术分支。

NR-NTN对标5G NR（eMBB场景），实现大带宽、低时延，面向广域宽带接入，支撑高清视频回传、远程协作等高吞吐需求。

IoT-NTN对标NB-IoT和eMTC（mMTC场景），聚焦海量低功耗物联网终端的泛在连接。

再来说说NTN的频段。

Release 17 的工作主要集中在使用透明有效载荷，并在FR1内的n255（L频段）和n256（S 频段）进行操作。这两个频段也是传统卫星通信的基础频段。说白了，都是为了能够快速适配。两个频段的频宽不大，所以支撑不了大带宽的业务，主要实现基础业务。

R15-R17是5G时代，R18-R20是5G-Advanced时代。进入R18之后，NTN技术标准也在持续演进。

R18阶段，一方面，关注透明转发模式的增强，例如频段扩展、覆盖增强、移动性和服务连续性增强，等等。另一方面，也开始推动再生转发模式的技术落地，也就是积极推进“基站上天”。

从R17到R18，3GPP NTN策略从最初的“能用”转向“好用”，强调优化和扩展，实现更高价值的宽带服务和更强大的网络集成。

R18通过引入更高频率（Ka频段）来支持更高吞吐量，明确支持VSAT终端，并对移动性和覆盖范围进行了增强。R18还增加了NR-NTN FDD频段n254，以及LTE IoT-NTN FDD频段B253/B254。

R19阶段，3GPP开始正式定义NTN的再生转发模式，并增加对于新的卫星通信场景的相关研究。除了基站之外，R19也开始研究核心网上天——将核心网搭载在卫星上运行。

频段方面，R19进一步扩充频段，首次引入Ku波段（n247/n248等），并完善L/S波段，实现了从低频到高频的完整NTN频谱图谱。

图片来自：罗德与施瓦茨

R20阶段，主要是处理5G NTN的一些遗留问题。与此同时，结合6G需求，针对多频段管理、高低轨卫星协同、核心网能力增强以及星地频谱共享等方面开展进一步研究。

在R21及后续版本中，3GPP将重点推进星地无缝切换、跨星座漫游、AI驱动的动态资源调度等增强特性，推动NTN频谱规则协调与轨道资源共管机制建设，为6G筑牢底座。

值得注意的是，R21首次将“地月空间”纳入标准化视野，标志着NTN正从地球轨道向深空延伸。

█NTN面临的挑战

NTN的优点是覆盖广、弹性强、部署快。之所以现在发展火爆，就是因为行业高度认可了NTN的价值——它能够迅速弥补覆盖短板，在关键且高价值的场景中展现出不可替代性。

但是，发展NTN，同样也面临很多挑战。

首先，是无线通信链路上的挑战。

NTN的星地链路距离（数百至数万公里），远远高于传统地面通信，路径损耗比地面宏站高出30~50dB。

距离最大的影响是无法克服的延迟。使用同步卫星，延迟超过500ms。即使是使用低轨卫星，延迟也会有大概40ms，都远远高于传统地面网络。

卫星运动速度极快（低轨卫星每秒大约移动7.8公里），带来的多普勒频移可达±10 kHz量级，远超5G终端的补偿能力。

变化的大气条件、噪声、其它信号的干扰，也会对NTN信号质量造成显著影响。

卫星通信，说白了，就是一道链路开销的数学题。

信号发射功率是有限的，终端天线尺寸和电池容量也受限。要对抗路径损耗、多普勒频移与信道衰落这三重“高墙”，就必须在硬件、算法等层面同步引入创新，采用高增益天线、先进波束赋形与联合编解码等技术进行协同突破。

这里，我们要说一下DTC（Directto Cell，手机直连通信），意思就是我们普通手机无需额外改装（仅做软件上的升级），即可直接连接卫星网络（采用地面运营商的频谱）。

DTC是现在非常热门的赛道，关注度最高。

大家都知道，传统卫星通信都有专门的通信终端，有硕大的天线，体积大，重量沉，携带不便，价格也非常昂贵。

地面网络和非地面网络融合，如果仍然使用两种不同类型的终端，肯定不合适。所以，直接让卫星通信网络为普通手机服务，是一个关键目标。这可以让普通用户快速且低成本地享受卫星通信服务，也能够迅速扩大卫星通信企业的用户基础与市场规模。

DTC的实现难度很大。因为传统手机被设计为使用基站网络，通信距离最大仅约几十公里，而卫星通信需跨越数百至数万公里。

在手机硬件不变的情况下，只能通过卫星侧和算法方面的改进，才能提升链路预算，实现可商用的基本通信服务。

目前，在DTC方面，国内外都有了显著进展。2023年9月，华为Mate60pro手机实现在无地面网络情况下支持通过天通卫星接打卫星电话。近两年，ASTS公司和SpaceX公司分别在近两年发射了支持手机直连的卫星，并完成了10Mbps量级数据传输的在轨测试。

其次，是系统协同方面的挑战。

NTN和地面网络的融合，比想象中要复杂得多。两种网络在协议栈、时钟同步、移动性管理、QoS保障等方面，存在天然的异构性。即便是3GPP这样的全球性标准组织，想要推动协议、架构和规范上的统一，也绝非易事。

这里面既有技术问题，也有利益问题，需要沟通协调的工作很多，难度不低。

最后，是产业生态与治理的挑战。

NTN技术的推进和落地，成本是非常关键的要素。

卫星制造、发射、在轨运维成本仍居高不下。星座部署周期长、投资回报慢。地面终端芯片与天线模组尚未形成规模效应，价格仍然偏高……

所有这些，都制约了NTN在大众市场的渗透，也影响了产业企业的投入决心和信心。产业生态的成熟度，又反过来影响技术迭代速度与标准落地节奏。

此外，频谱资源分配、轨道位置协调、空间碎片治理等跨国家、跨行业的制度性难题，亟需国际电信联盟（ITU）与各国监管机构协同破局。

围绕NTN，地缘政治的因素也无法忽视，可能会影响正常的商业竞争秩序，也可能导致技术体系的割裂。

█结语

NTN，正处于从“能用”迈向“好用”的关键跃迁期。

根据Allied Market Research的预测，到2032年，NTN市场规模将达936亿美元，年复合增长率40.6%。ABI Research预测，NTN-D2C细分市场到2035年服务收入可能达到250亿美元，连接数超过2亿。

越来越多的企业正在加入NTN赛道，围绕这个领域的技术竞争以及商业博弈将会进入白热化的阶段。

究竟谁能够在这场竞速中胜出，让我们拭目以待。