星地融合拓展全域立体网络5G NTN 迎来产业化
思瀚产业研究院    2025-01-08

地面移动通信现在已取得了巨大成功，但在偏远地区、海洋等区域仍难以实现有效和低成本覆盖，并且在地震和洪水等自然灾害时地面移动通信抗毁性差也是一个需要解决的问题。卫星通信能够以低成本实现广覆盖，近年来宽带卫星取得显著进展，同时手机直连卫星技术的发展满足了在地面移动通信弱覆盖地区保持通信连续性的需要。

卫星通信和地面移动通信的融合（简称星地融合），能够充分发挥卫星通信的覆盖优势和地面移动通信的容量优势，使移动通信从传统的地面网络拓展成全域立体网络，实现空天地海泛在通信。

手机直连卫星是星地融合的典型应用。目前主要基于在轨卫星及定制协议的双模方式，支持短信或者语音服务。但人们更期待随时随地接入且无感知切换的高速率传输等宽带应用。随着国际标准组织 3GPP 在 R17 完成 5G 非地面网络（NTN）第 1 版标准，5G NTN开启了产业化工作。另外，5G NTN 技术也在持续增强，预期会成为手机直连卫星的最先进技术路线，并向 6G 星地融合演进。

一、星地融合从“5G 体制兼容”走向“6G 系统融合”

5G 设计之初，卫星通信并未纳入考虑。随着技术的演进和需求的发展，在 5G 的第一个商用版本 R15 的标准化后期，3GPP 开展了 5G NTN 研究。

5G NTN 的引入主要是为了填补地面移动通信的覆盖盲点，如偏远地区、海洋及灾害应急通信等。由于 5G NTN 与地面 5G 在体制上的兼容性，可以充分利用并分享 5G 地面移动通信的产业链和规模经济效应，从而降低成本和提升效益。然而，在 5G NTN 标准制定过程中，3GPP 并未完全满足卫星通信系统的实际需求，只是对地面5G 标准作了适应性的修改，未能充分发挥出卫星网络能力。

因此，星地融合在 5G 时代更多是卫星通信在标准体制上借鉴地面移动通信的“体制兼容”，卫星通信和地面移动通信在很大程度上仍然是各自独立的体系，两者并未深度融合。地面移动通信与卫星通信的系统融合成为 6G星地融合的设计目标。两种不同信道接入方式均被考虑，并且有机融合，采用统一的空口协议，进行统一的频谱规划和管理，形成统一的 6G 系统。

系统无需专用的卫星手机，而是采用融合的终端、融合的网络和业务，终端将能够同时接入地面节点和卫星节点，并可以在地面节点和卫星节点之间无感知切换，享受一致的通信体验。

星地融合的立体网络

星地融合移动通信网络是一个多维复杂的“巨系统”，面临复杂跨域组网、大时空尺度无线传播、高动态网络拓扑、低业务质量等技术挑战，需要设计灵活、可扩展的网络架构以适应多种不同的接入方式和业务需求，需要创新的无线传输技术和优化算法以提升传输效率，需要高可靠的移动性管理机制以保障切换的成功率，需要进行端到端 QoS 优化设计以保障通信的连续性。星地融合将推动移动通信网络的广泛应用，覆盖全球每一个角落，不仅服务于偏远地区、海洋和灾害应急通信，还将支持智能交通、无人机、物联网等多种新兴应用。

二、手机直连卫星作为星地融合的典型应用成为研究热点

手机直连卫星虽然在 20 世纪末“铱”系统时期兴起，但因为是专用终端，价格高、话费贵，没有规模发展起来，仅适用于少数行业的特殊需求。随着卫星制造水平提升和发射成本大幅降低、集成电路技术与产业快速进步，以及人类活动范围的拓展和行业应用需求的扩展，卫星通信行业被注入了新的活力。近几年手机直连卫星再次成为了热点话题。多家公司均在测试或推出支持短信、语音和数据服务的手机直连卫星业务。

手机直连卫星主要支持三种技术路线：

技术路线一是基于现有卫星通信体制的手机直连卫星，采用定制手机和已有星座（俗称“新手机、旧卫星”）。其优势在于频谱资源相对丰富、部署速度快，也存在手机需要修改、必须集成卫星通信专用芯片、采用私有技术体制、应用全球推广和协调受限等不足。该技术路线已在“天通一号”系统实践，自 2023 年有多款商用手机内置专用芯片支持卫星通信，用户数发展到数百万。

技术路线二是基于现有地面移动通信体制的手机直连卫星，采用已有手机和新建星座。其优势在于手机无需修改、向下兼容性好、有一定的用户市场基础、待培育的用户数量较大，也存在必须与地面运营商合作、卫星设计难度较大等不足。该技术路线正被全球多家公司开展技术试验，新发射卫星已达上百颗。

技术路线三是基于 5G NTN 通信体制的手机直连卫星，采用新研手机和新建星座。其优势在于与支持 NTN 技术演进的智能手机兼容、干扰风险最小，也存在需要规划新频率新标准、部署周期长等不足。该技术路线技术最为先进，向后兼容 4G LTE，向前兼容 6G NTN，目前国内外多个公司在积极开展设备研发和技术验证。

5G NTN 作为 3GPP 制定的“手机直连卫星”通信标准，支持宽带业务和窄带业务，具有技术先进性、利于前向演进等诸多优势。6G NTN 已在业界开启技术研讨，预期将发展为 6G 的重要特性。6G 要实现“人联、物联、万物智联”，需要一个全球覆盖的网络，手机直连卫星系统可实现地面与非地面（高轨卫星、低轨卫星、极低轨卫星、高空平台、无人机等）一体化通信，能为 6G 提供全球覆盖，除此还可以提供低时延、精确定位等能力，成为 6G网络的重要组成部分。

三、5G NTN技术验证广泛开展，促进产业成熟

近年来，业界在基于 R17 形成的 5G NTN 标准，不断开展样机或设备研发，并进行实验室或在轨技术验证。国际上部分公司为 NTN 验证了双向卫星通信信息传输、位置共享和紧急 SOS 呼救等功能，部分公司为 NTN 扩展了低频段的许可卫星通信频谱。国内发布基于 5G NTN 透明转发的高低轨一体化宽带卫星通信系统，完成了实验室验证以及与高轨及低轨卫星的在轨验证，支持语音、FTP 下载、卫星终端与地面移动通信终端双向高清视频通话等星地融合宽带业务。

虽然 5G NTN 的技术可行性、系统可用性经过了业界的论证与研究，但面向产业成熟发展存在工程实践困难、可获得的频率资源少、设备属新开发难度大、网络部署复杂等挑战，需要进行技术攻关和协议增强以稳固标准版本，需要考虑星载超大阵面相控阵天线以形成更多波束并提升波束的链路增益，需要确保卫星通信适用的频率写入 3GPP 标准，需要复用地面产业从而加速设备研发进程并降低成本，需要考虑运营商单独组网、多运营商共建共享组网、多运营商漫游组网等多种网络运营模式。

不同于传统的卫星产业链，5G NTN 的发展能够充分利用地面 5G 产业链的基础和技术、人才等优势，打破了卫星产业传统封闭模式造成的缓慢发展状态。在技术与标准上，5G NTN 正在 3GPP 持续开展功能增强，当前的 R19 阶段正在开展下行覆盖增强、上行容量增强、再生模式增强、存储转发技术、星上数据交换等技术的研究。

在产业上，虽然 5GNTN 相关的通信设备属于新开发，但其能够与地面产业做到最大程度的复用，从而加速设备研发进程，降低成本，形成规模经济效应下的高效发展。5G NTN 的产业成熟，将为 6G NTN 的技术与标准发展打下坚实基础，促进星地融合的 6G 统一系统实现，成为 6G 区别于以往几代移动通信的重要标志。