5G天地一体化标准演进及应用场景有哪些？

为了更好地实现卫星通信与地面网络的优势互补和无缝兼容，满足行业与用户的通信需求，当前 3GPP 和 CCSA 推动 5G 天地一体化标准的演进。

1.5G 天地一体化标准制定

（1）3GPP 2016 年，无线接入网（Radio Access Network, RAN）工作组在R15 正式开展“支持非地面网络（NTN）的新空口”研究项目（Study Item, SI），形成技术报告 TR 38.811《面向非地面网络的 5G 新空口》，定义了包括卫星网络在内的非地面网络的部署场景及相关系统参数（如结构、高度、轨道等）；提出了适用于非地面网络的信道模型，包括传播模型、移动性管理等；最后，根据部署场景，提出在 5G 中非地面网络需要进一步研究的主要方向。 2018 年，R16 正式开展 5G NTN 的研究，服务和系统（Service &SystemAspects, SA）工作组与 RAN 工作组同时开展对 NTN 的研究工作。SA工作组对5G 卫星通信技术的场景和需求开展研究工作，形成技术报告TR 22.822《5G卫星接入研究》，同时更新技术规范 TS 22.261《第五代移动通信系统的业务需求》，对卫星在 5G 系统中的角色和优势进行了探讨，卫星在要求广域覆盖的工业应用场景中具有显著优势。RAN 工作组对 5G NTN 的接入网协议及架构进行了评估，并形成技术报告 TR 38.821《5G 非地面网络解决方案》，为R17 开展正式的5GNTN 标准化工作奠定了基础。

2021 年，R17 全面开展卫星通信的系统架构和空口接入技术研究与标准化工作。SA2 根据 SA1 的需求，对卫星通信网络架构开展研究工作并形成技术报告 TR 23.737《5G 网络中卫星接入的架构研究》，基于研究结果开展卫星通信的网络架构相关标准化工作。RAN 工作组基于 R16 研究结果，开展卫星通信的标准制定工作。在 R17 期间，卫星运营商公司对于 IoT-NTN 提出强烈的需求，在2021 年 6 月，RAN 批准了 IoT-NTN 项目，以 NB-IoT 和eMTC 技术为基础，在R17 研究并标准化基于卫星的物联网技术。 2022 年 6 月，R17 NR-NTN/IoT-NTN 基础协议版本冻结，其中RAN1 主要针对非地面网络中长传播时延、大多普勒效应和移动小区等问题开展研究，RAN2 主要针对用户面和控制面流程进行相关增强，RAN3 主要针对NG-RAN 47 /86 的架构进行增强，RAN4 主要针对 NTN 终端性能开展研究。SA/CT 主要针对核心网，QoS 策略等开展研究并进行增强。

2022 年 9 月，3GPP 启动了 R18 NTN 议题，在 R17 版本的基础上进一步增强。2023 年 12 月，R18 NR-NTN/IoT-NTN 版本冻结。R18 NR-NTN所做工作包括：上行覆盖增强以实现智能手机接入 NTN；引入网络验证终端位置以符合监管需求；移动性管理增强以保证业务的连续性；支持10GHz 以上频段实现卫星宽带业务。R18 IoT-NTN 所做工作包括：HARQ-ACK 反馈增强以提升系统吞吐量、支持连接态 GNSS 测量以实现连续长时间业务传输、移动性管理增强以及支持非连续覆盖场景。 R18 采用透明转发的网络架构，卫星仅承担“天外中继”的作用，传播时延过长，网络部署不够灵活。覆盖增强方面，R18 仅聚焦于上行覆盖，由于卫星功率的限制和信道环境的快速变化，下行可能也存在覆盖问题。此外，对于NTN还存在较多的问题没有得到解决，例如，网络容量问题、吞吐量问题等。为了解决上述问题，在 R19 进一步推动 NTN 标准演进。其中 NR-NTN 研究内容包括再生模式，下行覆盖增强，系统容量增强，MBS 和支持 RedCap 接入NTN；IoT-NTN研究内容包括存储转发模式和系统容量增强。

（2）CCSA CCSA 的标准化研究主要集中在 TC5 和 TC12 工作组。卫星互联网设备相关标准研究集中在 TC5 WG10（卫星与微波通信），主要围绕卫星终端开展标准化工作，如天通 1 号手持/非手持终端、Ka/Ku 频段卫星地球站等相关的技术要求 48 /86 及测试方法，研究项目包括《基于 5G 的卫星通信系统研究》等。2023 年4月，WG9&10 立项基于 NTN 的物联网窄带接入系统标准。

卫星技术集中在 TC12 航天通信技术组的 WG1、WG2 和WG3 工作组，WG1的研究重点是航天通信系统，研究项目包括《宽带移动卫星通信协议要求，第1部分：总体》、《宽带移动卫星通信协议要求，第 2 部分：无线电接口物理层》等。其中紫光展锐牵头《面向星地融合的通信终端能力和技术研究》研究课题，联合中国移动、中国联通等单位在 2022 年 6 月通过《面向星地融合的通信终端能力和技术研究》研究报告。2023 年 2 月立项卫星互联网标准体系。WG2 的研究重点是航天通信应用，研究项目包括《宽带移动卫星通信协议要求，第3 部分：链路层》、《宽带移动卫星通信协议要求，第 4 部分：上层协议》、《天地一体5G网络应用场景及需求》、《基于 IoT-NTN 的卫星物联网系统技术研究》等。当前已经形成天地一体 5G 网络应用场景及需求研究报告。基于IoT-NTN的卫星物联网系统技术研究等领域的研究也已形成对应的技术报告。WG3 的研究重点在协同组网通信技术方面，研究项目包括《面向天地一体化网络的承载网架构及需求研究》、《空间光通信关键技术及应用研究》、《基于星地融合的网络切片技术研究》、《基于天地一体化的网络策略控制技术研究》、《基于物联网低轨星座星地融合与短报文互通技术方案研究》《基于星地融合网络的 QoS 关键技术研究》、《天地一体化场景下异网漫游需求及技术研究》等。

2.5G 天地一体化应用场景

 2022 年，世界先进国家已初步完成第一批 5G 商用网络建设，5G网络覆盖全球近三分之一人口，全球 5G 连接数突破 10 亿，渗透率12%，5G已经成为全球主流移动通信技术。地面蜂窝网络应用取得巨大成功，但受限于建设难度和建设成本，全球仍有 25%的人(20 亿）未接入互联网，80%的陆地面积和95%以上的海洋面积，未实现移动通信网络覆盖。考虑卫星通信具有广覆盖全天候通信的优势，融合卫星通信与地面蜂窝通信的天地一体化网络，将具有广阔的业务应用场景。一般而言，可分为手机直连卫星场景、物联网场景、车联网场景和卫星宽带接入场景。

手机直连卫星

手机直连卫星应用场景主要是面向个人消费者的 2C 类应用，包含窄带类应用和宽带类应用。典型场景有户外探险旅游场景、应急通信场景等。在户外探险旅游场景，中国每年有至少 1.3 亿人开展徒步旅行、休闲户外等轻度探险旅游运动，有 6000 万人进行登山、攀岩、滑翔、航海等重度探险旅游运动。对于边远地区或人烟稀少区域，由于通信需求不足或通信网络建设难度较大，蜂窝通信难以做到完全覆盖。这种场景下，用户需要接入卫星通信，通过地面与卫星融合网络来获得连续的通信业务服。

在应急通信场景，主要包括个人紧急情况和公众紧急情况。个人紧急情况与户外探险旅游场景类似，公众紧急情况主要指自然灾害、事故灾难等突发公共时间及节假日、演唱会的突发话务高峰的情况。自然灾害包括水旱灾害、气象灾害、地震灾害、海洋灾害、生物灾害和森林草原火灾等。公众紧急情况往往突发性强、紧急度高、时间地点不确定，地面网络难以及时满足需求，需要实时接入卫星网络，满足应急救援需求。该场景主要包括面向公众发布的应急灾害预警信息、以及应急信息上报、应急现场监测、应急救援通信等的通信业务需求。手机直连是卫星互联网拓展大众市场应用的基础，美国北方天空研究所2022 年预计，未来 10 年手机直连市场规模约为 668 亿美元。

物联网

受限于建设难度和建设成本，全球80%以上陆地面积和95%以上海洋面积，未实现网络覆盖，无法满足人类在这些区域的各类生产活动。在农业生产方面，需要对农田、河流、土壤、水利等相关数据进行监测，助力农业管理、水利水质管理、灾害预警等。在油气生产领域，油气田分布点多面广，大部分地处偏远地区，环境比较恶劣，传统地面通信网络难以完全覆盖。油气作业设备运行状态、井口生产数据、油罐液位、长停井数据需要进行监控，以助力生产与安全管理。在气象监测方面，气象监测设备分布广泛，既涉及城市区域，也涉及野外区域。在电力领域，偏远山区电站信息采集、远距离输电线路运维、应急抢险通信等电力业务信息传输，电力系统野外设备工作状态和运行数据监控等业务需求，现有网络往往难以完全满足。在海事场景，大型货轮、集装箱船只、海上平台、海上物联网采集设备在离岸100公里以后无法通过地面蜂窝网络解决，通过卫星物联网可提供经度、维度、速度、船艏向、对应时间等船位实时信息；气温、风力、风向、海温、洋流、台风等环境信息；以及数字地图、遥感影像、三维数据、海图、地名地址数据等空间地理信息。在智慧物流领域，运输工具位置、货物温湿度、冷机运行状态、箱门开关状态、运输轨迹等状态参数需要实时回传后台。在野生动物保护领域，通过动物保护终端实时获取动物的位置、速度等运动数据、心跳、体温等身体数据、以及温度湿度等环境数据。 卫星物联网具有广阔的市场空间，据全球技术市场咨询公司ABI Research宣布，到 2024 年，将有 2400 万个物联网设备通过卫星连接。麦肯锡公司预测, 天基物联网的产值在 2025 年可达 5600 亿美元至 8500 亿美元。

车联网

近年来自驾游成为旅游市场热点，汽车租赁市场日益成熟、车联网技术提升为自驾游市场保驾护航。自驾游过程中，乘客娱乐业务对于连续覆盖的通信需求也提出了更高的要求。车联网中的自动驾驶、车辆监测需要超低时延和超高安全性、可靠性的通信，这需要通过在网络的边缘提供可靠的计算能力，将一些必不可少的服务能力延伸到网络边缘，缩短端到端网络时延将来实现。中低轨卫星网络能够通过合理的拓扑结构设计、客户端波束的动态配置、融合边缘计算等支持车联网的应用。卫星链路可为高速行驶下的车辆提供连接，并能够根据需要的内容（如视频、HDTV 以及其它非视频数据消费）在大覆盖范围内进行本地存储或播发，实现与用户设备或传感器的高效直接连接，以补充现有的地面连接。随着汽车工业的快速发展，卫星车联网技术正在成为一种新兴的技术领域。根据市场研究机构的数据，卫星车联网市场规模正在迅速增长，预计到2027年将达到 300 亿美元。

宽带接入

卫星宽带接入可为偏远地区以及飞机、高铁等高速移动场景，提供无缝宽带畅联服务。在偏远地区宽带接入场景，受限于通信网络建设难度与部署成本，偏远地区往往得不到较好的地面网络覆盖。卫星通信系统具有全天候覆盖、不受地域限制、不受人为干扰的优势，具有很强的机动性，具有点对多点传播、低成本、广覆盖的特点，可为偏远地区网络覆盖提供新的解决方案。可通过满足偏远地区信息获取、在线教育、远程医疗等应用，助力解决教育与医疗资源发展不均衡。教育医疗场景主要为视频类会话、以及 TCP 类通信业务，终端主要为CPE等宽带终端。