非地面网络 (NTN) 如何开辟太空互联网新赛道？

本文将探讨电信界当前的一个热议话题：非地面网络 (NTN)。5G NTN市场近期对恩智浦Layerscape处理器的需求激增，显示出其日益增长的市场吸引力。

那么，究竟什么是非地面网络 (NTN) 呢？请放心，这个话题目前不涉及与外星生命体的交流。相反，TNT通过基于卫星的系统为Verizon、Vodafone和中国移动等运营商提供的现有 (地面) 无线电信网络带来了增强。其核心宗旨在于拓展无线通信的覆盖区域，实现对整个地球的真正覆盖。

这一理念并非首创。那些继承了摩托罗拉精神的人们会记得铱星卫星星座。自21世纪初期起，铱星就借助其卫星网络为移动电话提供接入服务。最终用户从卫星连接的全球覆盖中获益，他们的通信不再受限于国界或本地运营商的范围。尽管如此，铱星的出现似乎领先于时代。受限于当时的技术条件，它最终演变成了一个规模庞大且成本高昂的小众市场应用。

市场变化的影响

那么，为何当前NTN的发展前景与以往不同，它能否取得更大的成功呢？这背后有多个相互作用的因素。

首先，随着新一代可重复使用卫星的推出，卫星部署的成本正在显著降低。美国太空探索技术公司 (SpaceX) 在这方面尤为突出，其可重复使用技术大幅降低了成本。当市场的准入门槛降低到一定程度时，就会向非政府实体开放。

其次，空中接口的标准化也是一个关键因素。5G技术的一个显著特点是其波形的灵活性，这包括对非地面部署的支持。这意味着大规模的地面技术可以被应用于NTN场景，包括5G生态系统的组件、接口以及软件协议栈的复用。这降低了复杂性和所需的时间，从而降低了成本和风险。

最后，市场需求的增长也是一个不可忽视的因素。全球有一半的人口尚未享受到通信服务，这不仅代表着一个巨大的市场潜力，也是可能获得政府资助的一个途径。

具有地面站、卫星和终端单元的典型NTN系统。

NTN目标应用

NTN在功能、架构和部署方面展现出多样性，这主要是因为它需要满足广泛而多样的目标应用：

宽带无线接入，这是消费者对于“互联网到家”服务最为熟悉的应用形式。显而易见，无线互联网技术在那些传统有线网络难以触及的农村地带发挥着至关重要的作用。根据联合国的数据，全球约有一半的人口尚未接入互联网。

物联网 (IoT) 市场由众多互联、联网的设备组成，这些设备无需电线即可实现连接。物联网设备的规模从每天仅传输几个比特的小型农业传感器，到每秒产生数千兆比特数据的大型设备如汽车等都有。

定位、导航和定时 (PNT) 服务——由全球导航卫星系统 (GNSS) 提供——市场价值高达数千亿美元，并且预计随着自动驾驶汽车、无人机以及其他依赖精确定位的移动解决方案的发展，这一市场还将进一步扩大。然而，现有的全球导航卫星系统解决方案 (如GPS、Galileo等) 存在局限性，包括室内覆盖不足 (链路预算挑战)、精度不够 (未达到厘米级) 以及安全性问题 (易受欺骗)。

恩智浦赋能非地面网络 (NTN) 系统。探索Layerscape处理器，

星座类型说明

卫星网络由其星座类型决定，这一类型定义了地面与卫星之间的距离及其网络配置。在选择部署哪种类型的星座时，需要在部署所需的卫星数量、每颗卫星的成本、延迟/吞吐量等因素之间做出权衡。

星座类型由卫星与地球之间的距离定义，在GEO、MEO和LEO（以及鲜为人知的HAPS和HEO）选项中：星座类型根据卫星与地球之间的距离来划分，包括地球静止轨道 (GEO)、中地球轨道 (MEO)、低地球轨道 (LEO) 以及较少人知的高空平台系统 (HAPS) 和高椭圆轨道 (HEO)。

GEO——地球静止轨道

这类卫星位于距地球36000km的轨道上。在这个高度上，它们与地球同步运转，始终位于地面的固定位置上方。GEO系统因此适合提供地理位置固定的服务，如北美的电视广播。由于其距离地球较远，GEO卫星能够覆盖广阔的区域. 但这也意味着成本较高，并且通信延迟较大 (往返大约550ms)，这对于需要实时通信的应用来说是一个挑战。

MEO——中地球轨道

这类卫星运行在距离地球5000-20000km的轨道上，与低轨卫星 (LEO) 一同构成非地球静止轨道卫星的群体 (NGSO)。全球定位系统 (GPS) 便是MEO卫星系统中最广为人知的一个例子。GPS的独特之处在于，它运行在大约20200km高的半同步轨道上，轨道周期为12小时，每天两次经过赤道上的相同位置。

LEO——低地球轨道

这类卫星位于距地球500-1200km的轨道上。在这一高度部署卫星的成本远低于其他两个系统。因此，LEO轨道上拥有数千颗执行科学研究、通信、成像等多种任务的卫星。LEO卫星覆盖的地理范围相对较小，这意味着需要大量的卫星 (数十至数百颗) 来实现全球覆盖，并保持快速绕地球运行的轨道 (<2小时/轨道)。由于受到大气阻力的影响，LEO卫星的轨道会逐渐降低，从而限制了它们的使用寿命在7至10年之间。

值得注意的是，LEO轨道上的卫星因其有限的寿命、优良的实时性能以及对大量卫星的需求，使其成为了一个特殊的存在。正因如此，LEO系统对于创新具有特别的吸引力，包括利用近年来兴起的低成本商业航天公司进行的“批量”卫星部署。

NTN系统覆盖的一个关键挑战——卫星能够覆盖地球的多大面积。

NTN与标准化

在标准化方面，随着时间的推进，NTN在3GPP联盟中得到了逐步的标准化。3GPP的研究项目已在第15版和第16版中展开。到了3GPP第17版，规范性工作正式启动，旨在调整3GPP技术协议栈，以更好地支持宽带和物联网应用。

为了适应空间部署的特殊需求，3GPP技术协议栈的多个方面正在进行优化，包括物理层方面，如多普勒频移和传播延迟、高往返时间 (RTT) 等问题，这些都影响到重传算法和控制平面信令。因此，控制平面信令需要进行增强，以便纳入卫星信息，并支持非移动用户设备 (UE) 之间的切换。

组件和应力系数

作为一家半导体组件供应商，恩智浦面临的一个特别挑战是太空环境对电子组件的应力与地球不同。这种应力有多种形式：热 (极端温度变化)、振动、辐射等。处于更高轨道的系统，尤其是位于范艾伦辐射带之外的，需要采用所谓的“辐射硬化”部件，以抵御更强烈的辐射环境。这些部件的设计还必须考虑到预期的使用寿命。卫星的寿命随着卫星与地球的距离而增加——地球静止轨道的卫星通常预期寿命为15年或更长，而低地球轨道卫星的有效期可能只有此时段的一半。显然，寿命更长的设备会在其使用期内承受更多的辐射。

由于这些部件在太空中面临的各种应力因素，加上它们需要运行超过10年甚至更久的寿命要求，与地球上的消费电子产品相比，适用于卫星系统的部件选择大为缩减。市场上有些供应商专门提供这类“太空级”组件和/或子系统。

重复使用标准化 (O-RAN) 5G组件的卫星系统架构。

复杂性驱动设计

如您所见，这些NTN系统在设计上提出了一系列特殊挑战，例如系统设计的复杂性，其中包括处理多普勒效应、确保系统可靠性、考虑网状网络选项等。此外，NTN系统的容量相对较低 (以千计而非百万计)，且组件的可用性有限，需要加固组件。同时，NTN系统还需支持大容量传输，高达数百Gbps。

这些因素共同推动了工程设计的复杂性。这种工程复杂性直观地驱动了模块化设计，在模块化设计中，可以多次实例化较小的子系统，这样便可以将工程资源集中于优化这些子系统。正是这种模块化设计，促使了小型行业参与者的生态系统得以形成，每个参与者都在优化NTN系统的某个特定方面。

太空潜力浩瀚如星辰

为什么恩智浦要对非地面网络 (NTN) 如此关注呢？事实证明，由于我们的组件不仅被应用在卫星上，还被广泛应用于地球上的消费电子终端设备，NTN市场具有相当大的商业潜力。许多恩智浦产品具有高度可编程性、灵活性和开放性，支持客户应对NTN所特有的挑战。您认为NTN的未来会走向何方？

本文作者

Wim Rouwet是恩智浦半导体公司的一位杰出技术人员。Wim专注于3GPP LTE和5G以及802.11处理协议栈及其应用方案，负责与多个无线基础设施项目有关的4G和5G协议栈开发、小基站以及CRAN应用方案。