本文將探討電信界當前的一個熱議話題：非地面網絡 (NTN)。5G NTN市場近期對恩智浦Layerscape處理器的需求激增，顯示出其日益增長的市場吸引力。

那么，究竟什么是非地面網絡 (NTN) 呢？請放心，這個話題目前不涉及與外星生命體的交流。相反，TNT通過基于衛星的系統為Verizon、Vodafone和中國移動等運營商提供的現有 (地面) 無線電信網絡帶來了增強。其核心宗旨在于拓展無線通信的覆蓋區域，實現對整個地球的真正覆蓋。

這一理念并非首創。那些繼承了摩托羅拉精神的人們會記得銥星衛星星座。自21世紀初期起，銥星就借助其衛星網絡為移動電話提供接入服務。最終用戶從衛星連接的全球覆蓋中獲益，他們的通信不再受限于國界或本地運營商的范圍。盡管如此，銥星的出現似乎領先于時代。受限于當時的技術條件，它最終演變成了一個規模龐大且成本高昂的小眾市場應用。

市場變化的影響

那么，為何當前NTN的發展前景與以往不同，它能否取得更大的成功呢？這背后有多個相互作用的因素。

首先，隨著新一代可重復使用衛星的推出，衛星部署的成本正在顯著降低。美國太空探索技術公司 (SpaceX) 在這方面尤為突出，其可重復使用技術大幅降低了成本。當市場的準入門檻降低到一定程度時，就會向非政府實體開放。

其次，空中接口的標準化也是一個關鍵因素。5G技術的一個顯著特點是其波形的靈活性，這包括對非地面部署的支持。這意味著大規模的地面技術可以被應用于NTN場景，包括5G生態系統的組件、接口以及軟件協議棧的復用。這降低了復雜性和所需的時間，從而降低了成本和風險。

最后，市場需求的增長也是一個不可忽視的因素。全球有一半的人口尚未享受到通信服務，這不僅代表著一個巨大的市場潛力，也是可能獲得政府資助的一個途徑。

具有地面站、衛星和終端單元的典型NTN系統。

NTN目標應用

NTN在功能、架構和部署方面展現出多樣性，這主要是因為它需要滿足廣泛而多樣的目標應用：

寬帶無線接入，這是消費者對于“互聯網到家”服務最為熟悉的應用形式。顯而易見，無線互聯網技術在那些傳統有線網絡難以觸及的農村地帶發揮著至關重要的作用。根據聯合國的數據，全球約有一半的人口尚未接入互聯網。

物聯網 (IoT) 市場由眾多互聯、聯網的設備組成，這些設備無需電線即可實現連接。物聯網設備的規模從每天僅傳輸幾個比特的小型農業傳感器，到每秒產生數千兆比特數據的大型設備如汽車等都有。

定位、導航和定時 (PNT) 服務——由全球導航衛星系統 (GNSS) 提供——市場價值高達數千億美元，并且預計隨著自動駕駛汽車、無人機以及其他依賴精確定位的移動解決方案的發展，這一市場還將進一步擴大。然而，現有的全球導航衛星系統解決方案 (如GPS、Galileo等) 存在局限性，包括室內覆蓋不足 (鏈路預算挑戰)、精度不夠 (未達到厘米級) 以及安全性問題 (易受欺騙)。

恩智浦賦能非地面網絡 (NTN) 系統。探索Layerscape處理器，

星座類型說明

衛星網絡由其星座類型決定，這一類型定義了地面與衛星之間的距離及其網絡配置。在選擇部署哪種類型的星座時，需要在部署所需的衛星數量、每顆衛星的成本、延遲/吞吐量等因素之間做出權衡。

星座類型由衛星與地球之間的距離定義，在GEO、MEO和LEO（以及鮮為人知的HAPS和HEO）選項中：星座類型根據衛星與地球之間的距離來劃分，包括地球靜止軌道 (GEO)、中地球軌道 (MEO)、低地球軌道 (LEO) 以及較少人知的高空平臺系統 (HAPS) 和高橢圓軌道 (HEO)。

GEO——地球靜止軌道

這類衛星位于距地球36000km的軌道上。在這個高度上，它們與地球同步運轉，始終位于地面的固定位置上方。GEO系統因此適合提供地理位置固定的服務，如北美的電視廣播。由于其距離地球較遠，GEO衛星能夠覆蓋廣闊的區域. 但這也意味著成本較高，并且通信延遲較大 (往返大約550ms)，這對于需要實時通信的應用來說是一個挑戰。

MEO——中地球軌道

這類衛星運行在距離地球5000-20000km的軌道上，與低軌衛星 (LEO) 一同構成非地球靜止軌道衛星的群體 (NGSO)。全球定位系統 (GPS) 便是MEO衛星系統中最廣為人知的一個例子。GPS的獨特之處在于，它運行在大約20200km高的半同步軌道上，軌道周期為12小時，每天兩次經過赤道上的相同位置。

LEO——低地球軌道

這類衛星位于距地球500-1200km的軌道上。在這一高度部署衛星的成本遠低于其他兩個系統。因此，LEO軌道上擁有數千顆執行科學研究、通信、成像等多種任務的衛星。LEO衛星覆蓋的地理范圍相對較小，這意味著需要大量的衛星 (數十至數百顆) 來實現全球覆蓋，并保持快速繞地球運行的軌道 (<2小時/軌道)。由于受到大氣阻力的影響，LEO衛星的軌道會逐漸降低，從而限制了它們的使用壽命在7至10年之間。

值得注意的是，LEO軌道上的衛星因其有限的壽命、優良的實時性能以及對大量衛星的需求，使其成為了一個特殊的存在。正因如此，LEO系統對于創新具有特別的吸引力，包括利用近年來興起的低成本商業航天公司進行的“批量”衛星部署。

NTN系統覆蓋的一個關鍵挑戰——衛星能夠覆蓋地球的多大面積。

NTN與標準化

在標準化方面，隨著時間的推進，NTN在3GPP聯盟中得到了逐步的標準化。3GPP的研究項目已在第15版和第16版中展開。到了3GPP第17版，規范性工作正式啟動，旨在調整3GPP技術協議棧，以更好地支持寬帶和物聯網應用。

為了適應空間部署的特殊需求，3GPP技術協議棧的多個方面正在進行優化，包括物理層方面，如多普勒頻移和傳播延遲、高往返時間 (RTT) 等問題，這些都影響到重傳算法和控制平面信令。因此，控制平面信令需要進行增強，以便納入衛星信息，并支持非移動用戶設備 (UE) 之間的切換。

組件和應力系數

作為一家半導體組件供應商，恩智浦面臨的一個特別挑戰是太空環境對電子組件的應力與地球不同。這種應力有多種形式：熱 (極端溫度變化)、振動、輻射等。處于更高軌道的系統，尤其是位于范艾倫輻射帶之外的，需要采用所謂的“輻射硬化”部件，以抵御更強烈的輻射環境。這些部件的設計還必須考慮到預期的使用壽命。衛星的壽命隨著衛星與地球的距離而增加——地球靜止軌道的衛星通常預期壽命為15年或更長，而低地球軌道衛星的有效期可能只有此時段的一半。顯然，壽命更長的設備會在其使用期內承受更多的輻射。

由于這些部件在太空中面臨的各種應力因素，加上它們需要運行超過10年甚至更久的壽命要求，與地球上的消費電子產品相比，適用于衛星系統的部件選擇大為縮減。市場上有些供應商專門提供這類“太空級”組件和/或子系統。

重復使用標準化 (O-RAN) 5G組件的衛星系統架構。

復雜性驅動設計

如您所見，這些NTN系統在設計上提出了一系列特殊挑戰，例如系統設計的復雜性，其中包括處理多普勒效應、確保系統可靠性、考慮網狀網絡選項等。此外，NTN系統的容量相對較低 (以千計而非百萬計)，且組件的可用性有限，需要加固組件。同時，NTN系統還需支持大容量傳輸，高達數百Gbps。

這些因素共同推動了工程設計的復雜性。這種工程復雜性直觀地驅動了模塊化設計，在模塊化設計中，可以多次實例化較小的子系統，這樣便可以將工程資源集中于優化這些子系統。正是這種模塊化設計，促使了小型行業參與者的生態系統得以形成，每個參與者都在優化NTN系統的某個特定方面。

太空潛力浩瀚如星辰

為什么恩智浦要對非地面網絡 (NTN) 如此關注呢？事實證明，由于我們的組件不僅被應用在衛星上，還被廣泛應用于地球上的消費電子終端設備，NTN市場具有相當大的商業潛力。許多恩智浦產品具有高度可編程性、靈活性和開放性，支持客戶應對NTN所特有的挑戰。您認為NTN的未來會走向何方？

本文作者

Wim Rouwet是恩智浦半導體公司的一位杰出技術人員。Wim專注于3GPP LTE和5G以及802.11處理協議棧及其應用方案，負責與多個無線基礎設施項目有關的4G和5G協議棧開發、小基站以及CRAN應用方案。