概述

在本白皮書中，我們將介紹NTN的現狀、正處于探索階段的一些新應用，以及最重要的一點，我們需要克服哪些技術挑戰才能讓這個市場充滿活力。最后，我們將概述為實現實用高效的測試，NI圍繞NTN所做的努力，該測試對于衛星通信的設計、開發和實現至關重要。

內容

• 什么是NTN？
• 為什么選擇非地面網絡？
• NTN應用場景
• NTN功能和技術挑戰
• NI的NTN解決方案
• 總結
• 下一步

什么是NTN？

非地面網絡指在地表上空運行的無線通信系統，包括低地球軌道(LEO)衛星、中地球軌道(MEO)衛星和地球同步軌道(GEO)衛星，以及高空平臺(HAPS)和無人機。我們首先來闡明一些衛星通信術語。雖然NTN是一種衛星通信形式，但它只是軍事、國防、研究和私人航空航天等更廣泛應用中的一個部分。在本白皮書中，我們將使用術語“NTN”來指代寬帶數據網絡、窄帶數據擴展（物聯網[IoT]-NTN/SOS）和新興的非地面蜂窩網絡等不同的商用無線應用場景，其中包含了NTN的大部分最新發展成果。

NTN是否適合某些商業應用取決于它需要解決的具體挑戰，而且這些挑戰在很大程度上取決于NTN的實現位置與人口密度（以及現有的基礎設施）。例如，較發達的地區不會使用NTN將人員及其設備連接到更廣泛的蜂窩網絡，但它可以為大規模物聯網設備提供連接，或在緊急情況下提供連接。

表1： NTN應用場景（按設備位置劃分）

其中許多應用場景需要不同的衛星軌道來優化特定應用的需求。不同的軌道會帶來不同的技術挑戰，并且可能需要在性能和功能上進行取舍。例如，雖然更遠的軌道會帶來更高的延遲、支持的吞吐量更低并需要更大的功率，但它們可以覆蓋的表面積更大，可為更偏遠的位置提供連接。對于低帶寬連接而言，低吞吐量和高延遲可能是可以接受的，否則將根本無法連接，但對于支持數百個同時連接的網絡，這種連接會帶來困難，因為恒定的UL和DL流量通信需要的是低延遲。為此，LEO可能是一個更好的選擇，但代價是需要更多的衛星才能提供更廣泛的覆蓋范圍。不同的軌道類型情況如表2所示。

表2： 軌道類型

乍一看，GEO沒有多普勒頻移、相對速度為零、使用壽命長且覆蓋范圍廣，似乎很有吸引力。然而，與MEO或LEO相比，GEO延遲更高，路徑損耗非常大，并且每顆衛星達到軌道距離的成本更高。GEO約占所有在軌衛星的12%。此外，以低數據速率/低帶寬為目標的物聯網應用場景對延遲并不敏感。

MEO介于GEO和LEO之間，GPS衛星在此軌道運行。這里存在多普勒頻移和大的路徑損耗，但在可控范圍內。雖然成本沒有GEO那么昂貴，但通常仍然太高，無法用于商業應用。

LEO與GEO正好相反，雖然多普勒頻移顯著，但延遲低得多，路徑損耗是所有軌道類型中最小的，而且相對而言，將衛星送入LEO的成本較低。事實上，目前發射的大多數衛星都使用LEO，許多商業應用都對它青睞有加。雖然LEO在商業上受到廣泛關注，但仍有許多技術挑戰需要克服，我們將在后文中介紹這些挑戰。

除了軌道類型外，NTN實現需要考慮的另一個因素是運行頻率。并非所有頻率都適合不同的軌道類型，甚至并非所有頻率都可用，具體取決于特定地區或國家的規定。出于這些原因，NTN可以橫跨L波段到Ka波段的頻率，甚至可能延伸至E波段。

表3： 上行鏈路和下行鏈路的NTN頻率與帶寬

與地面通信一樣，低頻和毫米波的調制方案、天線、RF收發儀和其他因素可能存在很大差異。表3中值得注意的是，雖然NTN的頻率范圍很廣，但由于往返時間較長，NTN只能使用FDD運行。

下表總結了用于任意衛星通信類型的頻率，而3GPP則提出了一組用于標準化商用無線應用的波段。

表4： 3GPP建議的NTN通信波段

為什么選擇非地面網絡？

非地面網絡(NTN)在衛星通信初期就已經出現。無論是通過GPS、衛星電視、專用衛星通信設備，還是軍事和國防應用，通過互聯衛星網絡實現全球連接的概念已經得到了驗證并踐行了相當長的一段時間。然而，這種做法通常繁復且昂貴，需要復雜的基礎設施、專業的RF技術和專用系統才能正確落實，因此直到最近才實現商業化。

NTN正處于商業領域的拐點。3GPP早在Rel-15中就已經提出了關于NTN的標準或研究，而Rel-17和Rel-18 (5G Advanced)中的5G NTN標準在實際應用中的發展勢頭愈演愈烈，并引發了越來越多的關注。許多蜂窩用戶設備(UE)都具有某種形式的NTN功能，隨著商業和國防應用場景的增多，運營變得更具成本效益。在過去的幾十年中，將物品送入軌道的每千克成本已大大降低，而通信設備現在可以在減輕重量的同時提供更多功能，這使得蜂窩網絡運營商、UE制造商、衛星星座運營商，以及作為衛星通信供應鏈一部分運營的大多數商業公司和國防承包商產生了極大的興趣。

圖1： 在過去的20年中，向LEO發送1 kg有效載荷的成本降低了100倍

由于每千克成本更低、功能更強，商業航天市場迸發出更強勁的活力。20世紀60年代，將1 kg重物送入近地軌道(LEO)的成本約為10,000美元。2006年，其成本變為1,000美元，據估計，未來幾十年中這一數字將降至50美元/kg左右。1降幅約為60年內下降200倍。此外，隨著芯片組和半導體的尺寸日益減小并且功能越來越強大，將相同功能集成到衛星中的成本將以更快的速度降低。

另一個影響商業航天的因素是發射入軌的衛星數量。由于規模經濟已經開始發揮作用，現在每年都有更多的衛星發射。衛星增多使設計、生產、維護和其他因素都獲益匪淺，因為總成本可以由更多衛星分攤，從而降低了單位成本。

圖2： 不同年份的活動衛星數量

NTN技術將有助于推動這種商業化，預計在未來幾十年內持續增長。據估計，到2030年，市場增長將超過400億美元。2

圖3： 2030年NTN市場規模預估

NTN應用場景

在NTN市場中，各種類型的公司在NTN基礎設施的供應鏈、運營和開發中發揮著作用。雖然它們的專長和所解決的主要需求各不相同，但都涉及商業航天領域。這些關系會對組件、子系統和設備級測試的執行方式造成影響。

為了簡要總結范圍廣泛的多樣化NTN市場，我們將NTN應用場景概括為3類。雖然這種泛論并不適用于所有應用，但我們可以用它來討論常見的應用場景，并對每種應用場景進行總結。

寬帶數據網絡－該應用包括在閉環網絡上使用專有設備的私有寬帶連接提供商，這些網絡通常需要專用接線端或地面設備進行連接。

窄帶數據擴展(IoT-NTN/SOS)－此類別包括為更多用戶提供更多服務的現有網絡。這些服務可能是連接廣泛地理區域的大規模數據驅動設備，包括氣象/氣候、農業數據收集、基礎設施監測、遠程工業設備運行狀況，也可能是與現狀息息相關的應用場景：與5G UE建立緊急求救(SOS)連接。

新興非地面蜂窩網絡－此類應用指在一個更大的全球通信網絡中使用商用UE（對其天線或設計的改動極小或沒有重大改動）進行語音和數據連接。

這些類別包含了影響NTN生態系統整體環境的具體挑戰（技術、運營和政策）。我們將在后續部分中對其進行討論。

寬帶數據網絡
此類別的網絡具有專有特性，需要專用的專有地面接線端進行連接。在過去的幾年中，各種商用專有衛星星座在為用戶隨時隨地提供寬帶數據連接方面取得了重大進展。

表5： NTN寬帶數據提供商概述（來源：5G Americas）

雖然這些專有網絡可以提供強大而可靠的連接，但封閉的基礎設施使其很難或者不可能與現有的UE或蜂窩網絡集成。缺乏集成意味著，通過地面到非地面的網絡鏈接和共享連接來實現無處不在的連接會變得更加困難，甚至根本無法實現。因其可擴展性受限于封閉網絡，這些網絡成本的縮減空間有限。最后，這些網絡需要專用的專有地面接線端，這也增加了運行、開發和維護的成本。

雖然我們尚不清楚寬帶數據網絡如何與現有的地面和非地面網絡連接，但寬帶網絡將繼續發展，并可能會在可預見的未來成為NTN通信的一部分。事實上，3GPP Rel-18 (5G Advanced)包含Ka波段支持，因而未來3GPP NTN可能會支持寬帶數據網絡。

窄帶數據擴展(IoT-NTN/SOS)

在過去的幾年中，我們對這一類別的網絡進行了大量的探索和開發，這也許是實現未經修改的UE與NTN連接的第一步。許多應用都屬于IoT-NTN的范疇，如工業監測、氣象數據收集、聯網農業設備等，但對蜂窩通信影響最大的可能要數現代旗艦智能手機中集成的緊急求救(SOS)功能。事實上，許多新一代UE都具有某種緊急求救短信或語音功能，可隨時隨地與（大部分）未經修改的UE建立連接。
合作伙伴關系

表6： 2023年物聯網服務提供商（來源：5G Americas）

NB/NTN在全球通信基礎設施中將繼續發揮越來越重要的作用，NB/NTN正在為下一代NTN（一種3GPP標準化形式的NTN）奠定基礎，開發所需的關鍵技術。

新興非地面蜂窩網絡
目前有2項工作正在同時推進，以探索新興非地面蜂窩網絡的技術和方法。這些工作都以3GPP為重點，也對前2個類別（適用于寬帶的3GPP Rel-18和適用于物聯網應用場景的3GPP Rel-17）和非3GPP的開發產生了影響。

3GPP工作
這類NTN應用場景因具有標準化常見用途和應用，可能難以實現廣泛采用，但卻可能對全球通信產生最大的影響。這種形式的NTN具備高吞吐量（從大多數未經修改的5G商用UE到NTN網絡）、無處不在的連接，并將補充地面基站的覆蓋范圍，為用戶提供更出色的連接和價值。標準制定和落實的時間仍是未知數，基于部署過程中可能會遇到的困難，這可能是3GPP Rel-19、Rel-20或更高版本中的一個重要主題。全球頻譜分配、部署用于惡劣航天環境的網絡基礎設施，以及開發與未針對NTN通信優化或非NTN通信專用的UE天線的連接等都是我們所面臨的挑戰。

鑒于LEO可實現更高的潛在吞吐量和更低的延遲，我們預計此類網絡大多數都將使用LEO衛星實現覆蓋。雖然對于支持來自大部分未經修改的UE的許多UL、DL和側鏈路同步連接的網絡來說，以上優勢十分有利，但LEO需要更多的衛星并且平均壽命可能更短。

非3GPP工作
雖然我們還不知道確切的實現標準，但新非地面蜂窩網絡衛星基礎設施的許多早期試驗都涉及衛星本身的大型相控陣天線。由于擁有數百個獨立元素且占地數百平方英尺，使用該基礎架構的網絡開發、維護和部署都將面臨挑戰。

之所以需要如此龐大的天線陣列，是因為需要使用未經修改的UE。盡管當前這代UE的天線并未針對NTN通信進行優化，但對于使用已廣泛采用的商用UE，諸多企業可以提供強有力的商業案例支撐。使用未經修改的現有UE將大大減輕采用和實現的負擔。

圖4： 大型相控陣天線可以使NTN連接到未經修改的UE（未按比例縮放）

由于使用的是未經修改的UE，這種類型的天線組件有可能大幅改變NTN生態系統，同時也帶來了挑戰。

要測試的組件數量增加時，測試用例數量也會隨之增加，甚至增幅更大，因為工程師必須對每個組件的集合進行迭代。由于這些衛星中集成了如此多的天線元素，每個元素又都有自己的測試用例集合，對于經濟高效、準時且有深度的產品開發而言，自動化、數據分析和高效的測試開發變得更加重要。

測試需求和測試用例數量的增加會影響上市時間和總測試成本，測試用例的增加也會延長每個生產單元的測試時間。雖然這在過去可能不是問題，但現在生產的衛星越來越多，而且與以前的私人/政府衛星通信應用不同，上市時間可能對新NTN應用場景的市場份額和用戶群的增長起到重要作用。

同時測試大型天線陣列和NTN系統/組件將是一項復雜的任務，只有通過合適的硬件和軟件組合來滿足測試組織的需求，才能實現這一目標。

趨勢：集成地面和非地面網絡
最近NTN的許多開發在很大程度上都獨立于現有的地面網絡和基礎設施。然而，目前越來越多的NTN提供商與蜂窩網絡運營商開展合作，以實現服務融合，這一趨勢日益明顯。其中包括從世界任意位置提供緊急求助消息傳遞服務（蘋果和GlobalStar），以及為未經修改的手機提供語音和數據服務（AST Space Mobile、SpaceX/TMobile和Lynk）。

一個3GPP標準化的世界正在形成，其目標是促進落實所有必要的流程，建立一個可訪問的開放網絡，反映當今地面蜂窩網絡的運行方式。

NTN功能和技術挑戰

NTN帶來了許多地面網絡所沒有的技術挑戰。NTN長距離、高噪聲、瞬態通信的特性意味著我們必須特別注意某些技術因素，以確保通信一致可靠。克服這些挑戰對于真正無處不在且與地面蜂窩網絡集成的全球連接的可行性和實現至關重要。

多普勒頻移
由于衛星在同與地球表面同步的UE通信時，其相對速度會發生較大變化，我們必須考慮NTN通信中的多普勒頻移現象。衛星速度可能超過30,000 kph，這會導致傳輸信號的頻率發生顯著偏移，尤其是在衛星先接近，隨后頻率下降的過程中，從而使多普勒從正向變為負向。

此外，高速會導致天線波束快速移動，這意味著特定天線在地面上的覆蓋點位置和波束足跡都在不斷變化。

圖5： 衛星繞地球運行時的相對速度和仰角變化

與UE進行可靠通信需要可轉向波束，考慮相對速度和地面上的波束足跡。衛星必須將這些變量考慮在內，并將連接轉換至下一個衛星，否則將無法查看UE。設備和衛星都必須了解彼此的位置和速度，從而調整頻率，補償多普勒頻移。

延遲（往返延遲）

低延遲是現代高速蜂窩網絡的支柱。客戶希望密集城市環境中的蜂窩網絡幾乎必須支持高吞吐量、低延遲的應用場景，包括視頻通話、數據流、游戲和XR。

圖7： 不同的軌道距離（來源：5G Americas提供）

使用地面網絡時，UE通常更靠近基站，因此低延遲就取決于基礎設施優化、雙工技術和UE功能是否強大。但對于NTN而言，遠距離意味著LEO的往返傳輸信號傳輸時間為數十毫秒，GEO為數百毫秒，而在地面網絡中則是以微秒為單位。雖然仍然只有幾分之一秒，但往返時間卻延長了1,000到10,000倍。這種差異不僅足以影響許多同步UE連接和回程鏈路，而且用戶也會注意到其在視頻或語音鏈路上造成的影響。

圖8： 與地面網絡相比，NTN的往返傳輸時間要長4到5個數量級

高延遲限制了5G網絡中常見的某些技術，因此，與地面蜂窩網絡不同，NTN的運行必須受到某些限制和約束。例如，因為傳輸時間較長，NTN只能使用FDD，無法使用TDD。這反過來又會限制網絡應對網絡需求變化的靈活性，并對DL和UL流量的優先級和處理方式造成限制。雖然這一限制并非無法克服，但卻是NTN的另一個必須解決的細微差別。

雨、云和閃爍引起的衰減
RF波形從UE到衛星的路徑在距離或方向上不一致，在不同的天氣或每天的不同時刻也不一致。這可能導致信號在被UE或衛星接收之前遇到更多噪聲，進而造成更多衰減。解決噪聲和由此導致的信號完整性損失問題的一個簡單方法是限制NTN采用低階調制方案，以允許出現更多的不確定性并保持可靠的連接。雖然低階調制方案很有幫助，但它隨時都會限制網絡的吞吐量。

路徑損耗
至此，我們已經確定，相對于地球表面的軌道距離和相關速度給NTN帶來了許多獨特的技術挑戰。而NTN實現所面臨的另一個挑戰是，由于衛星與其所連接UE之間的距離太遠，路徑損耗很高。LEO的軌道距離至少為300 km，這就使得這些連接的距離比地面網絡連接的距離遠出許多倍。在其他條件相同的情況下，300 km處的自由空間路徑損耗(FSPL)比1 km處高出約50 dB，而50 dB FSPL正是UE與衛星之間的理想連接，這就使該挑戰變得更加復雜。這種理想連接還考慮到了UE在波束內的波束角或位置，因為這兩個因素都會進一步降低接收信號功率。

圖9： FSPL與距離的函數關系

要克服這一挑戰，我們需要更高的傳輸輸出功率和/或更高的TX或RX天線增益。由于成本、設計影響以及市場上已經存在的UE數量眾多，讓UE使用更大的天線可能并不可行，而現有的UE天線由于其規格參數和設計原因，性能往往很差。此外，由于成本和電池壽命較短，制造商通常無法增加電池供電手持式UE的功耗，因而傳輸功率不可能超過約23 dBm。如果UE制造商猶豫不決或無法更改設計，或者打算使用現有的UE，那么唯一的其他解決方案是使用具有更高增益的更大相控陣衛星，衛星上的基站組件提供更高的功率，或兩者相結合。在基站端實現更高的功率不僅需要更高的成本，還會帶來額外的技術和合規性挑戰，這些都需要在這些組件的設計和驗證中加以考慮。

對高功率和克服路徑損耗的需求是NTN發展的一大障礙；但在一定程度上，可通過使用有助于提高產品性能的測試工具和解決方案來解決這一問題。

NI的NTN解決方案

PXI VST
PXI矢量信號收發儀(VST)將RF和基帶矢量信號分析儀及發生器、用戶可編程FPGA以及高速串行和并行數字接口相結合?。PXI VST非常適合NTN測試。PXI VST具有傳輸和接收功能，可在UL和DL上進行測試，并為特定DUT提供激勵。此外，PXI VST還具有從基帶到毫米波的頻率覆蓋范圍、出眾的RF性能，以及NTN設備和基礎設施設計、驗證和生產所需的所有工具。

NI全新推出的PXI VST PXIe-5842具有4 GHz的瞬時帶寬和高達26.5 GHz的頻率覆蓋范圍，足以覆蓋大部分建議的3GPP和非3GPP NTN通道。這些頻率規范以及出色的RF性能意味著，隨著3GPP NTN標準的不斷發展，PXIe-5842可滿足現在和未來的NTN測試要求。

圖10： PXIe-5842和RFmx軟件支持從基帶到毫米波的信號生成分析

詳細了解PXI矢量信號收發儀。

RFmx
RFmx是一組可互操作的軟件程序，用于優化NI RF儀器儀表，使其滿足通用應用、蜂窩應用、連接應用以及航空航天/國防應用的測試需求。借助RFmx，用戶可通過交互式軟面板快速輕松地執行和調試測量，使用RFmx Waveform Creator創建和回放開放式未鎖定波形，并結合更高性能的API加快自動化測試的速度。RFmx還提供通用解調工具，可測試自定義調制類型。RFmx產品包括3GPP Rel-17中對當前LTE和5G NR版本NTN的支持選項。RFmx LTE經過擴展，可在NTN中支持增強型機器類型通信(eMTC)和窄帶物聯網(NB-IoT)應用場景。

RFmx NB-IoT/eMTC可擴展NI RF儀器生成和分析NB-IoT和eMTC蜂窩信號的能力。使用該軟件，用戶可以通過誤差矢量幅度(EVM)、相鄰信道泄漏比(ACLR)、頻譜發射模板(SEM)等符合標準的物理層測量，對LTE Cat-NB1/NB2和LTE Cat-M1/M2上行鏈路信號進行分析。

詳細了解RFmx，或聯系NI獲取更多信息，請繼續關注相應的應用指南。

圖11： InstrumentStudio?軟件RFmx交互式軟面板

USRP硬件
NI USRP（通用軟件無線電外設）軟件無線電設備屬于RF收發儀，可用于快速原型驗證和部署高級無線應用。SDR可用于無線通信、部署信號智能系統或用作多通道測試臺的組成部分。這些高通道密度的小型設備非常適合用于大規模NTN測試臺的相控陣和波束轉向等無線電原型驗證應用。

圖12： Ettus USRP X440

詳細了解NI USRP設備。

衛星鏈路仿真(SLE)
負責創建未來衛星通信系統的工程師需要在發射前仿真、構建和評估實際場景，以評估和預測系統行為。他們在檢查各種通道仿真器設置時經常遇到困難。為了確保獲得一致的結果，事實證明，將基于模型的仿真與硬件在環(HIL)測試相結合更為有效。
圖13： 衛星鏈路仿真結構框圖

詳細了解衛星鏈路仿真的執行和測試。

NI的NTN平臺和測試方法
雖然有許多現成的工具可用于NTN測試，但隨著市場需求和技術要求的變化，要求和測試方法也將繼續演變。NI的特定應用軟件和通用硬件為擴展和創建能夠適應需求演變的新型測試系統奠定了基礎。