田开波　方敏　杨振　胡留军　段向阳

【摘  要】三维连接技术作为地面网络（TN）与非地面网络（NTN）的融合组网技术，既能解决TN空天地海覆盖受限与NTN服务场景受限问题，又能促进后5G（B5G）与6G网络基础设施产业链的健康发展。首先简述了三维连接技术的发展历程，然后重点介绍了未来两年将要完成的5G NTN标准需求、部署结构、空中接口、频谱与终端方面的设计考虑，最后给出了对未来B5G/6G三维连接技术展望，提出了需要全球产学研机构共同研究创新的关键技术问题。

【关键词】三维连接;非地面网络;卫星通信;NR空口;NR-NTN

0   引言

陆地无线通信经过近三十年的发展，已在全球大多数地区形成了较为完善的网络覆盖，全球80%的人口都能享受移动通信服务。但受制于经济成本、技术等因素，在人口密度低的偏远地区以及沙漠、森林、海洋等区域，地面网络无法进行有效覆盖，同时太空与野外科考探险、航海、航空等活动日益频繁，对宽带与大规模机器通信无处不在的连接需求也随之增加，因此满足5G万物互联与6G万务智联需求的三维连接技术应运而生。

三维连接是指地面网络（TN）与非地面网络（NTN）融合组网，支持空、天、地、海一体化通信连接的技术，详见图1。三维连接的无线站点或天线可以显式或隐性部署于机房、建筑墙面或家居环境、地上或水下无人机、空中平台、不同地球轨道卫星等各种位置，通过三维连接真正实现任何时间任何地点跟其他任何一方的通信。目前，现有NTN与TN各自独立部署，无法形成融合组网的三维连接网络部署，限制了NTN与TN产业链的健康发展。

1   三维连接技术发展

二十世纪最后20年，是三维连接技术TN和NTN各自独立发展阶段。继第一代蜂窝移动通信系统成功商用之后，摩托罗拉公司在1993年成功部署了第一代NTN即“铱星”全球移动通信网络，但受限于终端成本及市场等因素，与第二代TN即GSM移动通信网络的“竞争”以失败告终。

本世纪开始的20年，三维连接技术进入到TN与NTN网络融合发展的新阶段。NTN卫星通信网络，既可以为TN网络基站提供无线回传，也可以为TN无法覆盖的地区提供移动通信连接。以“星链”为代表的低轨卫星通信网的规模部署，促使业内重新考虑NTN与TN之间的“补充”、“竞争”甚至“替代”的关系问题。NTN卫星通信网，受限于频谱效率、覆盖密度、传播时延、终端体积与成本的限制，尤其是TN网络从4G向5G的大规模商用发展，决定了NTN卫星通信网无法“替代”TN网络。同时，以TN与NTN融合组网为基本特征的三维连接技术，正在成为后5G与6G网络的关键使能技术。

2   三维连接标准化

2.1  标准化发展

TN标准“十年一代”的发展，已成功积累了从1G AMPS/TACS/NMT到2G GSM、3G WCDMA/TD-SCDMA、4G LTE、5G NR标准开发及其大规模商用经验。而NTN标准方面，尽管ETSI曾以地面GSM和WCDMA标准为基础，制定了NTN接入网标准，但是这些NTN标准应用很少，NTN卫星通信在实际中更多采用私有化的技术标准。

3GPP制定的5G通信网络是一个开放的系统，其需求报告TS22.261[1]中明确规定5G系统能够通过卫星接入提供服务，同时还要支持5G接入与基于卫星接入之间的服务连续性，且LEO、MEO与GEO对应的端到端传播时延分别为35 ms、95 ms与285 ms。

2017年以Thales为代表的卫星制造商参与到3GPP标准工作中，并成功推动了NTN按照星地统一架构和技术体制进行研究立项。2019年芯片厂商MediaTek推动NTN-IoT的标准研究项目的立项[2]。这两个3GPP NTN研究项目的指导原则都是以地面通信标准为基础，例如5G NR与4G NB-IoT标准，结合卫星通信传播的技术特点做出适应性的改进，最终制定统一的三维连接空中接口与组网的标准化方案。5G三维连接面临的主要技术挑战包括：融合组网结构、NR物理层与上层协议优化、频谱管理、无线资源管理、高速移动与波束管理等。

第一阶段标准组织重点讨论了星地信道模型以及对现有5GNR标准的影响。第二阶段对星地融合的网络架构进行了梳理，并针对第一阶段所识别的标准问题，给出了多种可能的解决方案。两个阶段分别形成了TR38.811[3]和TR38.821[4]两个技术报告。从2020年开始正式进入NTN标准起草阶段[5]，预计2021年底将发布第一版3GPP Rel-17 NTN标准。

2.2  5G NTN场景

为满足5G无处不在的覆盖需求，NTN卫星通信网络是一个很好的选择。例如，当自然灾害发生时，5G TN网络因为受到毁坏而无法提供服务;偏远山区、沙漠、海洋等特殊区域，5G TN网络也很难覆盖。如图2所示，5G NTN的典型应用场景包括全地形覆盖、信令分流、应急通信、物联网和广播业务等五大场景，以增强或补充TN网络的服务能力。

2.3  5G NTN部署结构

NTN和TN网络联合部署结构可以是灵活多样的，如图3所示。5GC共享结构，是指TN和NTN各自拥有独立的接入网，但共享5G核心网。NTN接入共享结构，是指拥有不同5G核心网的运营商可以共享NTN无线接入网。漫游与服务连续性部署结构，是指同一多模终端，从TN网络漫游到NTN网络，或者从NTN网络漫游到TN网络，可以通过5G核心网之间的N26接口，支持漫游终端的服务连续性。NTN回传结构，是指NTN网络充当地面无线接入网到地面核心网的无线回传网络。

NTN无线接入网，依据卫星能力的不同，存在图4与图5所示的两种部署模式。透明弯管转发式架构，卫星可被视为无线传输链路的中继节点，属于三维连接的初级模式。星上信号再生架构，是指基站上星，即卫星地位等同于TN網络的基站，是三维连接NTN网络的最终模式。

2.4  NR-NTN空口设计考虑

3GPP NR-NTN空中平台包括空载和机载两种形式，空载平台包括不同轨道高度的卫星，机载平台包括高度分布于8～50 km的无人飞机系统包括高空平台（HAP），目前研究重点是空载平台场景。在此场景下，超远距离传输以及超高速移动两个因素给NR-NTN空口标准的设计带来一系列的问题。

（1）NR空口面向NTN传播距离改进设计

NTN场景下传播路程可能上千甚至上万公里，仅传播路程带来的时延就高达数十到数百毫秒，已经超出NR标准对时延设计的容忍度，具体涉及如下方面。

1）随机接入过程PRACH序列设计

在NR标准中，终端通过检测同步序列块（SSB， Synchronization Signal Block）完成初始下行时频同步，然后通过图6所示的四步随机接入过程完成网络接入，其中随机接入前导序列（PRACH preamble）设计是重点。

传统PRACH序列，如图7所示，由一个ZC序列的多次重复构成，利用ZC序列自相关特性进行时频偏估计。在NTN场景下，传播时延和频偏远超出NR中PRACH序列可估计的范围，需要对序列重新设计，目前存在图8所示的三类候选方案。

单根ZC序列方案[6]，增大子载波间隔意味着占据更大的带宽，使得固定发射功率的终端能量分布在较大的带宽上，因而单位频谱上的信噪比降低。多根ZC序列方案[7-8]，PRACH序列包含具有不同根的多个ZC序列，在接收端它们受到相同的频偏影响，利用它们的相关峰位置偏移量之差进行归一化频偏的整数部分估计，补偿后可对时延和归一化频偏的小数部分估计，此方案能够在不扩大子载间隔的情况下对较大的频偏进行估计，缺点是当归一化频偏的小数部分接近0.5时，容易因为伪峰而得到较大的时频偏估计误差。加扰ZC序列方案[9-10]，加扰序列可以选择在大频偏下具有良好鲁棒性的Gold序列和M序列，缺点在于接收端处理的分支数目随最大频偏的增大而增多，对接收机带来较大的负担。

2）随机接入过程确认等待

当前标准采用的四步随机接入程，终端发出Msg1和Msg3发出后，会等待一段时间接收基站的回复信息。如果等待的时间超过设定阈值，则重新发起随机接入过程。在NTN场景中，信号的传输时延大于地面网络，需要设定更大的等待时间阈值，否则终端会误以为信息丢失而频繁发起随机接入。

3）上行定时提前量获取

上行定时提前可使终端根据与基站的距离远近提前不同的时间发送上行信号，最终各终端发射的信号能够近似同步到达基站，是保持上行链路时间同步的重要机制。定时提前量的获取，是在随机接入过程中，基站通过接收Msg1测得终端上行提前时间，NTN场景中需要对帧格式优化，具体可参考1）中的方案。

4）HARQ机制

HARQ机制可以使发送端同时发送多组数据而不必等待接收端返回确认信息，允许发送端对出错的数据进行重发，由接收端进行合并检测。在NTN中，为了避免发送端由于传播时延大而长时间等待，需要增加HARQ进程数，同时需要增加存储空间。此外，也可关闭HARQ功能，发送端发新数据不再受到进程数限制，避免了数据缓存，但鲁棒性会受到影响。为了保证一定的性能，可采用较低码率进行传输等手段。HARQ可以根据应用场景通过信令灵活配置。在传播时延相对较小的场景，例如LEO，可以配置为打开，在GEO场景则可关闭。

5）上行资源请求

上行数据到达终端的发送缓冲区后，终端需要先向基站发送调度请求信息，等待基站分配一定的上行资源后，终端再向基站发送数据缓冲区状态报告，其中包含缓冲区数据量信息，而后继续等待基站分配上行调度资源来发送缓冲区数据。在NTN场景中，数据发送前的两次请求过程，将耗费大量等待时间。可考虑如下三种方式[3]，终端只发送调度请求，基站接到请求后，盲分配尽量多的上行资源;或者终端发送的调度请求中直接包含缓冲区状态报告;或者在接入过程中即携带缓冲区状态报告。

（2）NR空口面向NTN高速移动改进设计

NTN场景中的超高速移动因素，导致终端和卫星之间产生巨大的多普勒频移和相对位置的快速变化，因而在如下方面对标准造成影响。

1）上行频率同步

NTN场景中，卫星高速移动产生的多普勒频移高达数十甚至数百kHz，远超系统子载波间隔，带来严重的上行频率失步。可采用频率预补偿方案，每个终端的频偏可分为公共频偏部分和频偏差值部分，在波束的覆盖区内选择一个参考点，测算卫星和参考点之间的频偏，此频偏即为公共频偏。终端与卫星间的实际频偏与公共频偏的差值即为频偏差值部分。上行发送时，终端可以按照实际频偏预补偿，或者终端只按照频偏差值预补偿，公共频偏由卫星侧统一补偿，以此达到上行频率同步。

2）上行定时提前量调整

上行定时提前量获取虽然已经有改进，但终端和卫星之间相对位置的变化导致上行定时发生偏移。卫星可利用其他上行信号计算定时偏移变化，并将变化值发送给终端对上行定时提前量进行调整，或者給终端发送一个定时提前量的变化率，由终端自主计算调整量。

3）移动性管理

针对跟踪区域的设置和更新机制，考虑将跟踪区域和地理位置绑定以避免卫星移动导致跟踪区域频繁更新。终端利用自身的位置信息，并根据跟踪区域和地理位置之间的关联关系，来判断是否发起跟踪区域更新流程。在执行测量和小区选择重选中，终端也可以利用星历信息判断卫星的实时位置，并引入终端位置作为NTN特有的触发测量上报的条件并在测量报告中上报终端的位置信息以辅助网络侧做出判断。

4）馈线链路交换

NTN网络中，卫星高速运动必然导致卫星在不同NTN GW之间切换馈线链路。馈线链路的切换方式与多个因素相关，比如网络中卫星的工作模式是弯管转发式还是信号再生式、当前关联网关与待切换网关是否与同一个地面基站关联、切换过程中卫星是否具备同时与两个网关链接能力等。

5）网络标识

TN网络设计的前提假设是网络侧固定。但Non-GEO场景，网络侧相对地面始终处于移动状态，网络标识规划存在两种方案。一种是网络ID与地面位置保持固定不变;另一种是网络标识与卫星或者卫星波束绑定。后一种地面同一位置的网络ID随卫星的移动而变化，由于卫星间的相对位置会发变化，可能带来网络标识混淆问题，在后续的研究中需要重视。

2.5  NR-NTN频谱与终端考虑

3GPP Rel-15/16 5G NR工作频段最高到52.6 GHz，3GPP Rel-17将完成NR 52.6—71 GHz即FR3标准的研究与技术规范制定工作。因此，从3GPP Rel-15/16NR空口扩展而来的3GPP Rel-17 NR-NTN FR4空口标准，原则上可以支持NTN常用的卫星通信频段，如图9所示的L、S、C、Ku波段，以及从40 GHz到52.6 GHz的Ka波段。同时，3GPP可能将在Rel-17+完成NR-NTN 52.6—71 GHz标准技术规范。

3GPP Rel-16 NTN研究项目初步评估结果是[4]：5G NR功率类型3终端，可以支持S频段上波束合理配置的LEO与GEO卫星NR-NTN传输;更高收发天线增益（例如VSAT与相位阵天线）的终端，可以支持S频段与Ku频段上波束合理配置的LEO与GEO卫星NR-NTN传输。

3   B5G/6G三维连接技术展望

3.1  B5G/6G标准工作路标预测

随着5G产品的成功商用，全球产学研已在2019年下半年正式启动B5G与6G标准的研究工作，未来十年内ITU、3GPP与中国6G推进组对6G标准研究与制定工作的阶段性路标预测，详见图10。

ITU计划在2022年6月完成《IMT未来技术趋势》研究报告，并在2021年6月到2022年11月完成《IMT-2020之后愿景》研究报告。6G频谱需求的讨论预计将在2023年底的世界无线电大会WRC 2023完成讨论，6G频谱分配预计也将在2027年底的WRC 2027完成。因此，2020-2023年将是6G业务、愿景、技术的可行性研究窗口（简称6G阶段一），2024～2027年将是6G性能、频谱与评估要求的可行性研究窗口（简称6G阶段二）。

面向ITU-R的6G阶段一与阶段二研究窗口，中国IMT-2030暨6G推进组预计将在2023年完成6G需求与使能技术的可行性研究与技术验证工作，并预计在2027年完成6G系统与频谱的研究与试验验证工作，即中国将与ITU-R的6G研究与标准工作计划保持基本同步。

面向2028～2029年ITU 6G标准评估窗口，3GPP预计需要在2024～2025年即Rel-19窗口正式启动6G标准需求、结构与空口技术标准的可行性研究工作，并最快在2026～2027年即Rel-20窗口完成6G空口标准技术规范制定工作。当然，3GPP在2020～2023年也将完成5G演进标准即Rel-17与Rel-18标准的制定工作，可简称为后5G即B5G标准。

由于3GPP在Rel-17正在制定NR-NTN标准技术规范，同时也在开展LTE NB-IoT/eMTC NTN与NR 52.6～71 GHz标准研究工作，因此图10也给出了B5G三维连接标准向更高频段并支持NTN物联网的扩展路标，包括毫米波高频段或THz低频段的140 GHz、220 GHz频段。因此，3GPP B5G与6G标准将支持71 GHz以下和71 GHz以上（例如140 GHz以下）频段的三维连接技术。

3.2  B5G与6G三维连接技术展望

從5G万物互联向6G万务智联的发展，感知互联网、智能服务互联网、自动化工业服务互联网，决定6G网络需要支持：1）更高的链路峰值与用户体验数据率，例如1 Tbit/s峰值数据率，10～20 Gbit/s用户体验数据率;2）更大的传输带宽，例如5～10 GHz带宽;3）更广的极限覆盖，例如最大耦合损耗增加3 dB;4）更强的数据智能，包括服务、连接与管理智能;5）更高的频谱、能量、空间与成本效率;6）更精确的移动定位，例如<10 cm的定位精度。因此6G无线接入网面临的技术挑战包括：服务架构网络、智能三维连接、智能MIMO、灵活网络拓扑、THz通信和通信传感集成等。

未来的智能三维连接技术框架中，NTN和TN网络融合模式更加丰富，多连接技术需要更深入的研究，使得终端在不同网络间既可灵活切换又能保持服务连续性。NTN网络将是由高中低轨道多层卫星构成的星座，卫星数量成千上万，网络的拓扑结构呈现高度动态变化特性，层内及层间将具有完善的星间通信链路。针对这一复杂网络，需要高效灵活的网络管理技术来提升网络运行效率和稳定性，其中人工智能和自组织网络技术的深度结合将是一个有效手段。人工智能技术也会融入到NTN网络的多个层面，如信道质量的预测、波束下的时频资源调度、波束间的干扰管理以及波束间的切换策略等。

此外，三维连接中NTN网络所具有的独特优势，为众多新技术提供了一个理想的研究应用场景。星间链路和星地回传链路的理想传播特性，非常适合太赫兹技术的应用，而太赫兹的应用又会极大提高NTN网络骨干链路的通信容量。NTN网络抵御意外或自然灾害的能力，很好契合区块链技术的精髓，借助于NTN网络可以进一步提高区块链技术应用的鲁棒性。边缘计算技术将计算处理、数据存储、网络加速及智能分析等能力迁移至NTN网络节点，相关业务不再需要与TN网络进行交互，可以极大减少传输时延，提高业务的时效性，进而能提供丰富面向垂直行业的业务。虽然这些新技术在TN网络已经有了一定的研究成果，但仍然需要针对NTN网络特性做进一步的研究。

6G尚处早期的需求分析与使能技术识别的研究阶段，未来6G空天地海三维立体连接场景是业界已达成的基本共识。对于NTN的卫星通信而言，在5G网络统一架构、相同传输和交换技术基础上，与地面网络进行更全面、更深入、更原生的融合是未来趋势。而未来的6G网络可利用协同的资源调度，为用户提供无感的NTN与TN无缝连接服务，同时各种新技术的引入，也可以为用户提供更多样的服务，真正实现天地海三维立体连接。

4   结束语

地面网络技术与商用发展，不仅面临超密部署、能耗与成本方面的技术挑战，同时也需解决地面偏远与天空区域超大范围的灵活覆盖问题。如何充分利用非地面网络，包括各种无人机、空中平台与不同轨道卫星，与地面网络相互融合并形成空天地海高效覆盖的立体三维连接，既是解决5G网络长期演进瓶颈问题的关键技术，也是B5G与6G网络的主要使能技术。

本文重点介绍了未来两年将要完成的3GPP NR-NTN标准需求、部署结构、空中接口、频谱与终端方面的设计考虑，展望了未来B5G/6G三维连接技术发展趋势，提出了需要产学研共同研究创新的关键技术，包括网络拓扑结构、多连接技术、网络管理、人工智能、太赫兹、区块链、边缘计算等技术在三維连接中的应用。

参考文献：

[1]     3GPP. 3GPP TS 22 261 v15.0.0： Service requirements for the 5G system Stage 1 （Release 15）[S]. 2018.

[2]     MediaTek Inc. 3GPP TSG RAN meeting #86 RP-193235： New Study WID on NB-IoT/eTMC support for NTN[R]. 2019.

[3]    3GPP. 3GPP TR 38 811 v15.2.0. Study on New Radio （NR） to support non-terrestrial networks （Release 15）[S]. 2019

[4]    3GPP. 3GPP TR 38 821 v16.0.0： Study on New Radio （NR） to support non-terrestrial networks （Release 16）[S]. 2019.

[5]   Thales. 3GPP TSG RAN meeting #86 RP-193234： Solutions for NR to support non-terrestrial networks （NTN）[R]. 2019.

[6]   Nokia. 3GPP RAN1#99 R1-1913017： Doppler Compensation， Uplink Timing Advance and Random Access in NTN[R]. 2019.

[7]     C Z， W C， Z Y， et al. Random Access Preamble Design for Large Frequency Shift in Satellite Communication[J]. IEEE 5G World Forum （5GWF）. IEEE， 2019： 659-664.

[8]     ZTE. 3GPP RAN1#99 R1-1912612： Discussion on the TA and PRACH for NTN[R]. 2019.

[9]      MediaTek. 3GPP RAN1#99 R1-1912124： PRACH design for NTN scenario[R]. 2019.

[10]  Huawei， Hisilicon. 3GPP RAN1#99 R1-1911860. Discussion on Doppler compensation， timing advance and RACH for NTN[R]. 2019.

作者简介

田开波（orcid.org/0000-0003-1385-8033）：高级工程师，毕业于西安交通大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，长期从事无线通信系统技术预研及标准化研究工作，先后参与4G/5G移动蜂窝网以及IEEE 802.11ac/ah/aj/ax等WLAN系列标准的制定工作，目前负责空天地海一体化技术预研工作。

方敏：博士毕业于清华大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，长期从事下一代无线通信系统关键技术研发、标准化与专利保护工作，率领中兴通讯无线接入网与核心网标准团队参与完成了3GPP Rel-8 LTE（FDD）标准技术规范的可行性研究与起草、制定及颁布工作，并对中兴通讯5G关键技术可行性研究做出了突出贡献，其中Pre5G大规模天线阵技术在2016年世界移动大会获得“最佳移动技术突破”与“CTO选择”双项大奖，参与发表一部5G专著并获多项发明专利，现从事6G新服务、新频谱、新结构与新技术相关的创新技术研究工作。

杨振：高级工程师，毕业于电子科技大学，现任职于中兴通讯股份有限公司，长期从事无线通信系统关键技术研发、标准化与专利保护工作，发表技术专利十余项。