NTN非地面网络技术研究与应用综述

目前,6G进入标准窗口期,有望实现卫星通信系统与6G系统级的有机融合,创建涵盖“空、天、地、海”的综合网络,建立面向未来的、全方位覆盖、多场景应用、普遍存在的移动通信基础设施。非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)是面向地面通信与卫星通信的多层无线通信网络,能够实现天地一体的泛在连接,满足随时随地可靠安全的人、机、物之间的无限连接需求,是6G的关键技术之一。文章基于NTN技术的发展过程、3GPP相关标准进展,通过分析关键技术、目前面临的挑战以及未来发展趋势,对应用场景进行了划分,以期为相关创新主体以及各产业链的研发者提供参考。

NTN非地面网络技术发展综述

卫星互联网技术通过卫星提供互联网接入服务,满足地面蜂窝网络尚未覆盖地区的通信需求。本文详细介绍了卫星互联网的发展、NTN非地面网络技术标准进展、透明载荷与再生载荷两种网络架构,以及NTN技术目前面临的挑战。这些信息为进一步研究空天地一体化和提升偏远地区用户广播电视观看和通信体验奠定了基础。

手机直连卫星关键技术分析与发展展望

手机直连卫星技术的快速发展是卫星载荷技术突破、手机终端技术创新、体制标准制定并验证等多种因素叠加的结果,通过对手机直连卫星发展现状的介绍,总结了手机直连卫星的2条技术路线和3种实现方式。面对星地频率共用、星载天线、星载基站等技术瓶颈,结合实际系统和应用场景给出了重点研究内容。探讨了作为5G通信重要组成部分和6G通信基础支撑的手机直连卫星技术未来的发展方向。

星地融合多场景应用及解决方案

星地网络天然存在较强的互补性,为实现广域无缝覆盖,星地网络融合是未来网络演进的必然趋势。目前,受限于星地网络在体制、架构以及应用场景的差异性,星地网络融合程度较低。为快速推进融合网络发展,迫切需要开展星地融合场景与解决方案的挖掘探索。为此,提出了非地面网络与地面蜂窝网络协同应用场景以及潜在的增强方案,以实现星地网络资源的统一协调,提升资源利用率与用户体验,并进一步展望了未来星地融合网络发展前景。

面向智慧海洋场景的5G-A关键技术的研究与应用

智慧海洋是实现海洋强国战略的必由之路。5G-A技术是基于5G技术的增强和演进,其引入的基于NTN非地面网络的天地一体、通信感知一体、内生智能等全新的革命性技术,加快推动智慧海洋的发展。面向海域场景,通过对5G-A NTN网络天地一体关键技术的网络架构、时频同步、时序管理、传输调度和移动性管理进行分析,实现面向智慧海洋的5G-A海天一体组网方案以及5G专网+双星深度融合,实现5G+智慧海洋的信息通信全面升级;通过对5G-A通感一体关键技术的工作模式、通感架构、空口设计、目标特征智能识别进行分析,基于海域不同的场景特点和感知指标需求,分场景设计通感一体部署方案,实现海上船只智能精准识别,实时智能海事监控,有效保障海上航线安全。

星地融合下的手机直连关键技术研究

当前,大众用户和行业用户对星地融合通信的需求不断演进,以实现无缝覆盖与随时随地接入,集成卫星和地面通信能力将是未来手机终端的发展方向。首先介绍了手机直连的应用场景、国内外发展路径和相关技术方案;其次,针对3GPP NTN标准化技术方案,分析了实现手机直连的组网架构和空口关键技术方案,并探讨了卫星通信场景下多模终端在天线能力、语音能力及节能方面的需求及潜在改进方案;最后阐述了手机直连频谱资源及挑战,为星地融合手机直连终端通信设计提供参考。

全球泛在连接新模式:手机直连卫星关键技术及挑战

面向未来全球泛在连接通信需求,卫星通信对补盲通信覆盖盲区、增强无处不在的覆盖起到了至关重要的作用。手机直连卫星(DS)技术作为未来6G网络中实现全球天地融合、万物智联的一种技术手段,已成为近两年全球范围内的发展热点,得到学术界和产业界的广泛关注。该文介绍了手机直连卫星技术国内外发展现状和主流的技术路线,分析了手机直连卫星技术在频率资源使用受限、手机直连卫星宽带业务要求、海量用户业务时变非均匀分布、低轨卫星高动态影响以及手机高密度集成等方面遇到的发展挑战,并提出星地同频共用、超大阵面星载多波束天线、星地多维资源管控、适应卫星高动态的空口体制、极窄密集波束按需调度、高集成小型化手机设计等关键解决方案,最后对该文内容做了简要总结。

天地一体化新路径:手机直连卫星发展热点、挑战与关键技术

手机直连卫星作为未来实现天地一体化融合的一种潜在技术手段,得到了产业界和学术界的广泛关注。与传统的卫星移动通信相比,当前手机直连卫星技术存在诸多挑战。针对基于同步轨道卫星和非同步轨道卫星的两种手机直连技术路线,分析国内外发展现状、系统组成架构,并从空口侧、卫星侧、网络侧和终端侧梳理技术挑战,提出星地同步、星载超大阵面天线、星地异构网络漫游等若干解决方案,为手机直连卫星技术的发展提供技术支撑。最后对手机直连卫星的发展进行展望。

5G非地面网络相关误差矢量幅度标准测试模型分析

针对泛在通信和万物智联的发展需求,地面5G蜂窝通信系统和非地面网络系统实现优势互补、融合发展、资源共享。非地面网络是一种全新的形态,文中先讨论5G非地面网络系统元素及相关应用场景,接着根据5G基站的测试方法和一致性要求,来分析误差矢量幅度测试的方法及相关指标,通过自主设计的程序生成的测试波形与商业软件生成的测试波形进行比对,从信噪比、信道带宽以及子载波间隔三个方面分析其对误差矢量幅度的影响。为非地面网络设备的设计研发提供基于3GPP最新标准的测试方法,可为相关设备大规模量产节省开销。

多波束卫星通信系统中的非线性预编码算法研究

非地面网络(3GPP NTN)是5G演进以及6G网络中的重要组成部分,为了增强卫星容量和频谱效率,基于相控阵的密集多波束、同频部署已逐渐成为研究热点。由于波束成形中旁瓣功率泄露随着波束数增加会造成严重波束间叠加干扰,亟需低复杂度多用户干扰消除方案。从预编码技术角度出发,探讨了非线性预编码在卫星通信系统中的应用和优化方法,并通过实际硬件平台测试,验证了在5G NR基带链路中实现该方案的有效性和先进性。

基于非正交多址接入的星空地多用户认知网络性能研究

卫星通信(SatCom)因其强大的生存能力和无缝覆盖的独特优势,能够弥补地面通信网络受地形限制、覆盖范围小等短板,在当前和未来的无线通信系统中具有重要的地位。此外,空中辅助通信由于其在星地网中的灵活性和可扩展性,具有很高的研究价值。为克服星空地网络(ISATN)中频谱短缺问题,认知无线电(CR)和非正交多址接入(NOMA)被用于提高频谱利用率和传输性能。因此,该文研究了基于NOMA的星空地认知网络(CISATN)的性能,考虑多用户场景,分别得到了主网络和次级网络的中断概率(OP)的准确表达式和高信噪比下的渐进表达式,并给出了这两个网络的分集增益。最后,通过蒙特卡罗仿真验证了理论推导的正确性,并分析了关键变量对系统指标的影响。

5G非地面网络技术研究

本文系统探讨了5G非地面网络(NTN)技术在广电领域的潜在应用场景,详细介绍了NTN的总体网络架构。在深入剖析NTN中的移动性、状态转换以及切换机制的基础上,本文还对现有的NTN定位技术进行了研究,指出了其中存在的问题,并提出了相应的解决方案。展望未来,随着技术的不断进步,NTN技术有望在广电领域发挥更加重要的作用,推动行业的持续发展。

手机直连卫星:Starlink面向存量手机的通信能力分析

手机直连卫星技术,因其不依赖专用终端和地面蜂窝网络,可在地面网络无覆盖区域实现普通用户接入,对于实现空天地网络一体化覆盖具有重要意义。以Starlink手机直连卫星测试通信速率突破纪录为契机,对Starlink面向存量手机的通信能力进行分析。针对其卫星平台Starlink V2-mini-DTC,探讨其星上处理、星间链路和波束可操作性等特性;通过链路计算,重点分析其下行链路的通信能力,尤其是天线品质因数与等效全向输出功率等关键参数带来的影响;并与其他典型手机直连卫星系统进行对比,评估Starlink系统的优势与局限。

NTN与5G NR集成的潜在障碍与解决方案

在5G网络演进的过程中,覆盖一直是移动网络需要解决的问题,目前全球大部分地区已经享受了较为完善的地面网络覆盖,但是在沙漠、森林、海洋等地区,或是飞机上、高铁等高速移动的交通工具上,移动网络覆盖由于成本或物理条件限制,很难采用传统的地面基站方式覆盖,因此5G NTN技术应运而生。NTN全称是Non-terrestrial Network,意为非地面网络,相对于传统的地面网络而言,其采用典型的如卫星和高空平台(HAP:satellites and High-Altitude Platforms)来扩展地面网络的覆盖范围[1]。在军事上,通过机载或基于卫星的5G系统,可将战术通信和应用服务扩展到缺少基础设施的联合作战区域,同时5G NTN在平时可为海陆空联合作战提供3D移动性数据收集,将会大大提高战斗力。本文在简单介绍5G NTN标准化的基础上,分析NTN与5G NR集成的潜在障碍,最后提出相应的解决方案。

面向非地面网络多QoS保障的低地球轨道卫星星座设计

低地球轨道卫星星座(LSC)能够为非地面网络(NTN)提供无缝和快速连接,但无法为用户提供足够的服务质量保障,严重影响了NTN系统性能。综合考虑多个QoS指标,建立了LSC的容量与下行链路预算模型,进而,将星间链路的建立制定为QoS保障的链路预算问题。提出了带有改进交叉和变异算子的非支配排序遗传算法(INSGA-II)优化LSC的配置,实现多重覆盖率和系统容量的最大化以及星座成本的最小化。数值结果表明,与Telesat和Kepler相比,所设计的LSC具有相当甚至更高的性能,且其星座规模仅为Kepler系统的64%。

IRS辅助的星地融合认知网络中断性能分析

分析了智能反射面(IRS)辅助的星地融合认知网络系统的中断性能。首先,针对卫星采用点波束技术服务地球站,而基站通过智能反射面扩大通信范围,并采用非正交多址接入(NOMA)技术服务多用户场景,在系统采用认知无线电技术来实现卫星主网络与地面次级网络之间频谱共享的情况下,建立以地面用户平均信干噪比最大化为目标的优化问题;其次,基于角度域的信道状态信息提出了一种低复杂度的IRS相移设计方案,从而得到智能反射面相移矩阵;接着,分别推导出地面用户在固定和移动2种情况下的中断概率闭合表达式。为了进一步分析系统性能,推导了高信噪比条件下系统的中断概率近似表达式。最后,计算机仿真验证了中断概率表达式的正确性,并分析了主要参数对系统性能的影响。

适用于天地一体化的GFB-OFDM波形性能分析

随着全球互联网的快速发展,卫星通信逐步出现了与地面通信融合的趋势。在天地一体化进程中,非地面网络采用和地面网络不同波形的融合代价大,直接采用地面波形又会存在性能差异。基于FB-OFDM波形,提出使用GFB-OFDM波形,实现地面系统和非地面系统的灵活波形机制。建立了GFB-OFDM波形的系统模型,理论分析证明了GFB-OFDM接收端可以复用现有的CP-OFDM的接收算法,且峰均比更低。在AWGN信道环境中,仿真验证了GFB-OFDM复用CPOFDM接收端的情况下,误比特率性能相较CP-OFDM降低在0.1 dB以内,同时PAPR比CP-OFDM降低了1~7 dB,所以GFB-OFDM是一种适用于天地一体化的波形技术。

非完美条件下的非正交多址接入星地融合网络性能分析

随着星地融合网络(ISTNs)的快速发展,大量的传感器和无线设备都有无线服务的接入需求,从而对星地融合网络的频谱效率和服务质量提出了新的挑战。不同于传统的正交多址接入技术,非正交多址接入(NOMA)技术可在相同的频率下传输不同用户的信号,其被认作为提高星地融合网络频谱效率的有效方法,从而被广泛研究。目前,针对NOMA和星地融合网络的研究大多都是在理想条件下进行的,由此该文研究更加实际的情况,即在非完美串行干扰消除(SIC)、信道估计误差和同频干扰下,对星地融合网络的性能进行研究。该文在假设卫星端和地面端均采用多天线的前提下,推导了系统遍历容量的闭式表达式,验证了非完美条件对于系统性能的影响。同时蒙特卡罗仿真验证了理论分析和推导的正确性。

面向卫星通信系统的寻呼方法

分析了卫星通信中的固定追踪区(TA)和卫星移动小区的配置特性,以及由此导致的通信寻呼效率低下问题。针对卫星通信系统提出了一种基于动态追踪区(DTA)的寻呼方法,包括基于用户位置、移动模式、签约信息为用户设备(UE)定制DTA以及基于UE-DTA进行UE寻呼。该方法可实现寻呼信令载荷和TA更新信令频率之间的平衡,减轻寻呼信令负荷,提高寻呼效率。

5G非地面网络安全研究

首先介绍了5G非地面网络(Non-Terrestrial Networks,NTN)的几种典型应用场景,包括多重连接、固定平台网络连接、移动平台连接和低密度地区补充服务;其次分析了5G NTN系统的透明架构和星上处理架构的系统组成、部署方式、协议栈情况;再次剖析了5G非地面网络分别在物理层、数据链路层、网络层、传输层和应用层面临的安全威胁以及相应的防护技术;最后对系统所面临的网络入侵及通信干扰、通信监听及伪装欺骗、大量物联网设备通过卫星接入等突出安全问题进行了探讨,并提出了可行的解决思路。