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NTN卫星通信技术详解

2024-08-28 10:42:41  点击:

卫星通信作为一种重要的无线通信方式,具有通信范围广、距离远、容量大、传输质量高等特点。近年来,卫星通信应用的领域也越来越广泛,我国卫星通信产业正处于快速发展阶段,市场规模不断扩大、技术创新不断加速,产业链和竞争格局日益完善。


5G NTN(Non-Terrestrial Network,非地面网络)是卫星通信的重要组成部分,也在卫星通信发展中具有重要意义。

01  卫星通信类别

我国卫星通信按照轨道高度可以分为高轨卫星通信、中轨卫星通信和低轨卫星通信三类。


高轨卫星通信(GEO)通常指地球同步轨道通信卫星系统,即地球静止轨道卫星通信(GEO),距离地表约35786 公里高空,在赤道上绕行地球。卫星运行速度与地球自转速度相同,因此从地面上看,卫星似乎是静止的,所以又称同步轨道卫星或地球静止轨道卫星,适合连续通信和对地观测。


中轨卫星通信(MEO)运行于中地球轨道,距离地表约2000公里至35786公里。中轨卫星位于高轨和低轨之间,既能提供一定的覆盖范围,又能减少链路损耗,在导航定位系统中应用较多,如我国的“北斗”导航卫星大部分运行在中轨道,少数运行在高轨道,以兼顾导航定位和通信功能。


低轨卫星通信(LEO)运行于低地球轨道,距离地表约200公里至2000公里。由于距离地面较近,因此信号传输时延小、链路损耗低,且可以实现全球快速覆盖。近年来低轨卫星通信在卫星互联网领域发展迅速。

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02 NTN技术


3GPP(3rd Generation Partnership Project,第三代合作伙伴计划)是由一系列技术规范和标准组成的框架,由多个全球移动通信标准组织合作开发。这些标准组织包括欧洲电信标准协会(ETSI)、美国电信工业协会(ATIS)、中国通信标准化协会(CCSA)、日本电信技术委员会(ARIB)和韩国电信技术委员会(TTA)等。3GPP协议的目标是为全球移动通信提供一致的技术规范和互操作性。


NTN(Non-Terrestrial Network)技术,即非地面网络技术,是3GPP在R17阶段制定的基于新空口技术的终端与卫星直接通信技术。它作为地面蜂窝通信技术的重要补充,通过卫星通信网络与地面蜂窝网络的融合,实现了不受地形地貌限制的全覆盖能力,连通空、天、地、海多维空间,形成一体化的泛在接入网。


该技术旨在解决卫星通信场景中的多普勒频偏大、信号衰减大和传播时延大等问题,通过空口增强协议设计,实现终端与卫星之间的直接通信。


NTN技术包括IoT-NTNNR-NTN两个技术方向。IoT-NTN主要支持低复杂度eMTC和NB-IoT终端的卫星物联网服务,如全球资产跟踪,更侧重于物联网领域的低功耗、广覆盖和低成本通信需求。NR-NTN则利用5G NR框架实现卫星与智能手机之间的直接连接,以提供语音和数据服务,致力于实现空天地一体化融合通信系统,并为下一代6G网络提供技术支撑。


3GPP定义了NTN网络的两种架构选项:透明转发模式和再生转发模式。透明转发模式中,卫星仅做透明转发;再生转发模式中,卫星具备完整的或部分的基站功能,即“基站上星”。


03 NTN的频段

卫星通信使用到的频段涵盖L、S、Ku、Ka、Q/V等频段,3GPP 协议将 L、S频段的2段小带宽频谱定义为BAND n255 (1626.5-1660.5 MHz / 1525-1559 MHz) 、n256 (1980-2010 MHz / 2170-2200 MHz),用于NTN通信。


04 5G NTN技术

随着5G技术的不断发展,其应用场景逐渐从地面通信扩展到空间通信。5G NTN技术作为地面蜂窝通信技术的重要补充,为构建连接泛在、场景丰富、产业链高度融合的天地融合网络提供了可能。


5G NTN设计支持手机等终端设备直接与高低轨卫星进行通信,地面上再架设信关站作为网关,最终连接到5G核心网。卫星可以作为基站直接发射5G信号与终端连接,也可以作为透明转发节点将地面站发送的信号透传给手机。


5G NTN 网络分为用户段、空间段和地面段三部分。


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05 5G NTN主要应用场景

5G NTN技术对于偏远地区、海洋、极地等地面基站难以覆盖的区域尤为重要,同时也为应急通信、物联网(IoT)等应用场景提供了更加灵活和可靠的通信解决方案。


应急通信


在遭遇重大自然灾害或突发事件时,地面通信设施可能受损,导致通信中断。此时,5G NTN技术可以通过卫星通信提供紧急通信服务,确保信息的及时传递和指挥调度的顺利进行。


交通领域


5G NTN技术可以实现汽车与卫星的直接通信,提供不间断的低数据速率服务,保障汽车安全,同时支持紧急救援呼叫、监控和访问控制等远程服务。


在海上运输中,卫星通信是确保船只与岸基之间信息畅通的重要手段。5G NTN技术可以进一步提升海事通信的可靠性和效率,满足轮船状态、环境和位置信息上报、视频监控以及宽带上网等需求。


物联网(IOT)


5G NTN技术中的IoT-NTN路线主要应用于卫星物联网领域,集成了NB-IoT多次重传、低功耗、长待机的优点,同时兼具卫星的立体广覆盖能力。在智慧农业、智慧物流等领域具有广泛应用前景。


手机通信


随着技术的不断成熟和成本的降低,5G NTN技术将逐步拓展到普通大众消费群体。手机直连卫星可以满足人们对“永不失联、永远在线”的需求,提供全区域、全维度的泛在连接服务。其应用场景包括旅游探险、蜂窝补盲等。


勘探开发


在矿产和油气勘探开发中,卫星通信是确保现场与总部之间信息畅通的关键。5G NTN技术可以提供更可靠、更高效的通信服务。


星地融合通信


5G NTN技术的最终目标是实现星地融合通信,即任何人在任何地点、任何时间都能无缝接入通信网络。这将为未来的移动通信和物联网发展带来革命性的变化。


06 为准电子NTN测试

为准电子的T6290F无线综测仪产品可满足NTN设备的射频测试,进行TX/RX 信号分析,T6290F采用双通道设计,单个通道支持4射频端口,可实现多DUT并行测试,在5G NTN设备的研发和生产阶段提供更高效率的精准测试。同时,T6290F频率范围从75MHz到10GHz,可支持卫星通信涉及的全部频段信号测试,为卫星通信终端测试提供可靠、便捷的解决方案。

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