2023年5G NTN技术白皮书.pdf

中国电信 5G NTN 技术白皮书 天地一体、手机直连2 2023023 年年 1 11 1 月月目录目录第一章第一章引言引言.1第二章第二章5G5G NTNNTN 应用场景及生态应用场景及生态.22.12.1手机直连卫星手机直连卫星.22.22.2汽车直连卫星汽车直连卫星.42.32.3其他应用场景其他应用场景.52.42.45G5G NTNNTN 产业生态产业生态.6第三章第三章5G5G NTNNTN 技术标准进展及面临挑战技术标准进展及面临挑战.83.13.13GPP3GPP 标准进展标准进展.83.23.2CCSACCSA 标准进展标准进展.113.33.35G5G NTNNTN 当前挑战当前挑战.12第四章第四章5G5G NTNNTN 组网架构组网架构.154.14.15G5G NTNNTN 网络架构概述网络架构概述.154.24.25G5G NTNNTN 组网架构展望组网架构展望.16第五章第五章5G5G NTNNTN 技术思考及实践技术思考及实践.195.15.1芯片一体化增强芯片一体化增强.195.25.2终端模组增强终端模组增强.205.35.3无线空口增强无线空口增强.235.45.4核心网增强核心网增强.255.55.5NTNNTN 容量评估容量评估.275.65.6NTNNTN 测试验证测试验证.285.75.7手机直连演进路线手机直连演进路线.31第六章第六章总结总结.33缩略语缩略语.35联合编写单位及作者联合编写单位及作者.38中国电信 5G NTN 技术白皮书1第一章第一章引言引言5G NTN（5G Non Terrestrial Network）是面向卫星通信和低空通信等新应用场景的重要演进技术，标志着 5G 从地面走向了空间。5G NTN 基于 3GPP 开放标准，可实现卫星通信与地面通信体制兼容，借助手机直连，可充分利用和分享地面 5G 的产业链和规模经济效益，快速扩增卫星通信产业规模。5G NTN 是星地融合通信发展的主流方向，主要包括 IoT NTN 和 NR NTN 两条技术路线。前者基于 NB-IoT 技术演进而来，侧重支持物联网业务，提供低速数据传输、短消息等功能；后者基于 5G NR 技术演进而来，侧重支持宽带数据、语音和固定无线接入等功能。5G NTN 为下一代空天地一体化融合通信系统奠定了重要的技术基础，目标是达成 6G 一张网，实现统一空口传输、统一接入控制、统一鉴权认证和统一组网架构，实现星地无感切换。近年来，随着卫星互联网、手机直连和天地一体等新技术的不断涌现，国内外产业各方均加快了针对 5G NTN 的标准、能力以及应用创新的试验，成功进行了大量 5G NTN 原型试验，芯片、终端和网络设备等产业各方均大力推进 5G NTN的技术预研。中国电信作为国内同时拥有卫星移动通信和地面移动通信运营牌照的基础电信运营商，一方面，承接和组织我国“天通一号”卫星移动通信系统的民用运营，另一方面，紧跟国家“高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施建设”战略，加快推进天地一体能力构建，积极探索 5G NTN、6G 等未来网络标准技术与应用，基于高轨卫星开展了大量的 5G NTN 技术试验和应用验证。本白皮书基于国内外标准组织关于5G NTN技术体制的研究现状及演进态势，提出中国电信有关 5G NTN 的标准、架构及关键技术的展望，并结合卫星、核心网、无线网、终端、芯片等关键环节的方案论证、测试结果和性能评估，形成5G NTN 技术演进的发展建议，为中国电信未来网络及业务演进提供战略参考。中国电信 5G NTN 技术白皮书2第二章第二章5G5G NTNNTN 应用场景及生态应用场景及生态5G NTN 能提供媲美地面移动通信网的相同业务服务，包括语音、短信、物联、社交、视频等。一方面，5G NTN 技术适用于应急通信、交通、矿产、油气、电网及海事等行业场景；另一方面，5G NTN 技术借助手机直连卫星等技术，逐步拓展到普通大众消费群体，在增大存量用户黏性的同时，提升了用户 APRU 值。基于 5G NTN 技术构建的天地融合网络，通过星间链，支持高中低轨卫星资源协同，与地面组合形成一张网络，服务手持、船载、车载、机载等用户群体，如图 1 所示。图 1 5G NTN 应用场景示意图本章将介绍手机直连卫星、汽车直连卫星和卫星互联网等三大典型场景。2.12.1 手机直连卫星手机直连卫星手机直连卫星能满足人们对“永不失联、永远在线”的需求，提供全区域、全维度的泛在连接服务。经济效益与需求双轮驱动下，技术的突破推动手机直连业务成为大势所趋。其应用场景包括旅游探险、应急救灾、蜂窝补盲等。1.户外旅游探险。游客身处户外、沙漠、高山或者乘坐游轮时，经常面临地面网络无信号的窘境。如 2023 年五一期间，新疆、甘肃、青藏等边疆地区成为旅游热门地，光新疆地区接待游客超 800 万人次，手机直连卫星业务可较好满足游客在偏远地区的通信需求。2.应急救灾通信。遭遇重大灾害时，成片的基站损毁失能，造成断网停服。如今年 8 月北京、天津、河北和黑龙江等地水灾期间，地面通信一度中断，应急中国电信 5G NTN 技术白皮书3救援部门通过卫星电话实时掌控受灾区域的人员情况成为刚需。3固定及蜂窝网络覆盖补充。从全球来看，目前尚有 80%以上的陆地区域和 95%以上的海洋区域缺少地面网络覆盖，在人烟稀少的深山、森林、沙漠等区域，地面网络部署成本过高或难度过大。当地牧民、科研人员使用卫星业务是一种相对经济的通信手段。图 2 手机直连卫星主要应用场景根据中国信通院分析报告，2023年1-8月国内市场手机总体出货量累计1.67亿部，预估 2026 年将达 3.14 亿。5G NTN 属于 3GPP 标准技术，基于海量普通手机用户群体及产业规模，可以大幅降低卫星芯片、终端模组、手机的成本，使手机直连卫星具备经济可行性，三年内预估 NTN 芯片出货量有望突破 5000 万片。数据来源：中国信通院国内手机市场运行分析报告图 3 2018-2026E 国内手机出货量及预测中国电信 5G NTN 技术白皮书42.22.2 汽车直连卫星汽车直连卫星除了手机，汽车也是大众体验卫星通信服务的重要手段。国内多个汽车生厂商制定计划，要在新车型前装卫星通信模块，拉动汽车直连卫星商用进程。在沙漠、草原、戈壁、森林等越野旅游场景下提供车辆位置监控及上报、车辆救援、遇险呼救、社交娱乐等能力。图 4 汽车直连卫星主要业务基于中国汽车工业协会统计数据测算，预计 2024/2025/2026 年全国汽车出货量约为 2500/2620/2755 万台，其中高端车占比约 2%-3%。按照 NTN 卫星直连模组在高端车型前装渗透率逐步提高的趋势，2024 年预计采用 NTN 技术的汽车直连卫星的高端车型渗透率预计达 5 万台，到 2026 年约为 52.3 万台。NTN 汽车直连卫星功能前期主要搭载在高端车型为主，预计 2026 年逐渐拓展中低端车型。图 5 5G NTN 汽车 2024E-2026E 年预测数据中国电信 5G NTN 技术白皮书52.32.3 其他应用场景其他应用场景5G NTN 的 IoT NTN 路线主要应用于卫星物联网领域，一方面，集成了 NB-IoT多次重传、低功耗、长待机的优点，另一方面，兼具卫星的立体广覆盖能力，在海运、航空等领域具有广泛应用前进。而 5G NTN 的 NR NTN 路线主要应用于卫星宽带业务，解决各类场景中的图片、视频等数据传输需求。典型的应用场景如下：1.海运场景：在现代渔业、海洋监测、油气勘探、远洋运输等领域，卫星物联网主要满足轮船（如客轮、远洋船、渔船等）状态、环境和位置信息上报、视频监控，以及船内人员宽带上网、电话以及短信等需求。据2022 年交通运输行业发展统计公报 显示，全国水上运输船舶 12.19 万艘，预计 2026 年达到 12.68万艘。当前海运场景多采用 GMR、DVB 等传统技术体制提供的卫星通信服务，预计 2026 年前后将运输船舶的卫星通信技术将逐步升级为 5G NTN 体制。数据来源:交通运输行业发展统计公报图 6 2018-2026E 全国水上运输船舶数量及预测2.航空场景：涵盖民航客舱内用户上网、短信和语音等业务，以及通用航空领域的语音调度、轨迹数据回传等需求。中国民用航空局发布的2022 年民航行业发展统计公报显示，截至 2022 年底，我国民航全行业运输飞机期末在册架数 4165 架，全行业无人机将近百万。预计 2026 年支持 NTN 的机载卫星终端达7 万个。中国电信 5G NTN 技术白皮书63.智慧农业：主要包含智慧农场、智慧养殖两类典型应用场景。前者基于卫星物联网设备实现农场气象、土壤环境等监测数据的传输上报，为农业智慧化提供精确参照；后者实现对牲畜的实时状态及位置监测，提升农业养殖效率和效益。图 7 智慧农场应用示例4.资产管理：针对偏远地区企业资产（如野外林区、海上风电设备、戈壁、油气开采设备等）的监管需求，传统蜂窝基站成本代价太高，借助卫星连接将资产当前的状态、位置、照片等信息实时上报企业，可节省大量的人力巡检成本以及地面网投资。图 8 资产管理应用场景5.智慧物流：通过卫星通信模组监控和跟踪集卡、货运车辆及货物位置，优化交付和运输路线，大幅提升物流运输、仓储、包装、装卸搬运、信息服务等各环节的系统感知、统筹调度以及物流交接效率，降低行业成本。根据 Berg Insight 数据显示，全球卫星物联网用户未来几年将保持 25%以上的高复合增速，至 2026 年，全球卫星物联网用户数将达到 2120 万,市场规模将增长到 10 亿美元级别。2.42.4 5G5G NTNNTN 产业生态产业生态5G NTN 产业涉及卫星制造、卫星发射、卫星运营、地面设备等多个环节，中国电信 5G NTN 技术白皮书7我国在上述环境均已形成初步布局。卫星制造和发射是产业链价值最集中的环节，技术成熟度高。但卫星整机制造难度大、研发周期长、资金投入大、发射服务成本较高，并且上述环节存在较高的门槛和技术壁垒，中国航天科技集团、中国航天科工集团、中科院等央企在该领域实力雄厚。在卫星技术体制中引入 5G NTN 将是各大企业的重点方向。在卫星运营环节，当前具备商用服务能力的主要有航天卫通、中国电信、中交集团等企业，后续随着卫星互联网的建设到位，中国星网等卫星运营商将逐步涌现。利用现有卫星增加 5G NTN 基带、或在后续卫星系统中直接设计和实现5G NTN 技术体制，以便实现天地一体，已成为运营商的重要选项。在地面设备环节，涉及信关站在内的接入网和核心网设备，以及各类终端、芯片及模组等，吸引了众多企业参与，业界整体处于预研、测试及快速催熟阶段。芯片方面，紫光展锐、联发科、高通和海思等已开展或正推进支持 NTN 能力的芯片研发；终端方面，众多的手机终端厂商及物联网模组厂商也在规划支持 NTN 的终端产品；网络设备方面，中兴通信、中信科等网络厂商已有支持 3GPP 最新协议的 NTN 无线及核心网原型试验设备。目前，除国外卫星运营商 Skylo 已宣布推出基于摩托罗拉手机的 NTN 商用服务（APP 模式的卫星短数据）外，其他产业链参与方尚处实验阶段。国内已有多家运营商联合芯片、终端及网络设备提供商基于 3GPP R17 标准进行了多次技术试验和测试，从测试结果、设备成熟度、卫星资源冗余度来看，预计 20242025年业界初步具备支持 IoT NTN 商用的终端、芯片以及网络设备，而 NR NTN 尚需继续推进更大规模的技术试验和测试，以持续完善标准协议。未来，在海洋强国、交通强国、乡村振兴等国家战略推动下，5G NTN 产业生态将更趋完善和成熟，产生巨大的社会和经济效益。中国电信 5G NTN 技术白皮书8第三章第三章5G5G NTNNTN 技术标准进展及面临挑战技术标准进展及面临挑战3.13.1 3GPP3GPP 标准进展标准进展随着近年来卫星通信受到的关注度不断提升，3GPP 作为通信行业最重要的国际标准组织之一，开展了对非地面网络技术体制的研究和标准化。按照 3GPP的规划，5G 的技术演进分为两个阶段，R15、R16 和 R17 三个版本是 5G 的第一个阶段，之后的R18、R19和R20是第二个阶段，第二个阶段又被称之为5G Advanced，即 5G 演进。图 9 3GPP 5G NTN 演进路线1.第一阶段3GPP 在 R15 阶段首先提出将 NTN 纳入 5G 系统需求与应用前景的讨论。进入 R16 阶段，3GPP 标准组就终端、无线和核心网等方面开展了 NTN 系统性技术研究讨论。针对终端，研究了基于 S/Ka 频段的卫星通信手机功率、能耗的影响；针对无线接入，评估了面向不同的部署场景的信道模型、多普勒频移、传输时延等重要特性估，并给出支持 NTN 对现有地面通信标准的潜在增强需求；针对核心网，研究了支持卫星透明转发的组网架构，以及网元功能增强需求等。从 R17 版本开始，3GPP 启动了正式的 NTN 规范制定，并提出了 NR NTN 和 IoTNTN 的第一个基线规范版本，旨在指导 NTN 快速落地。针对卫星通信因场景距离中国电信 5G NTN 技术白皮书9远、移动快、覆盖广带来的多普勒频偏大、信号衰减大和传播时延大等问题，NTN设计了空口增强协议，引入了调度时序管理、HARQ 功能编排、时延补偿、频率补偿、空地快速切换移动性管理增强等先进技术，理论上支持手持及物联网终端具备直连卫星的通信能力，可分别以 5G NR 或 NB-IoT/eMTC 协议接入 5G 或 4G网络。在 R17 标准中，NR NTN 重点提出了以下增强技术：（1）网络架构：支持透明转发模式下手机直连卫星，解决核心网侧注册、会话建立流程中的关键问题。（2）时频同步：引入终端侧和卫星侧的时频补偿机制，参考星历信息弥补服务链路（终端-卫星）和馈电链路（卫星-信关站）引入的大时延和多普勒频偏。（3）移动性：引入基于时间和位置信息的小区选择/重选和切换机制，提高了移动性管理的准确性。（4）频谱：引入 n255（上行：1626.5-1660.5MHz，下行：1525-1559MHz）和 n256（上行：1980-2010MHz，下行：2170-2200MHz），作为支持 NTN 技术体制的卫星频段，采取频分双工模式，规范了手持终端的射频性能要求。R17 版本周期，IoT NTN 复用了 NR NTN 相对成熟的技术方案，除此之外，IoTNTN 具有特有的非连续覆盖要求，比如部分 IoT NTN 场景下卫星物联网终端不需要连续发送和接收数据，比如基于服务卫星和星座广播相关的辅助信息确保卫星物联网终端能预测即将到来的卫星、并在无卫星覆盖时段节省功率，适应部署稀疏星座的卫星物联网服务，比如超出覆盖范围的卫星物联网终端设备不需要执行接入层（AS）功能等。2.第二阶段在 R18 版标准中，NR NTN 将进一步完善 5G 卫星组网能力，重点包括：（1）支持 10GHz 以上频段部署：3GPP 将考虑相关共存场景,确保基于 NTN引入的卫星频段不影响现有规范，不会导致 3GPP 指定的与 NTN 频段相邻的地面频段网络服务质量下降。R18 指定的超过 10GHz 的 3 个新 NTN 频段是 n510、n511和 n512。中国电信 5G NTN 技术白皮书10（2）覆盖增强：考虑 NTN 时延大和卫星高速运动特性，重点增强上行信道，在 PUCCH 信道引入重复传输机制以提高信号质量，在 PUSCH 信道引入 DMRS 联合信道估计以提高信道估计准确度。（3）移动性和服务连续性增强：针对卫星小区频繁切换信令开销大的问题，引入 RACH-less 和不改变 PCI 的切换方案优化信令流程，降低切换开销，并在陆地和卫星小区边界通过广播小区覆盖范围避免对小区频点的盲目搜索。（4）基于卫星回传架构的星上 MEC，支持星上本地数据交换功能：考虑到某些边缘地区（例如：偏远农村地区或孤岛地区）的基站与核心网之间难以部署回传网络，3GPP 提出了集成卫星回传的 5G 网络架构。并针对卫星链路引入的较长数据包延迟和有限带宽等问题，通过在高轨卫星上部署 UPF 和/或 EASDF 等核心网网元，实现星上 MEC 和星上本地数据交换。在 R18 版标准中，IoT NTN 体制主要增强了：（1）移动性增强：支持无线链路失败前的相邻小区测量和相应的测量事件触发、支持适用于 eMTC 和 NB-IoT 的相邻小区星历系统信息信令，并沿用 R17 NRNTN 中引入的移动性增强方案来适应 eMTC 的移动性。并针对非对地静止星座稀疏导致的不连续覆盖问题，增强 AMF 网络功能，使其能够根据卫星的覆盖周期调整移动可达定时器和/或隐式去注册定时器的值，避免网络在无卫星覆盖时仍频繁寻呼卫星接入的物联网终端，并增设等待定时器来防止当卫星覆盖再次可用时，大量物联网终端同时向网络发起移动注册更新，产生信令风暴问题。（2）业务体验增强：通过禁用 HARQ 混合自动重传请求反馈，避免由于无空闲 HARQ 进程 ID 而无法传输新数据的情况，减轻了 HARQ 等待对物联网终端设备数据传输速率的影响。5G NTN 在 R17 和 R18 两个版本的研究均是聚焦卫星通信透明转发模式，即卫星侧不对所接收的数据进行调制、解编码等信号处理操作，相关操作均依托于信关站。这种情况下卫星网络的服务仍受地理限制（例如：在海洋等不利于建设信关站的区域），难以真正地实现的全球无缝覆盖。中国电信 5G NTN 技术白皮书11后续的 R19 版本将重点聚焦再生模式的 NTN 研究，计划攻克用户和通信链路移动性管理难题，利用星间链路加强卫星间的协同，进一步增强上行和下行覆盖，实现全球无缝覆盖、更快数据速率、更大网络容量，助力汽车、无人机等新型终端设备获得可靠连接。同时，R19 版本将增加卫星通信的新场景，包括不连续链路存储和转发的物联网应用、独立运行的 GNSS、卫星接入的定位增强、同一卫星下的 UE 组间通信等。此外，ITU 也在为 IMT-2020 技术方案的收集召集各标准化组织提交就卫星无线接口技术（SRIT）的备选方案及相关评估，将在 2023 年 12 月的 ITU WP 4B大会处理。3GPP 承接此要求在接入网侧已于 2023 年 3 月展开专项研究，该项目基于 R17 版本的 NR NTN 及 IoT NTN 按照 ITU 要求进行相关自评估，预计将于 2023年 12 月基于相关评估结果向 ITU 提交 3GPP 的卫星接入技术备选方案。3.23.2 CCSACCSA 标准进展标准进展作为国内行业标准的主要阵地，CCSA 主要参考 3GPP 规范，面向国内运营商的实际需求，在 5G NTN 标准方面，当前其主要聚焦透明转发、低轨卫星 NR 互联网、IoT NTN 等三个技术方向，基于 3GPP 标准进行国内定制化工作。具体包括：一是鉴于透传转发模式对卫星和网络运维要求低、易运维，当前主要推荐采用透明转发模式进行 NTN 初步部署。二是考虑到国内 LEO 卫星资源受限、产业链不成熟、GEO 卫星和频谱资源已初具条件，建议在无线接入层面重点关注 IoT NTN 的空口支持，在核心网层面同时支持 IoT NTN 和 NR NTN 两种业务类型，正完备 NTN 窄带物联的行标体系。三是全力推进卫星互联网技术标准化，鉴于 CCSA 覆盖无线、核心网和承载网全的优势，组织制定完整的国内卫星互联网标准，后续向 3GPP 贡献国内方案。与此同时，CCSA 充分考虑到国内运营商的高轨卫星优势，立足国内现状，推动国内标准化方案。其中无线通信技术委员会（TC5）和航天通信技术（TC12）紧跟技术发展，配合产业需求，基于国内外动态，提出首波卫星业务主要是面向IoT NTN 的物联网服务，未来演进 NR NTN，以此全面推进国内的 5G 卫星行标标准工作。中国电信 5G NTN 技术白皮书12中国电信发挥既有卫星又有地面网的优势，先行布局 IoT NTN 技术体系，牵头 NTN 窄带物联标准体系，通过基于非地面网络（NTN）的物联网窄带接入（NB-IoT）接入网总体技术要求（第一阶段）等五项接入网行业标准立项，包括“接入网总体技术要求、卫星接入节点设备技术要求、卫星接入节点设备测试方法、终端设备技术要求和终端设备测试方法”等。该系列行标主要参考 3GPP R17及 R18 的 NTN 物联网技术，将 NB-IoT 与卫星通信结合，助力我国构建天地一体的窄带物联网络。在核心网方面，通过立项基于非地面网络的物联网窄带接入（NB-IoT）核心网技术要求和测试方法（第一阶段）标准，启动配套核心网行标规范工作，明确和完善 IoT NTN 对于核心网的技术要求，推动 IoT NTN 技术在我国的应用落地。在宽带 NR NTN 行标领域，中国电信一是牵头了基于 R17 NTN 核心网总体技术的支持卫星接入的 5G 核心网技术要求（第一阶段）行标立项，主要研究注册区域分配与管理、移动性限制及基于 UE 位置的接入控制等关键技术；二是联合中国信通院提交第一阶段技术要求的测试方法立项，研究和完善测试用例；三是完成支持卫星接入的 5G 核心网技术要求（第二阶段）的行标立项，研究非连续卫星覆盖下的终端移动性管理和星上用户面边缘计算和数据交换技术等。在天地一体频率领域，中国电信在 TC5 牵头了IMT 地面网络与未来 NTN 卫星网络邻频共存兼容性研究行标立项，在 TC12 牵头了基于高低轨协同的天地一体组网技术研究、面向多种应用场景的星地融合终端技术研究等行标立项，从频率、组网、终端提升等各个维度开展科研布局，推动天地一体星地融合技术进展。3.3.3 3 5G5G NTNNTN 当前挑战当前挑战自 3GPP R15 版本开始，5G NTN 便被纳入 5G 标准体系，并将在 5G Advanced中持续演进。在 R17 基础上，NTN 覆盖增强、移动性增强、物联网增强、高低协同等技术方面尚有诸多待进一步成熟和完善之处。后续，3GPP 将兼顾 5G NTN 中的遗留问题和 6G 需求，在 5G Advanced 标准中开展持续研究，主要将聚焦：中国电信 5G NTN 技术白皮书131.时域方面。由于高低轨卫星的传播延时存在较大差异，终端需要具备大范围动态调整上行定时提前参量的能力。同时低轨卫星的快速移动，需要终端具备短时间内完成大范围的 TA 调整能力。另外，时延的大范围波动还会影响 HARQ过程，不同传播时延的链路应适配灵活的 HARQ 进程数量以满足业务要求。2.频域方面。卫星通信涉及到了多个频段的管理和协同，复杂程度远高于地面网络。针对 L/S/Ka/Ku 等卫星频段，首先应关注解决干扰共存问题，其次为提高无线频谱的利用效率，卫星频率和地面网频率间的干扰共存和资源协调具有较大挑战。3.芯片及终端方面。卫星网络要求终端提供更大的发射功率来弥补卫星上行链路信号衰减的问题。在标准演进中，需设计适应卫星环境的无线测量机制，结合位置、星历等信息有选择地切换终端的工作状态和无线测量方式。同时，考虑到语音业务对于卫星移动通信网络的重要性，以及国内星座规模及容量较小，需强化信源编解码解决方案及端网协同解决方案的研究。另外，单模 5G NTN 芯片会增加消费者购机成本，规模推广受限，采用 5G NTN 芯片与 5G 芯片的一体化设计和融合，借助 5G 产业完成 NTN 技术的快速推广是较为经济的解决途径。4.网络架构方面。未来，再生模式是将地面移动网络能力加载到卫星的基础技术，但亟需解决大量快速移动的低轨卫星给 5G 网络架构带来的影响。首先应关注和解决运动中无线网与核心网之间连接的动态变化导致的通信效率问题，其次应关注和解决 UE 不断变换连接的卫星带来的移动管理问题，最后应关注和解决星间链连接拓扑的动态变化带来的承载切换导致的 QoS 不稳定问题。在当前R17 版本下，再生网络模式暂不成熟，透传模式是更可靠的选择。故当前阶段，基于透传模式构建 5G NTN 网络，与地面 5G 网络融合，将是运营商重点关注事项。5.网络功能方面。目前较成熟的 IoT NTN 技术从 NB-IoT 演进而来，NB-IoT基于地面网络环境设计，仅支持小数据和短信业务，暂不支持语音业务。考虑到语音业务对于 NTN 进手机直连市场的重要推进作用，需重点关注通过增强 IoTNTN 核心网能力，实现对语音业务的支持。相较地面网络，卫星移动通信网络在中国电信 5G NTN 技术白皮书14传播延迟、链路预算、多普勒频偏、移动性管理和大半径小区等方面均存在较大差异，业界应关注和进一步优化时延、覆盖、移动性、调度、信令裁剪等技术。6.卫星共享方面。考虑到中低轨卫星系统重点在于全球覆盖，其商业闭环需要基于全球市场统筹考虑，为提升卫星投资效率，卫星运营商需重点解决卫星与跨国地面运营商新型组网模式下的网络、频率、承载、信关站等共建共享策略和运营主体的权益等。中国电信 5G NTN 技术白皮书15第四章第四章5G5G NTNNTN 组网架构组网架构4 4.1.1 5G5G NTNNTN 网络架构概述网络架构概述从标准组角度，5G NTN 技术适用于高轨、低轨等多种星座部署场景，是实现星地网络融合发展的可行技术路线。5G NTN 网络分为用户段、空间段和地面段三部分。其中用户段由各种用户终端组成，包括手持、便携站、嵌入式终端、车载、船载、机载终端等；空间段即星座中的所有卫星,作为通信中继站,提供用户段与地面段之间的连接，卫星可以是高轨卫星、中轨卫星或低轨卫星；地面段包含信关站、网络设备、卫星控制中心、测控站及地面支撑网等，用户通过地面段接入核心网。除此之外，地面段还包含对空间段的测控、网络运行管理及用户管理等功能。整体架构如图 10 所示。图 10 卫星网络分层架构示意图5G NTN 网络基于不同的应用场景与差异化的用户需求为，聚焦数据业务传输、短消息交互以及语音通话等功能，支持多体制融合、多形态终端、多场景漫游、灵活自主可控。针对 5G NTN，3GPP 提出了两种架构模式，透明转发和星上再生。如图 11 和图 12 所示。1.透明转发架构中，终端与地面基站之间通过服务链路和馈线链路连接，卫星提供射频中继转发功能，实体卫星和地面网关对数据流转发过程透明。该架构中国电信 5G NTN 技术白皮书16可应用于新发射卫星技术体制，也可复用现有卫星资源（具备透明转发能力），利于 5G NTN 快速商业落地。图 11 5G NTN 透明转发架构2.星上再生架构中，5G NTN 基站功能集成到卫星侧,如图 12 所示。该架构具有灵活组网、传输时延低、支持跳波束资源灵活调度的特点，但技术复杂度和卫星成本较高。图 12 5G NTN 可再生网络架构4.24.2 5G5G NTNNTN 组网架构展望组网架构展望在推进天地一体网络建设工作中，面对“天星”、“地网”体制分离的现实问题，中国电信结合地面网络和卫星网络的双重运营经验，基于 5G NTN 技术标准，提出星地漫游和星地融合两种网络架构。1 1.星地漫游星地漫游星地漫游场景下，5G NTN 网络与地面蜂窝网络之间通过国际漫游/省间漫游实现用户的自主接入，实现星地网络的能力协同。用户可在 5G NTN 网络和地面蜂窝网络间漫游，5G NTN 网络用户可根据自身需求漫入地面蜂窝网络，通过地中国电信 5G NTN 技术白皮书17面蜂窝网络使用高清语音、视频通话、数据传输等业务；地面蜂窝网络用户可在无覆盖或应急场景下漫入 5G NTN 网络，使用短信、语音、低速数据等业务。星地漫游网络架构如图 13 和图 14 所示。图 13 5G NTN 用户漫游到地面蜂窝网络架构图 14 地面蜂窝网络用户漫游到 5G NTN 网络架构2 2.星地融合星地融合星地融合是星地漫游网络架构的进一步演进，在星地融合网络架构中，卫星作为一种接入方式经信关站连接到天地一体化核心网，为用户提供无差别化的基础通信业务和增值业务，同时可为行业专网客户提供卫星 5G LAN、星上边缘计算和切片等业务。天地一体阶段的网络架构如图 15 所示。中国电信星地融合网络架构将实现 5G NTN 卫星网络与地面蜂窝网络的深度融合，提供弹性可重构的灵活组网能力，支持星地网络节点功能的柔性分割，实现星地多层网络间自适应路由，支持星地一体灵活部署及灵活迁移，通过智能网络统一管理系统，实现星地网络资源协同调度及频谱资源高效利用。以汽车直连、手机直连为代表的终端用户可以无感接入最合适的网络节点，并在星地间无缝切中国电信 5G NTN 技术白皮书18换。相比传统地面网络架构及星地漫游网络架构，星地融合网络架构提供的无处不在、无感接入、无缝切换的通信网络服务，将构建起性能更优异的独特竞争优势。图 15 星地融合网络架构对于 5G NTN 来说，受限于标准不完善、端到端产业不成熟，整体来看，其网络架构前期应以透明转发为主，构建星地漫游网络架构；后期随着卫星技术、星上再生技术的成熟，再按需调整网络架构部署形态，逐步迁移到星地融合上来，真正实现星地一体无缝切换。中国电信 5G NTN 技术白皮书19第五章第五章5G5G NTNNTN 技术思考及实践技术思考及实践中国电信在 5G NTN 技术体制演进上持续探索，联合端到端行业合作伙伴，从芯片、终端、无线网、核心网、容量评估和测试验证等维度不断推进 5G NTN技术和产业成熟，为未来 5G NTN 商用打造核心能力。5 5.1.1 芯片一体化增强芯片一体化增强5G NTN 芯片的繁荣对 5G NTN 产业发展具有重要意义。目前来看，对于 5G NTN芯片，已有 IoT NTN 单模芯片商用，但 NR NTN 芯片暂时未商用，各大芯片厂商均处于探索和实验阶段。考虑到现有 5G 技术广泛应用，5G 芯片产业成熟，因此，实现 5G NTN 与 5G芯片的一体化，借助 5G 芯片的规模效应，实现 5G NTN 技术的快速推广，将是芯片发展的必由之路。接下来，本白皮书将从射频、基带、软件、成本、功耗等几个方面来探讨 5G NTN 芯片一体化方案的可行性。1.从射频来看，5G NTN 支持的频段集中在 L/S/Ka 频段，目前 5G 芯片在 FR1（6GHz 以下）频段较为成熟，可平滑升级支持 L/S 频段；对于 Ka 频段，随着 5G芯片在 FR2（24.25GHz52.6GHz）频段的逐渐成熟，其融合进 5G 芯片也将具有相当可行性。对于 IoT 芯片，主要包括 NB-IoT、CatM、Cat1 等类型，支持 L/S频段，不支持 Ka 波段。2.从基带来看，5G NTN 要求芯片能够读取并解析星历信息、获取自身所处位置、预补偿终端和卫星之间的时延，以及纠正多普勒频偏。5G 芯片一般通过软件升级即可满足以上要求，IoT 芯片则有所区别，部分 IoT 芯片采用软架构基带，可通过软件升级，支持计算和预补偿终端和卫星之间的时延，以及多普勒频偏。3.从软件来看，对于 IoT NTN，需要芯片支持 4G/5G 协议栈，对于 NR NTN，需要芯片支持 5G 协议栈。目前 5G 芯片支持 4G/5G 协议栈，IoT 芯片目前以支持4G 协议栈为主，未来支持 5G 协议栈需要做软件升级。4.从成本来看，需要芯片支持 GNSS 能力。目前大部分 5G 芯片和部分 IoT中国电信 5G NTN 技术白皮书20芯片支持 GNSS 能力，但是对于没有集成 GNSS 能力的芯片，需要额外增加支持GNSS 能力带来的成本。5.从功耗来看，目前 5G 芯片和 IoT 芯片支持 C-DRX、eDRX 及 PSM 等蜂窝省电技术，这些技术都可以平滑迁移到 NTN 中达到省电的效果。根据上述分析，无论是 5G 芯片还是 IoT 芯片，都能平滑演进支持 L 和 S 频段的 NTN 通信，可以借助现有蜂窝通信中的省电技术节省功耗，但是面临一定的软件升级和成本增加，比如增加 GNSS 芯片组和 5G 协议栈软件升级等，后续需持续开展芯片一体化的研发及测试工作。5.5.2 2 终端模组增强终端模组增强5G NTN 网络，特别是 IoT NTN 网络，由于系统带宽小、信号衰减大，其速率、容量等性能受到限制，因此，需要终端侧适应性增强以与网络侧实现端网协同，共同保障短信、语音等业务性能。5 5.3.1.3.1 语音编码增强语音编码增强常见的语音编码方案有 AMR-NB（4.7512.2kbps），AMR-WB（6.623.85kbps），EVS-NB（5.924.4kbps）和 EVS-WB（5.9128kbps）。对于 NR NTN，其上下行速率较高，上述语音编码方案中的低速率模式可以适用，若 NR NTN 的带宽能够进一步增强，上述语音编码方案中的高速率模式也将可以应用。但是，对于 IoT NTN，因为带宽受限，如果承载语音业务，需采用 2.4kbps/1.2kbps 或者更低速的语音编码方案。低速语音编码虽然解决了带宽受限问题，但是却导致语音质量下降。因此，开展低速语音编码方案研究，在降低语音编码速率的同时，尽可能地保证语音质量，对于 IoT NTN 具有重要意义。低速语音编码方案主要有波形编码、参数编码、混合编码。其中，波形编码语音质量好，但是编码速率高；参数编码相比波形编码速率较低，但语音质量一般没有波形编码好；混合编码结合了波形编码和参数编码的优势，可在低编码速率条件下尽量实现较好的语音质量，是未来低速语音编码方案的重要方向之一。中国电信 5G NTN 技术白皮书21近年来，随着 AI 技术大力发展，通过 AI 预训练语音编解码大模型，可进一步降低语音编解码速率，其理论极限已被论证可降低至 0.1kbps。此外，在接收端通过 AI 模型亦可对语音进行降噪，从而提高语音质量，以满足高轨卫星低速率高质量语音通话需求。低速语音编解码方案如下图所示，其中，低速语音编解码器部署于终端和IMS 语音网关中。在终端和 IMS 语音网关间，语音流采用低速语音编解码方案，在 IMS 语音网关，实现低速语音编码和标准语音编码之间的转换。图 16 低速语音编解码方案网络架构5.3.25.3.2 端网协同增强端网协同增强5G NTN 网络资源有限，接入的终端数量大、种类多，为满足不同场景和不同用户的差异化服务需求，需合理规划网络资源，实现终端和网络有效协同。端网协同，即网络根据网络资源状态和相关策略，实时优化不同终端模组的资源使用情况，达到网络资源利用合理化的目的。图 17 端网协同方案中国电信 5G NTN 技术白皮书22如上图所示，端网协同策略下，网络可下发命令至终端，控制终端网络交互及数据上报。具体来说，端网协同包括拥塞控制、搜网控制和终端信息上报等需求。1.拥塞控制5G NTN 作为地面网络的补充，资源宝贵，可以为有限用户提供服务，当发生拥塞时，如何为用户合理分配资源，对某些场景如抢险救灾至关重要。中国电信 5G NTN 网络方案中，通过以下三种方式，实现基于用户，业务和拥塞程度的精准控制：划分用户优先级：对于抢险救灾，海外作业等危险场景的用户，提供高优先级服务，其他用户根据使用场景再划分为多个等级。拥塞程度判决：网络侧实时监控无线资源状态，根据无线资源使用状态判决拥塞等级，不同的拥塞等级采取不同的拥塞控制策略。划分业务优先级：将语音、短信、数据、位置上报等业务划分不同的优先级，结合拥塞程度，做进一步精准的业务控制。2.搜网控制洪水或者地震等重大灾害，会破坏地面网络通信设施，终端如果继续采用原有的搜网策略，会造成较大的搜网时延。在灾害发生时，网络检查通信设施状态，在地面网络失效区域设置电子围栏。电子围栏中的终端优先搜索并使用 5G NTN网络，同一波束下的其他区域优先搜索并使用地面网络，从而达到网络资源向灾区倾斜的目的。3.终端信息上报终端网络状态信息上报对于网络优化至关重要，网络可以动态控制上报的信息种类和时机，实现后续扩展应用。终端身份信息的上报，如 IMEI，网络可以通过此类信息核实