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深入浅出 5G-NTN 与 Direct-to-Cell 核心技术

Abstract:

本文会按照逻辑顺序, 展开介绍 5G-NTN 与 Direct-to-Cell 核心技术, 目标是: 一文带你看懂 5G-NTN 和 手机直连卫星 的前世今生

Keywords:

3GPP, LEO Networks, Non-Terrestrial Network, Integrated Satellite and Terrestrial Networks, Direct-to-Cell

References:

近十年来, 尤其是 5G 标准化进程中, 将 LEO 巨型星座与地面移动网络融合（即 NTN）已成为全球通信技术的最大热点之一

不同公司和标准组织提出了各式各样的架构, 它们的根本区别通常在于: "5G 基站 (gNB) 功能的部署位置" 究竟是在地面, 还是在天上

5G-NTN 核心架构分类

5G NTN 架构可以归结为三大类, 核心区别在于 “卫星的Payload”(有效载荷) 是充当 "天上的镜子" or "天上的基站" or "兼而有之"

架构一: Bent-Pipe / Transparent Payload

这是当前最主流、最先商用落地的架构

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  • 核心理念: 卫星不处理 5G 信号, 它只充当一个简单的"射频中继器" (RF Relay)
  • DataFlow: 手机 -> 卫星 (无情的转发机器) -> 地面站 (处理一切事务)
  • 5G 功能部署:
    • gNB (5G基站) 的所有功能完全部署在地面站
    • 卫星仅将 UE 发送的上行信号“透明地”转发到地面站, 再将地面站的下行信号“透明地”转发回手机

举例:

  • 3GPP Rel-17 (IoT-NTN & NR-NTN) [证据]:

    • 这是 3GPP 在 Release 17 中首个标准化的 NTN 架构
    • 它定义了 gNB 在地面的情况, 通过标准化的方式解决了 LEO 带来的 Long RTT 和 Large Doppler Shift 问题

  • Starlink v1:

    • Starlink 早期模式

  • AST SpaceMobile / Lynk Global:

    • 这两家公司是 D2C 领域的先驱, 它们的核心技术, 也是让卫星在天上充当一个巨型“弯管”, 将地面 gNB 的信号覆盖到广阔区域

架构二: On-Board Processing / Regenerative Payload

5G NTN 的演进方向, 也是近几年计划实现“空天地一体化”的理想形态

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  • 核心理念: 卫星本身就是一个功能完整的 5G 基站 (gNB)
  • DataFlow: 手机 -> 卫星 (gNB). 此时, 信号已被"解调"和"处理"
  • 5G 功能部署:
    • gNB 被部署在卫星上. 卫星可以独立完成信道解码、调度、切换等基站功能
    • 通常与 ISL 配合: 数据可以在太空中通过激光或毫米波链路, 从一颗卫星"接力"到另一颗, 直至找到最佳的GS

举例:

  • 3GPP Rel-18 [证据]:

    • 3GPP 在 Rel-18 中已开始明确研究 "gNB-in-the-sky" 的标准化工作, 定义星上处理的各项功能

  • Starlink Gen2 [证据]:

    • Starlink 为其固定终端 ("锅") 提供宽带服务, 其第二代 (Gen2) 卫星具有强大的星上处理能力和ISLs
    • 这使其成为一个真正的 "太空骨干网" (Space Backbone), 数据可以在太空中路由数千公里, 与 D2C 的 bent-pipe 架构完全不同

  • Starlink 与 T-Mobile 合作:

    • [证据-1]: "we decided to use standard LTE/4G protocols"
    • [证据-2]: "FCC has given them permission to use up to 7,500 second-generation Starlink satellites for the service"

  • Tiansuan:

    • 一种说法是: 非常先进的 OBP 平台, 不仅能处理通信信号, 还搭载了智能计算单元用来OEC, 因此是 OBP
    • 另一种说法是: 由于原文没说, 所以不确定 (虽然, 是 bent-pipe 的概率很低)

架构三: Hybrid / Split Architecture

一种更加精细化的前沿架构, 在 NSDI'24 MOSAIC 这篇论文中提出. 充分利用了 5G gNB 本身的"分离式"设计 (CU-DU Split)

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  • 核心理念: 既然 gNB 可以被分解为 CU (Central Unit) 和 DU (Distributed Unit), 何不把它们分开部署呢?
  • DataFlow: 手机 -> 卫星 (gNB-DU) -> 地面站 (gNB-CU + CoreNet)
  • 5G 功能部署:
    • 卫星 (Payload): 部署 gNB-DU
      • DU 负责处理对 "时延高度敏感" 的实时功能 (RLC/MAC 层、物理层)
    • 地面站 (GS): 部署 gNB-CU
      • CU 负责处理 "非实时的、高层" 的功能 (RRC、SDAP)

举例:

暂无, 目前只是学术界的前瞻思考, 尤其体现在 SIGCOMM'22 SpaceCore 和 NSDI'24 MOSAIC 中

3GPP R17, R18, R19 三代规划

聚焦于下一代移动互联网的架构设计, 因此总结 3GPP 的 Release 17, Release 18, Release 19 核心内容, 不局限于 5G-NTN

R17: 5G 功能的 "完备" 与 "扩展"

  1. 非地面网络 (NTN):
    1. NR-NTN (5G 宽带卫星): 首次标准化了 5G NR 协议与 LEO/GEO 卫星的结合
      • 重点解决了超长时延（ms）和巨大多普勒频移（ppm）的物理层难题
      • 此时主要基于“弯管”(Bent-Pipe) 架构
    2. IoT-NTN (4G 物联网卫星): 首次标准化了 NB-IoT 和 eMTC 协议 (4G 物联网技术) 上星
      • 为全球偏远地区的低功/低速设备提供了连接
  2. 轻量化 5G (RedCap - Reduced Capability)
    • 定义了一种“轻量级”的 5G 终端
  3. 增强的 Sidelink, 直通通信
    • 显著增强了设备到设备 (D2D) 的直接通信能力, 不再依赖基站, 比如: V2X, 可穿戴设备
  4. 工业物联网 (IIoT) 与 URLLC 增强
    • 提升 5G 在工业 4.0 场景下的可靠性
NR-NTN 和 IoT-NTN 的区别

核心区别: 一个“宽”, 一个“窄”

特性 NR-NTN (New Radio NTN) IoT-NTN (Internet of Things NTN)
核心技术 基于 5G NR (New Radio) 协议 基于 NB-IoT / eMTC (4G LTE 物联网技术)
主要目标 增强移动宽带 (eMBB)、高通量 海量机器类通信 (mMTC)、广覆盖、低功耗
目标设备 智能手机、车载终端 简单的物联网传感器、智能电表
数据速率 高 (Mbps 到 Gbps 级别) 极低 (bps 到 Kbps 级别)
设备功耗 较高（类似手机） 极低（通常需要电池供电多年）
应用场景 卫星宽带、手机直连卫星（发短信、语音、上网） 偏远地区资产追踪、农业/环境监测、应急救援信标
3GPP 标准 始于 Release 17 (并持续增强) 始于 Release 17 (并持续增强)

(1) NR-NTN 的目标: 将 5G 的高速体验带到卫星覆盖的任何地方

为了更好的网络服务, 比如 短信 -> 大型文本 -> 视频 -> 实时通信 ...

因此，当然要“大宽带”!

(2) IoT-NTN 的目标: 不追求高速度, 而是追求极致的覆盖范围、极低的设备功耗和海量的连接数量

全球有大量物联网设备（物流集装箱追踪器、山区的地质滑坡传感器、海洋上的浮标 ...）位于地面蜂窝网络无法覆盖的地方

这些设备通常只需要上报极少量的数据（“Hey! I am still alive ...”），但需要电池能工作 5-10 年

因此，直接将已经非常成熟、功耗极低的 NB-IoT 和 eMTC 技术“搬”到卫星即可!

R18: 5G-Advanced. 引入 AI 赋能网络系统

  1. AI/ML 赋能 5G 网络
    • 接入网 RAN: 使用 AI/ML 优化波束管理、信道状态反馈、定位、负载均衡
    • 核心网 CoreNet: 使用 AI/ML 进行网络运维 (OAM)、切片管理、安全分析
  2. NTN 2.0 (卫星通信增强)
    • OBP (Regenerative): 明确开始研究 gNB（基站）部署在卫星上的架构
    • ISLs
    • 对 High-speed Mobility 的支持: 飞机、高铁等高速终端
  3. 扩展现实 (XR) 体验优化
    • 优化了网络以支持高质量的 AR / VR / Cloud Gaming

R19: 5G -> 6G

Still ongoing, 建议关注 3gpp 官网, 了解最新动态

D2Cell 和 5G-NTN 之间的关系

一言以蔽之: D2C 是一个“业务目标”, 而 5G-NTN 只是实现这个目标的“技术手段”之一. 事实上, 有很多手段可以实现 D2C!

(1) D2C 是什么

核心目标是: 让普通的、未经修改的(或只需轻微修改)的蜂窝设备, 在没有地面基站信号时, 能直接连接到卫星, 获得短信、语音或数据服务

(2) 5G-NTN 是什么

5G-NTN, 特指 NR-NTN, 是一个 Technical Standard

  • NR = New Radio: 5G 的无线技术
  • NTN = Non-Terrestrial Network: 该技术被 3GPP 组织修改和适配, 使其能用于卫星、高空平台

(3) D2C 不局限于 5G-NTN 的原因

对于 D2C 这个目标, 至少存在以下几种不同的技术实现:

  • Branch 1: 3GPP 标准化 D2C
    • 5G-NTN (NR-NTN): 使用 R17++ 的 5G NR 协议, 目标是为手机提供宽带数据服务
    • 4G-NTN (IoT-NTN): 使用 4G 时代的 NB-IoT / eMTC 技术标准, 服务于物联网设备
    • 2G/3G-NTN (GMR): 传统卫星电话
  • Branch 2: 非 3GPP 标准化, 专有 D2C
    • Starlink D2C:
      • Starlink 与 T-Mobile 合作的 D2C 服务，它使用的是地面 4G-LTE 频谱 (PCS G-Block)
      • 在 3GPP 标准出炉前就已经有了, 目的是尽早占领市场高地, 采用了一种 “预标准”/“专有”的 LTE-NTN 方案
    • Apple SOS:
      • iPhone 与 Globalstar 卫星合作的紧急求救功能
      • 一套私有商业合作协议, 只传输极低速率的SOS求救短信