一、關于非地面無線接入網絡（NTN）
1、因原
第五代數字蜂窩移動通信系統（5G或IMT-2020）同前幾代系統相同，其系統是由核心網絡（CN）和無線接入網絡（RAN）構成，并向其移動終端（UE）提供服務。而對于無線接入網絡（RAN），傳統的是利用地面無線網絡，即建立大量的基站（gNB）來實施無線信號的覆蓋，為了實現移動終端隨時隨地的接入，特別是保證QoS的接入，預期使得RAN在陸地上的全面覆蓋，帶來了系統的建設成本和運維成本巨大的問題。之所以帶來如此問題，主要是因為地面基站的覆蓋范圍所限。
于是，人們想到可否將基站或基站射頻信號提升到空中的一定高度，比如衛星軌道的高度，其一個基站對地面的覆蓋能力將會大大的提高，對此3GPP做了大量的研究，在R15階段所發布的3GPP TR 38 811《基于新無線（NR）支持非地面網絡（NTN）的研究》；在R16階段所發布的3GPP TR 38 821《NR支持NTN的解決方案》等，其解決方案已被納入到5G NR的R17規范中。
2、概念
新無線（NR，New Radio）是專指5G系統的無線接入網絡（RAN），它是一個能滿足多場景的多層異構網絡，能夠容納已廣泛應用的各種無線接入技術，以滿足5G系統的移動性、時延性、接入速率、流量密度、連接數密度、頻譜效率、能源效率等特性的要求。非地面網絡（NTN，Non-Terrestrial Networks）的定義是：使用航空器（airborne）或天基載具（space-borne vehicle）搭載傳輸設備中繼節點或基站的網絡或網絡分段。相對于移動通信系統來講，利用軌道衛星則是不錯的一種天基載具。
3、非地面網絡在5G系統中的作用
由于廣泛的業務覆蓋能力和減少空間/機載飛行器對物理攻擊和自然災害的脆弱性，非地面網絡（NTN）有望實現：
一是促進在地面5G網絡無法覆蓋的無服務地區（偏遠地區、飛機或船只上）和服務欠缺的地區（例如郊區/鄉郊地區）推出5G服務，以具成本效益的方式提升有限地面網絡的性能。二是通過為M2M/IoT設備或移動平臺上的乘客（例如乘用車、飛機、船舶、高速列車、公共汽車）提供服務連續性，或確保任何地方的服務可用性，特別是關鍵通信、未來的鐵路/海事/航空通信。三是從而增強5G服務的可靠性-通過向網絡邊緣甚至用戶終端提供高效的組播/廣播資源，實現5G網絡的可擴展性。
二、非地面網絡（NTN）接入網的架構設想
1、NTN接入網的分類
一是從網絡構成載體來分類。依據NTN的定義，結合通信實際，網絡構成的載體通常應由衛星載體和其它航空器載體。因此，NTN接入網應包括通信衛星載體接入網（SAN，Satellite access network）和航空器載體接入網（ANN，Aerial access network）。事實上，相對于這兩種網絡所提供的無線電業務來講，對應于國際電聯的《無線電規則》中定義的衛星通信業務和航空通信業務，當然包括其固定業務（FSS）或移動業務（MSS）。
二是從網絡帶寬來分類。根據網絡所提供的數據傳輸帶寬，可將SAN和AAN區分為寬帶（Broadband）接入網和窄帶（Narrow or wide band）接入網兩種類型。其具體含義詳見下表2-1，包括服務的地面移動平臺、數據傳輸速率、業務鏈路運行頻帶等要求。
表 2-1：寬帶NTN接入網與窄帶NTN接入網
另外，對于SAN和AAN，還有區分有/無衛星間鏈路（ISL，Inter-Satellite Links）或航空器間鏈路（IAL，Inter-Aerial Links）。
2、NTN網絡的可能架構
3GPP TR 38 811基于上述分類原則，分別推出了可能的SAN和AAN接入網架構，如下圖2-2中所示。其中，包括七種情形，它們是：一是業務鏈路運行在分配給固定和移動衛星業務（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（不帶ISL）；二是業務鏈路運行在分配給固定和移動衛星業務（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（帶ISL）；三是業務鏈路運行在分配給移動衛星業務（MSS）的6Ghz以下的SAN；四是業務鏈路運行在分配給移動衛星業務（MSS）的6Ghz以下頻帶的SAN，并與由相同或獨立核心網提供服務的地面接入網配套相成；五是具有低于或高于6Ghz的業務鏈路的AAN（不含IAL）；六是具有低于或高于6Ghz的業務鏈路的AAN（含IAL）；七是6Ghz以上的業務鏈路的AAN（含IAL）。
圖 2-2：SAN和AAN接入網可能架構示例
上述各種架構，建議選擇彎曲管道有效載荷（bent pipe payloads）或再生有效載荷（regenerative payloads）的一系列部署方案。關于彎曲管道有效載荷和再生有效載荷的含義詳見下表2-2。
表 2-2：彎曲管道有效載荷和再生有效載荷的含義
3、5G環境下NTN網絡架構的選擇
基于3GPP TR 38.801中描述的無線接入網（RAN）架構原理，5G環境下NTN架構的可能選擇如下圖2-3中所示。其中：圖2-3-1為以服務于終端（UE）為特點，并基于具有彎管有效載荷（bent pipe payload）的衛星/航空器和地面gNB間為基礎的NTN接入網（衛星集線器或網關級），此時，衛星或航空器將在gNB和終端之間中繼“衛星友好型”NR信號。圖2-3-2為以服務于終端（UE）為特點，并基于內置gNB的衛星/航空器為基礎的NTN接入網。此時，衛星或航空器應包括全部或部分gNB，以產生/接收來自終端的“衛星友好型”NR信號。這需要足夠的機載處理能力，以便能夠部署gNB或中繼節點功能。圖2-3-3為以服務于中繼節點（Relay Nodes）為特點，并基于具有彎曲管道有效載荷的衛星/航空器為基礎的NTN接入網，此時，衛星或航空器將在gNB和中繼節點之間以透明的方式中繼“衛星友好型”NR信號。圖2-3-4為以服務于中繼節點（Relay Nodes）為特點，并基于內置gNB的衛星/航天器為基礎的NTN接入網，此時，衛星或航空器應包括全部或部分gNB，以生成/接收發送至/來自中繼節點的“衛星友好型”NR信號。這需要足夠的機載處理能力，以便能夠部署gNB或中繼節點功能。
圖 2-3：5G環境下NTN架構的可能選擇
三、NG-RAN的NTN應用架構
1、應用架構的模式
基于上述3GPP TR 38 811技術報告的研究，3GPP TR 38 821給出非地面網絡（NTN）的定義是：是指利用衛星或無人飛行器系統（UAS，Unmanned Aircraft System）平臺使用射頻資源的網絡或網絡段。同時，又給出了5G環境下NTN的應用架構，這種應用架構包括兩種模式：基于透傳載荷（Transparent payload）模式的NTN架構和基于再生載荷（Regenerative payload）模式的NTN架構，分別詳見下圖3-1-1和圖3-1-2。兩者的主要區別在于是否使用衛星間鏈路（ISL，Inter-Satellite Links），兩種模式含義詳見下表3-1-1。事實上納入R17規范的NTN的重心是透傳載荷模式，即衛星充當射頻中繼器的方式，gNB作為網關（Gateway）的一部分位于地面。下表3-1-2給出了不同類型的衛星（或UAS平臺）列表。
圖 3-1-1：基于透明載荷模式的NTN架構
圖 3-1-2：基于再生載荷模式的NTN架構
表 3-1-1：兩種模式的含義
表 3-1-2：NG-RAN的NTN應用架構中所使用的荷載列表
2、基于NTN的GN-RAN架構
3GPP TR 38 821解決方案研究的開展最大限度地減少了對NG-RAN中新接口和協議的需求，以支持非地面網絡。下一代無線接入網（NG-RAN）是3GPP對5G系統無線接入網的稱呼。因此，基于上述荷載模式的NTN架構，3GPP TR 38 821又提出了GN-RAN架構（即即使NTN的GN-RAN）。包括，基于透傳衛星模式的NG-RAN架構（詳見下圖3-2-1）和基于再生衛星模式的NG-RAN架構（詳見下圖3-2-2）。注意，對于基于再生衛星模式的NG-RAN架構又分為兩種情形：一是內置gNB處理荷載的架構（又分為帶有ISL和不帶ISL兩種情況）；二是內置gNB-DU處理荷載的架構。上述各種基于NTN的GN-RAN架構的說明詳見下表3-2。
圖 3-2-1：基于透傳衛星模式的NG-RAN架構
圖 3-2-2：基于再生衛星模式的NG-RAN架構
表3-2：各種基于NTN的GN-RAN架構的簡要說明
基于NTN的GN-RAN架構的實現，很好的解決了5G網絡的覆蓋能力。但是由于使用了高高在上衛星載荷以及通信衛星的特征，又帶來了5G信號傳輸上的挑戰，如傳輸時延、差分時延、多普勒頻移等等。這是基于NTN的GN-RAN必須面對的問題。
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