5G NTN技术思考及实践情况如何？

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5GNTN技术和产业成熟，为未来 5G NTN 商用打造核心能力。

1.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5GNTN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（24.25GHz~52.6GHz）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。

2.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。

语音编码增强

常见的语音编码方案有 AMR-NB（4.75~12.2kbps），AMR-WB（6.6~23.85kbps），EVS-NB（5.9~24.4kbps）和 EVS-WB（5.9~128kbps）。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。

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。

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。

3.无线空口增强

为适应卫星移动通信场景的大链路延时、大多普勒频偏的特点，5G NTN在地面蜂窝技术基础上进行了时频同步以及时序关系增强，使得地面空口技术顺利扩展到卫星移动通信场景。 1.时频同步增强。频域同步方面，终端和网络均具备频率预补偿能力，可抵消多普勒效应导致的频率偏差。时域同步方面，终端可基于GNSS 信息、系统消息下发的星历信息或轨道信息进行时间补偿，实现时间同步。2.时序关系增强。为适配卫星通信中的大尺度时延，引入K_offset、K_mac定时参数等，优化卫星场景大 RTT 往返时延下的调度时序，同时，终端可以上报定时提前量，为基站进行时序关系增强提供基础。 通过以上增强，无线空口初步具备了应用于卫星场景的能力。然而，在实际运营中，5G NTN 需面向手机直连、车联网、物联网等场景，支持短信收发、语音通话、数据上网等多种业务。为满足多样化业务需求，5G NTN 无线空口需持续推进技术迭代，并重点从无线承载、时延、覆盖、移动性、调度和信令裁剪等方面，不断优化自身性能。

1.无线承载优化 IoT NTN 无线数据传输支持 CP 模式和 UP 模式，CP 模式支持数据通过NAS信令传输，可承载数据少，适合物联网突发小包业务；UP 模式通过建立正常的数据无线承载 DRB 进行数据传输，适合持续性数据业务。UP 模式支持两个 DRB，可分别用于承载语音信令和语音码流，通过为每个DRB 配置不同的属性，如 UM/AM 模式、QCI/优先级等，可以有效满足语音码流和信令两种数据对传输和承载的不同要求。例如，可以为语音码流DRB 配置较高的优先级，保证语音数据能够得到更多的调度机会，保证语音传输的及时性。也可以为语音码流 DRB 配置 UM 模式，减少 RLC 层信令交互，有效降低系统的负荷。对于卫星移动通信而言，语音业务是一类重要业务，有必要推动IoTNTN尽快支持 UP 模式以满足语音业务要求。

2.业务时延优化 使用卫星中继会引入较大的空口时延，高轨卫星的RTT 往返时间约500ms。对语音业务，实时性要求较高，但可以容忍一定程度的丢包率。基于此特点，引入 HARQ 关闭功能以降低传输时延，使类似语音需求的业务可以适用于卫星通信场景。 在 HARQ 关闭时，上下行调度不考虑数据错误和重传，下行调度可以在上一次下行调度的 PDSCH 发送完成之后立即开始发送，省略等待上行HARQ 反馈的过程，节省确认时间。上行调度可以在 UE 发送完上行数据后立即开始，节省上行数据空口传输时间。

3.覆盖能力优化 星地大尺度传输衰落会影响无线电信号接收，特别是对于NR NTN 系统，由于带宽较大，终端发射功率较低，造成上行信道容易受限。针对NR NTN 技术，需要进行上行覆盖增强，可引入公共 PUCCH 重复发送功能及PUSCH DMRS 绑定功能，基于卫星移动通信特点做针对性增强以提升覆盖能力。关于 PUCCH 的覆盖增强，传统地面网络已支持专用PUCCH 重复发送，可以复用到 NTN 中。但对于公共 PUCCH，则没有重复发送机制，这意味着公共PUCCH的覆盖性能难以满足 NTN 的需求。为应对此问题，需引入公共PUCCH 重复传输功能。PUSCH DMRS 绑定已在地面网络中已经得到了支持，但在NTN 网络中，卫星的高速移动可能带来定时漂移，从而导致传输信号随着时间发生相位旋转。当相位旋转大于一定门限，DMRS 绑定所需满足的相位连续性会被破坏。为尽量在较长的时间窗内进行 DMRS 绑定以获取较高的增益，NTN 用户需支持预补偿能力来应对定时漂移带来的相位旋转，使其误差小于相位连续性所需门限。

4.移动性优化 在卫星移动通信场景中，考虑到卫星具有高动态性、LOS 信道等特点，需开展移动性（重选或切换）优化。 NTN以LOS信道为主，信道衰落与用户到卫星的距离强耦合。因此，在NTN-NTN移动性场景中，可引入基于用户位置的小区重选和条件切换机制。当用户到参考点的距离满足一定条件的情况下，可触发小区重选或者条件切换。同时，也可基于卫星实时空间位置来触发小区重选或条件切换。此外，在NTN 中，还要考虑馈线链路（卫星与地面网关）的切换。NTN 可以支持硬切换和软切换。在硬切换中，卫星在同一时间只能连接一个地面网关。在软切换中，卫星可以在一段时间内同时连接超过一个地面网关。馈线链路切换的时间点由 NTN 网络确定，用户的上下文信息可通过 NG 接口或 Xn 接口在基站间传递。 在 NTN-地面网移动性场景中，NTN 覆盖区域周边不一定有地面网覆盖。为避免不必要的地面蜂窝小区测量，需引入新的 SIB 信息广播地面网覆盖信息。当周边无地面网覆盖时，用户无需进行地面网邻小区测量。此外，为了针对低轨卫星移动通信场景进行适应性优化，还需引入RACH-less 切换和 PCI 不变的卫星切换。对于 RACH-less 切换，在切换时无需进行 RACH 过程，减小切换时延和信令流程。对于 PCI 不变的卫星切换，可在同一覆盖区域下沿用相同的 PCI 以节省信令。

5.调度优化 面向卫星移动通信系统的高往返时延等特点，相比于地面网络，需重点就星地融合调度技术开展优化。5G NTN 的调度算法需从用户分布、容量分布、用户业务需求和资源使用情况等不同维度出发进行统筹优化，引入Bachoff 拥塞控制、ExtendedWaitTime 定时器差异化、物理层调度请求、SPS 半静态调度、AMC 调度等机制，有效降低信令开销，提升资源使用效率。 6.信令流程优化 卫星移动通信场景下，特别是针对高轨卫星，容量受限是后续商用过程中面临的主要问题。5G NTN 系统由地面体制演进而来，充斥着大量的控制面信令交互流程，挤占了宝贵的卫星通信资源。面向卫星移动通信应用场景的特点做适应性修改，需重点针对系统广播消息、连接态管理、寻呼、测量和移动性管理等RRC 流程开展流程及内容裁剪，不断提升 5G NTN 系统容量。

4.核心网增强

针对卫星通信的广覆盖、超时空、高成本特性，需面向用户接入控制及业务精细化限制等需求开展核心网能力增强，实现对有限卫星资源的高效分配。为优化对漫入用户在 5G NTN 卫星网络下的业务控制能力，需实现业务专载建立流程优化、会话策略控制优化、基于不同等级灵活控制用户QoS 保障策略等增强。

基于星地融合网络架构，借鉴现有地面蜂窝网络体制及建设方案，可实现5G NTN 场景下用户数据业务和短信业务互通。为满足5G NTN 演进过程中用户语音通话的业务需求，中国电信以 IoT NTN 标准体制为基础，开展了语音增强方案研究，提出三种解决方案：方案一基于多域体制融合思路，提出基于新增信令网关的语音优化解决方案，可有效减少终端与卫星的信令交互，节约卫星资源；方案二为基于 Web-RTC 架构的语音通话解决方案，使用自定义接口实现语音协议的定制化，可大幅提升语音信令交互效率；方案三为基于IMS 信令优化的语音增强解决方案，通过精简 SIP/SDP 协议流程及字段，可缩短终端与IMS 网络的交互时延，提升交互效率。 从当前阶段研究成果来看，优化现有地面体制，压缩星地语音交互信令开销，是 IoT NTN 实现语音业务的重要基础。现有地面 4G/5G 移动通信网络语音业务采用 IMS 架构，为实现与地面语音通信体制兼容，中国电信致力于创新基于IMS优化的语音通话方案，在网络及芯片侧开展定制化研发，精简信令流程，优化低速语音编解码算法，以更好支持 IoT NTN 场景下的语音通话功能。

与此同时，中国电信也在 NR NTN 领域进行了深入思考与实践，考虑在移动性管理等方面进行增强：

1. NR NTN 移动性管理与终端位置上报技术 地面和卫星移动通信主要在时延、同步、移动性等方面存在差异。对终端位置报告进行网络验证，以满足相关监管的要求（如合法的拦截、紧急呼叫、公共预警系统等），实现无论何时何地，终端可以动态地选择地面或卫星网络，按照业务 QoS 需求智能接入网络，获得最优的用户体验。 2. NR NTN 自适应网络 基于 5G 接入网的分离架构，结合 5G NTN 应用场景，可考虑更加灵活的星地融合自适应网络架构，以支持更为高效的星地资源协调。位于星上的gNB-CU-CP可以决策和执行星地间的数据分流，将星上 gNB-DU 处理完的数据交给星载gNB-CU-UP 继续处理，或者直接交给地面的 gNB-CU-UP 进行处理。这样可以以卫星载荷为中心，根据卫星载荷的负荷状况，实现星地间灵活的数据分流。3. NR NTN 多连接网络 卫星间以及星地间的多连接组网，可以更好地提升用户的吞吐率，保障用户的业务连续性，满足用户业务需求。同时可以更好地平衡不同网络间的资源利用率，提升系统容量。除了卫星之间的多连接，在有地面网络覆盖的区域，也可以实现星地之间的多连接，作为 5G 通信的覆盖补充。

在实践上，手机直连卫星业务取得初步应用，如华为Mate60 手机基于我国天通卫星资源，已面向大众消费者提供卫星语音通话及短信服务。但总体上，后续需加快星地融合通信在网络架构设计、业务互联互通、技术体制演进等关键领域的协同攻关，明确天地融合技术路线及实施方案，促进星地产业链融合发展。