非地面网络对当前和未来全球连接的影响

本文探讨了非地面网络（NTNs）的现状及其可能的发展方向，重点关注早期采用这种新技术的实用考虑因素。非地面网络（NTNs）是全球电信领域的一项令人兴奋的发展，有潜力改变全球连接并弥合数字鸿沟。在本文中，我们将讨论物联网设备开发人员如何开始利用其功能以实现无缝全球覆盖。

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什么是NTNs？

非地面网络（NTNs）是一种利用地球表面以上的高空平台（HAPS）或卫星以及地面资产运行的无线通信网络。图1展示了NTNs可以基于的平台。

NTNs的多种应用

3GPP（一个全球移动通信标准开发组织）在2022年发布的第17版中定义了NTNs的要求。自那以后，NTNs已成为不断发展的5G生态系统的重要组成部分。它们支持多种应用，包括：

全球互联网接入

全球移动宽带服务

灾难响应的关键通信

环境监测

NTNs还具有许多军事和私人航空航天应用。基于卫星的NTNs通过整合地面网络与卫星通信技术，在扩展全球通信方面发挥着关键作用。它们填补了地面基础设施在偏远或服务不足地区留下的空白，为蜂窝和物联网终端用户设备提供了直接卫星接入的可能性。尽管仍需重大技术发展以充分应对卫星通信的挑战，但NTNs已经出现，其市场正在增长。尽管仍处于起步阶段，但NTNs在3GPP标准中的采用有望推动其发展，使其成为6G的完全集成组件。

NTNs增长的驱动因素

全球5G NTN市场在2023年估值为42亿美元，预计到2032年将增长到798亿美元，复合年增长率超过35%。这种强劲的市场增长是由对全球带宽的快速增长需求、对偏远和孤立地区连接需求的增加以及卫星生产和发射成本的快速下降所驱动的。与此同时，将NTNs整合到3GPP 5G生态系统以及NTN标准的开发，为这一快速发展的市场中的开发人员和制造商提供了稳定性和确定性。NTNs在农业、物流、能源和交通等行业中启用应用。它们为各企业提供了显著的机遇，使企业能够实现真正的全球运营，在以前无法到达的地点收集数据。现有的和新兴的用例包括：

公共安全行动

灾难响应和恢复管理

自动驾驶车辆和V2X通信

海事和航空通信

高级远程信息处理服务

5G网络的回传支持

简化的5G漫游

这些用例和应用的需求刺激了空间技术的重大创新，导致卫星生产和发射成本大幅下降。随着每年发射的卫星数量增加，设计、生产和维护成本分布在更高的产量上。由此产生的规模经济导致单位成本降低。与此同时，芯片组和半导体变得更小、更强大。这使得更多功能可以被集成到卫星中，增加了空间市场的商业可行性。因此，像OneWeb、SpaceX、Project Kuiper和Telesat这样的大量运营商已经出现，通过低轨道卫星群提供全球通信服务。

纳入3GPP标准

卫星通信日益受到关注，这体现在非地面网络（NTN）被纳入3GPP标准中。3GPP标准的第17版定义了两类NTN，每种都有其特定的用例和市场：

NTN-IoT（物联网）

NTN-NR（新无线）

后续版本提升了性能、可靠性和效率。第18版于2023年第三季度冻结，涵盖了对NTN-IoT和NTN-NR的增强功能。它增加了新的服务和流量模型，以及NTN-NR的频段。预计将于2025年第四季度最终确定的第19版，增加了一种新的再生NTN架构（见图2），该架构可以替代最初的“弯管”配置。新配置通过在卫星上放置分布式单元处理来支持星间链路。

透明与非透明NTN架构

3GPP的工作为确保NTN作为未来6G网络的完全集成组件奠定了基础。与当前的5G NTN相比，预计这将更好地满足垂直行业的需求和消费者市场的期望，在广阔的地理区域内提供增强的连接性和低延迟。开发人员利用NTN的实用考虑因素如今，NTN市场正在迅速发展，多个工作组和组织正在解决整合地面网络（TN）和非地面网络（NTN）的挑战。NTN-IoT目前是发展最为成熟的市场，多家制造商提供的芯片组支持开发具有真正全球覆盖（陆地、海洋和空中）的物联网用例。开发NTN-IoT项目的开发人员需要考虑以下因素：

卫星轨道

硬件，包括天线

测试和认证

NTN-NR目前还不够成熟，但随着卫星通信技术的发展，其重要性将逐渐增加。目前，让我们先专注于NTN-IoT。

卫星轨道

不同的用例需求可以通过不同的卫星轨道来优化。每种轨道都具有特定的技术挑战，并且在性能和能力方面涉及权衡。例如，地球静止轨道（GEO）和地球同步轨道（GSO）卫星覆盖范围非常广阔，能够为最偏远的地区提供覆盖。它们采用简单的“弯管”架构，直接将信号反射回地面节点。然而，这些轨道距离地球约35,000到36,000公里，对任何系统的链路预算都是一个挑战。延迟较高，数据速率限制在大约1 Kbps，由于传输时间更长，导致功耗增加。对于需要多个连接、持续上行和下行流量的大量NB-IoT节点的应用，容量也可能成为一个问题。另一方面，低地球轨道（LEO）卫星每90到100分钟绕地球运行一次，轨道高度为500到700公里。它们支持更简单的链路预算和更高的数据速率（30到40 kbps），因此功耗更低。然而，由于轨道较低，需要一个LEO卫星网络来提供覆盖。在部署的早期阶段，间歇性覆盖（即在某一时刻没有卫星经过）可能是一个问题。与快速移动的LEO卫星通信也面临挑战。例如，多普勒频移必须在设备的NTN软件堆栈中处理。从开发人员的角度来看，卫星可能仅在头顶上方停留两到三分钟。这个短暂的传输窗口需要卫星网络内的存储和转发机制，以将数据传输到客户的云中。由于上行链路和下行链路是两个独立的事件，端到端延迟可能会有所不同。这在当前的部署阶段尤其明显，当时地面站和卫星可能数量有限。综合以上因素，GSO/GEO卫星通常更适合关键数据——例如警报和紧急通信——这些数据的传输频率较低，且功耗不是问题。为了合理化与GSO/GEO卫星相关的较高成本，这些数据对终端用户的价值应该是显著的。LEO卫星支持更低的功耗和更短的连接时间，并且数据速率更高。但缺点是延迟可能非常高——在最坏的情况下，甚至可能达到数小时。至少在部署的早期阶段，LEO卫星更适合涉及物联网数据报告的用例，这些用例对延迟的要求不高。随着更多LEO卫星的发射以及未来的3GPP版本解决与快速移动的非地面平台通信的挑战，这些指导原则无疑会有所变化。

硬件和天线考量

通常，现有的蜂窝模块可以成功地与卫星网络通信。因此，升级现有应用以利用NTN可能只需要新的固件版本。在某些情况下，也有可能重用现有的天线。某些NTN频段与蜂窝频段相邻，这意味着可以使用相同的天线进行蜂窝和NTN通信。这将取决于以下所有因素：

应用的部署区域。

选择的频段。

系统的整体性能。

由于卫星比蜂窝基站远得多，链路预算对于确保稳定可靠的连接至关重要。表1提供了一些关于系统要求的指导。

表1. NTN卫星通信链路的典型性能要求

无论重新利用现有解决方案还是从头设计，天线的选择和定位都是关键活动，应在设计周期的早期阶段尽可能考虑。

测试与认证

天线测试与认证是一项复杂、成本高昂且耗时的任务，涉及专业技能和昂贵的设备。认证过程通常需要数月才能完成。然而，对于任何非地面网络（NTN）的推出来说，这是必不可少的环节。这给开发人员带来了巨大的挑战，因为他们面临着缩短开发周期和快速推向市场的压力。像Taoglas这样的专业天线制造商拥有内部资源和技能，能够支持客户完成这一过程，帮助他们降低开发成本并加快上市时间。

利用NTN生态系统确保市场成功

尽管仍在不断发展，但非地面网络（NTN）已经为物联网设备开发人员提供了增强的覆盖能力，只要他们愿意应对这一快速变化的法规和技术环境。市场成功取决于对NTN的现状和未来展望的深刻理解，确保产品具有未来适应性并延长其生命周期。然而，卫星通信是一个复杂的领域。获得像Taoglas这样的强大生态系统中专家的支持至关重要，这有助于在不牺牲开发周期和成本的情况下克服挑战。