無縫連接無處不在：非地面網(wǎng)絡(luò)如何重塑6G

作者：是德科技6G解決方案專家Jessy Cavazos

長期以來，非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）一直被視為彌合連接和網(wǎng)絡(luò)覆蓋缺口的重要方案，為偏遠(yuǎn)社區(qū)、災(zāi)區(qū)，以及地面網(wǎng)絡(luò)難以覆蓋的行業(yè)場景提供支持。進(jìn)入6G時代，NTN所承載的價值已不只是網(wǎng)絡(luò)覆蓋，還包括更高的彈性和包容性。究竟發(fā)生了什么變化？實(shí)際上，相關(guān)技術(shù)已不再僅僅停留于理論層面。終端直連技術(shù)正從概念走向?qū)嵺`，多家企業(yè)機(jī)構(gòu)推出相關(guān)服務(wù)，將移動通信延伸至地面網(wǎng)絡(luò)之外。（地面）網(wǎng)絡(luò)盲區(qū)不再意味著通信中斷。即便沒有地面基站，手機(jī)仍能正常收發(fā)短信、獲取氣象信息，并執(zhí)行信令交互。

自軌道，通四方

從1957年的一顆人造衛(wèi)星，發(fā)展到如今在軌運(yùn)行的數(shù)千顆衛(wèi)星，這一歷程為NTN的崛起奠定了基礎(chǔ)。當(dāng)前預(yù)測顯示，未來活躍的衛(wèi)星數(shù)量將達(dá)數(shù)萬顆（見圖1），其中多數(shù)位于低地球軌道（LEO），形成一張連接覆蓋全球的高密度通信網(wǎng)絡(luò)。行業(yè)勢頭正在加速：SpaceX已實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星直連手機(jī)短信服務(wù)，AST SpaceMobile正與AT&T、Verizon合作構(gòu)建起覆蓋全球的網(wǎng)絡(luò)，蘋果公司則通過與Globalstar合作在iPhone上提供緊急短信服務(wù)。2024年末及2025年全年，運(yùn)營商開始陸續(xù)推出實(shí)際服務(wù)，例如新西蘭的全國性短信覆蓋、加拿大的全國性試點(diǎn)、日本的精選數(shù)據(jù)應(yīng)用，以及美國通過將WhatsApp、谷歌地圖等主流應(yīng)用集成到操作系統(tǒng)級衛(wèi)星模式，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)服務(wù)擴(kuò)展。

這一關(guān)鍵轉(zhuǎn)折點(diǎn)的到來，得益于多重因素：美國聯(lián)邦通信委員會（FCC）推出的太空補(bǔ)充覆蓋（SCS）框架明確了政策方向，國際電信聯(lián)盟（ITU）領(lǐng)導(dǎo)推進(jìn)的全球頻譜協(xié)調(diào)，持續(xù)完善的第三代合作伙伴計劃（3GPP）相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，再加上使衛(wèi)星能夠作為普通手機(jī)漫游基站的技術(shù)突破。

圖1：2000年至2030年的在軌活躍衛(wèi)星數(shù)量

三維網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)：6G NTN的骨干支撐

與5G將NTN作為地面網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)充不同，6G從設(shè)計之初就NTN視為原生能力，用于構(gòu)建覆蓋地面層、空中層和空間層的統(tǒng)一三維網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)。這種多層設(shè)計集成了：

·低地球軌道（LEO）、中地球軌道（MEO），以及同步地球軌道（GEO）衛(wèi)星

·高空平臺（HAP）

·無人機(jī)（UAV）

最終，這種架構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)跨層無縫切換，助力實(shí)現(xiàn)強(qiáng)大的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，并賦能自動駕駛、海事通信、應(yīng)急響應(yīng)等高級應(yīng)用場景。該架構(gòu)可支持全域多連接、動態(tài)頻譜共享，以及AI驅(qū)動的協(xié)同調(diào)度。

變革性應(yīng)用

終端直連技術(shù)

想象一下，在沙漠或船上掏出手機(jī)，卻能享受與在市中心時同樣的網(wǎng)絡(luò)覆蓋體驗(yàn)——這在6G時代將有可能成為現(xiàn)實(shí)。早期部署支持短信收發(fā)和基礎(chǔ)應(yīng)用，隨著頻譜和衛(wèi)星密度的提升，語音及更豐富的數(shù)據(jù)服務(wù)也將逐步落地。

自動駕駛與無人機(jī)

NTN將能夠支持無人機(jī)在偏遠(yuǎn)地形巡檢管道，還能支持車輛在無地面基站的區(qū)域安全行駛。可靠的NTN鏈路將支撐精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)與城市空中交通，這些場景下的機(jī)器設(shè)備依賴于持續(xù)的數(shù)據(jù)流傳輸。

災(zāi)害救援與公共安全

當(dāng)颶風(fēng)或野火導(dǎo)致地面網(wǎng)絡(luò)癱瘓時，NTN可立即啟用從而為救援人員提供通信，助力保障生命安全。這種彈性保障促使運(yùn)營商將衛(wèi)星接入整合為漫游功能，確保無需用戶干預(yù)即可實(shí)現(xiàn)通信連續(xù)性。

支撐6G NTN的技術(shù)底座

NTN-TN的無縫集成需要多項技術(shù)的共同支撐：

·FR3（頻率范圍3）頻段：這是6G的理想頻譜范圍。它在覆蓋與容量間的平衡優(yōu)于毫米波（mmWave）頻段，同時能夠提供比sub-6 GHz更高的帶寬。

·極致多輸入多輸出（xMIMO）：數(shù)千個天線形成超窄波束，以最大化頻譜效率并減少干擾。

·可重構(gòu)智能表面（RIS）：智能反射器可繞過障礙物重新定向信號，安裝于建筑物甚至衛(wèi)星上。

·通信感知一體化（ISAC）：同時具備感知與通信能力的網(wǎng)絡(luò)，支持協(xié)同導(dǎo)航與環(huán)境感知。

·AI原生RAN（AI-Native RAN）：具備學(xué)習(xí)和適應(yīng)能力的網(wǎng)絡(luò)，可實(shí)時優(yōu)化頻譜、預(yù)測切換，并平衡能耗。

這些技術(shù)共同構(gòu)成了智能化、自適應(yīng)、由NTN賦能的6G生態(tài)系統(tǒng)的基石。不過，每項技術(shù)也都具備其獨(dú)特優(yōu)勢與挑戰(zhàn)（見表1）。

表1：6G NTN使能技術(shù)：優(yōu)勢與挑戰(zhàn)

行業(yè)專家提醒，這些技術(shù)需要在實(shí)際環(huán)境中進(jìn)行嚴(yán)格驗(yàn)證，包括NTN獨(dú)特的多普勒效應(yīng)、時延以及同步難題。

關(guān)鍵參與者發(fā)力，行業(yè)提檔加速

SpaceX、AST SpaceMobile與蘋果公司采用了不同策略來推動NTN的未來發(fā)展。

·SpaceX聚焦于移動衛(wèi)星服務(wù)（MSS）頻譜獲取及星座密度，以實(shí)現(xiàn)全球可擴(kuò)展性。

·AST SpaceMobile通過與主要運(yùn)營商合作，致力于打造高容量的終端直連鏈路。

·蘋果公司集成NTN以實(shí)現(xiàn)緊急短信服務(wù)，優(yōu)先保障用戶體驗(yàn)而非追求高速率數(shù)據(jù)傳輸。

3GPP相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，Release 17奠定了NTN的基礎(chǔ)規(guī)范，Release 18/19面向移動性與再生載荷進(jìn)一步完善。遵循3GPP標(biāo)準(zhǔn)確保了互操作性，并使衛(wèi)星能作為RAN的一部分，而非只是一個附加組件。

標(biāo)準(zhǔn)路線圖：展望Release 20與21

Release 17和18奠定了基礎(chǔ)，而3GPP Release 20和21將進(jìn)一步推進(jìn)NTN集成：

·Release 20（2025–2026）：多軌道架構(gòu)、AI原生空中接口，以及先進(jìn)頻譜共享的研究階段。

·Release 21（2027–2028）：再生載荷、無縫NTN-TN融合，以及IMT-2030合規(guī)方面的規(guī)范。

如圖2所示，這些Release與ITU的IMT-2030時間表一致，目標(biāo)是到2030年實(shí)現(xiàn)6G商用部署。

圖2：6G標(biāo)準(zhǔn)時間表

前路挑戰(zhàn)依舊

盡管已取得長足進(jìn)展，NTN仍面臨諸多難題：

·頻譜協(xié)調(diào)：在FR3進(jìn)行衛(wèi)星與地面運(yùn)營商的協(xié)調(diào)非常復(fù)雜，猶如管理數(shù)十個機(jī)場的空中交通。

·標(biāo)準(zhǔn)化：多廠商互操作性至關(guān)重要；若缺乏通用接口，NTN的發(fā)展將面臨碎片化風(fēng)險。

·硬件限制：衛(wèi)星運(yùn)行的功耗與散熱要求非常嚴(yán)格，效率至關(guān)重要。

·商業(yè)模式：衛(wèi)星星座建設(shè)耗資巨大，能否在消費(fèi)、企業(yè)及公共安全市場證明其價值，將決定其成敗。

成功之道：設(shè)計與建模

5G的發(fā)展經(jīng)驗(yàn)表明，實(shí)用性至關(guān)重要。對于6G時代的NTN而言，這意味著：

·高能效：低流量時段進(jìn)入休眠的網(wǎng)絡(luò)，以及動態(tài)調(diào)整波束的衛(wèi)星。

·零信任安全：跨地域、跨行業(yè)，實(shí)現(xiàn)持續(xù)身份驗(yàn)證與加密。

·數(shù)字孿生：通過高保真虛擬模型仿真實(shí)際環(huán)境，模擬干擾、天氣及網(wǎng)絡(luò)攻擊等，在昂貴的啟動前進(jìn)行驗(yàn)證。

驗(yàn)證6G時代的NTN性能，僅靠傳統(tǒng)鏈路測試遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。先進(jìn)的調(diào)制方案結(jié)合高保真數(shù)字孿生技術(shù)，可讓工程師在硬件部署前模擬復(fù)雜的軌道動力學(xué)、多普勒頻移及多層干擾。這些虛擬環(huán)境能夠復(fù)現(xiàn)實(shí)際環(huán)境，助力優(yōu)化波形設(shè)計、功率效率及時延表現(xiàn)。通過在仿真中融入AI技術(shù)，研發(fā)者可預(yù)測性能的權(quán)衡，在加速創(chuàng)新的同時減少在軌試驗(yàn)中的高成本試錯。

沿星軌前行，探未來機(jī)遇

NTN的價值遠(yuǎn)不止于衛(wèi)星本身，更關(guān)乎普惠公平、產(chǎn)業(yè)賦能與彈性保障：

·普惠公平：將數(shù)字服務(wù)延伸至（地面）網(wǎng)絡(luò)覆蓋不足的社區(qū)。

·產(chǎn)業(yè)賦能：提升農(nóng)業(yè)、物流業(yè)與制造業(yè)的效率。

·彈性保障：在災(zāi)害中維持社會通信。

在多方力量推動創(chuàng)新、全球標(biāo)準(zhǔn)助力互操作性的背景下，NTN有望成為6G時代連接的基礎(chǔ)能力。對于工程師而言，任務(wù)非常清晰、明確：設(shè)計兼具前瞻性與實(shí)用性的系統(tǒng)，從設(shè)計之初就確保系統(tǒng)的高效、安全和互操作性。