本文探討了非地面網絡（NTNs）的現狀及其可能的發展方向，重點關注早期采用這種新技術的實用考慮因素。非地面網絡（NTNs）是全球電信領域的一項令人興奮的發展，有潛力改變全球連接并彌合數字鴻溝。在本文中，我們將討論物聯網設備開發人員如何開始利用其功能以實現無縫全球覆蓋。

什么是NTNs？

非地面網絡（NTNs）是一種利用地球表面以上的高空平臺（HAPS）或衛星以及地面資產運行的無線通信網絡。圖1展示了NTNs可以基于的平臺。

圖1. NTNs可以基于多種空中和空間平臺。圖片由高通公司提供

NTNs的多種應用

3GPP（一個全球移動通信標準開發組織）在2022年發布的第17版中定義了NTNs的要求。自那以后，NTNs已成為不斷發展的5G生態系統的重要組成部分。它們支持多種應用，包括：

• 全球互聯網接入

• 全球移動寬帶服務

• 災難響應的關鍵通信

• 環境監測

NTNs還具有許多軍事和私人航空航天應用。基于衛星的NTNs通過整合地面網絡與衛星通信技術，在擴展全球通信方面發揮著關鍵作用。它們填補了地面基礎設施在偏遠或服務不足地區留下的空白，為蜂窩和物聯網終端用戶設備提供了直接衛星接入的可能性。盡管仍需重大技術發展以充分應對衛星通信的挑戰，但NTNs已經出現，其市場正在增長。盡管仍處于起步階段，但NTNs在3GPP標準中的采用有望推動其發展，使其成為6G的完全集成組件。

NTNs增長的驅動因素

全球5G NTN市場在2023年估值為42億美元，預計到2032年將增長到798億美元，復合年增長率超過35%。這種強勁的市場增長是由對全球帶寬的快速增長需求、對偏遠和孤立地區連接需求的增加以及衛星生產和發射成本的快速下降所驅動的。與此同時，將NTNs整合到3GPP 5G生態系統以及NTN標準的開發，為這一快速發展的市場中的開發人員和制造商提供了穩定性和確定性。NTNs在農業、物流、能源和交通等行業中啟用應用。它們為各企業提供了顯著的機遇，使企業能夠實現真正的全球運營，在以前無法到達的地點收集數據。現有的和新興的用例包括：

• 公共安全行動

• 災難響應和恢復管理

• 自動駕駛車輛和V2X通信

• 海事和航空通信

• 高級遠程信息處理服務

• 5G網絡的回傳支持

• 簡化的5G漫游

這些用例和應用的需求刺激了空間技術的重大創新，導致衛星生產和發射成本大幅下降。隨著每年發射的衛星數量增加，設計、生產和維護成本分布在更高的產量上。由此產生的規模經濟導致單位成本降低。與此同時，芯片組和半導體變得更小、更強大。這使得更多功能可以被集成到衛星中，增加了空間市場的商業可行性。因此，像OneWeb、SpaceX、Project Kuiper和Telesat這樣的大量運營商已經出現，通過低軌道衛星群提供全球通信服務。

納入3GPP標準

衛星通信日益受到關注，這體現在非地面網絡（NTN）被納入3GPP標準中。3GPP標準的第17版定義了兩類NTN，每種都有其特定的用例和市場：

• NTN-IoT（物聯網）

• NTN-NR（新無線）

后續版本提升了性能、可靠性和效率。第18版于2023年第三季度凍結，涵蓋了對NTN-IoT和NTN-NR的增強功能。它增加了新的服務和流量模型，以及NTN-NR的頻段。預計將于2025年第四季度最終確定的第19版，增加了一種新的再生NTN架構（見圖2），該架構可以替代最初的“彎管”配置。新配置通過在衛星上放置分布式單元處理來支持星間鏈路。

透明與非透明NTN架構

圖2. 彎管（左側）和再生（右側）有效載荷及橢圓形波束模式。圖片由3GPP提供

3GPP的工作為確保NTN作為未來6G網絡的完全集成組件奠定了基礎。與當前的5G NTN相比，預計這將更好地滿足垂直行業的需求和消費者市場的期望，在廣闊的地理區域內提供增強的連接性和低延遲。開發人員利用NTN的實用考慮因素如今，NTN市場正在迅速發展，多個工作組和組織正在解決整合地面網絡（TN）和非地面網絡（NTN）的挑戰。NTN-IoT目前是發展最為成熟的市場，多家制造商提供的芯片組支持開發具有真正全球覆蓋（陸地、海洋和空中）的物聯網用例。開發NTN-IoT項目的開發人員需要考慮以下因素：

• 衛星軌道

• 硬件，包括天線

• 測試和認證

NTN-NR目前還不夠成熟，但隨著衛星通信技術的發展，其重要性將逐漸增加。目前，讓我們先專注于NTN-IoT。

衛星軌道

不同的用例需求可以通過不同的衛星軌道來優化。每種軌道都具有特定的技術挑戰，并且在性能和能力方面涉及權衡。例如，地球靜止軌道（GEO）和地球同步軌道（GSO）衛星覆蓋范圍非常廣闊，能夠為最偏遠的地區提供覆蓋。它們采用簡單的“彎管”架構，直接將信號反射回地面節點。然而，這些軌道距離地球約35,000到36,000公里，對任何系統的鏈路預算都是一個挑戰。延遲較高，數據速率限制在大約1 Kbps，由于傳輸時間更長，導致功耗增加。對于需要多個連接、持續上行和下行流量的大量NB-IoT節點的應用，容量也可能成為一個問題。另一方面，低地球軌道（LEO）衛星每90到100分鐘繞地球運行一次，軌道高度為500到700公里。它們支持更簡單的鏈路預算和更高的數據速率（30到40 kbps），因此功耗更低。然而，由于軌道較低，需要一個LEO衛星網絡來提供覆蓋。在部署的早期階段，間歇性覆蓋（即在某一時刻沒有衛星經過）可能是一個問題。與快速移動的LEO衛星通信也面臨挑戰。例如，多普勒頻移必須在設備的NTN軟件堆棧中處理。從開發人員的角度來看，衛星可能僅在頭頂上方停留兩到三分鐘。這個短暫的傳輸窗口需要衛星網絡內的存儲和轉發機制，以將數據傳輸到客戶的云中。由于上行鏈路和下行鏈路是兩個獨立的事件，端到端延遲可能會有所不同。這在當前的部署階段尤其明顯，當時地面站和衛星可能數量有限。綜合以上因素，GSO/GEO衛星通常更適合關鍵數據——例如警報和緊急通信——這些數據的傳輸頻率較低，且功耗不是問題。為了合理化與GSO/GEO衛星相關的較高成本，這些數據對終端用戶的價值應該是顯著的。LEO衛星支持更低的功耗和更短的連接時間，并且數據速率更高。但缺點是延遲可能非常高——在最壞的情況下，甚至可能達到數小時。至少在部署的早期階段，LEO衛星更適合涉及物聯網數據報告的用例，這些用例對延遲的要求不高。隨著更多LEO衛星的發射以及未來的3GPP版本解決與快速移動的非地面平臺通信的挑戰，這些指導原則無疑會有所變化。

硬件和天線考量

通常，現有的蜂窩模塊可以成功地與衛星網絡通信。因此，升級現有應用以利用NTN可能只需要新的固件版本。在某些情況下，也有可能重用現有的天線。某些NTN頻段與蜂窩頻段相鄰，這意味著可以使用相同的天線進行蜂窩和NTN通信。這將取決于以下所有因素：

• 應用的部署區域。

• 選擇的頻段。

• 系統的整體性能。

由于衛星比蜂窩基站遠得多，鏈路預算對于確保穩定可靠的連接至關重要。表1提供了一些關于系統要求的指導。

表1. NTN衛星通信鏈路的典型性能要求

無論重新利用現有解決方案還是從頭設計，天線的選擇和定位都是關鍵活動，應在設計周期的早期階段盡可能考慮。

測試與認證

天線測試與認證是一項復雜、成本高昂且耗時的任務，涉及專業技能和昂貴的設備。認證過程通常需要數月才能完成。然而，對于任何非地面網絡（NTN）的推出來說，這是必不可少的環節。這給開發人員帶來了巨大的挑戰，因為他們面臨著縮短開發周期和快速推向市場的壓力。像Taoglas這樣的專業天線制造商擁有內部資源和技能，能夠支持客戶完成這一過程，幫助他們降低開發成本并加快上市時間。

利用NTN生態系統確保市場成功

盡管仍在不斷發展，但非地面網絡（NTN）已經為物聯網設備開發人員提供了增強的覆蓋能力，只要他們愿意應對這一快速變化的法規和技術環境。市場成功取決于對NTN的現狀和未來展望的深刻理解，確保產品具有未來適應性并延長其生命周期。然而，衛星通信是一個復雜的領域。獲得像Taoglas這樣的強大生態系統中專家的支持至關重要，這有助于在不犧牲開發周期和成本的情況下克服挑戰。