一、关于非地面无线接入网络（NTN）
1、因原
第五代数字蜂窝移动通信系统（5G或IMT-2020）同前几代系统相同，其系统是由核心网络（CN）和无线接入网络（RAN）构成，并向其移动终端（UE）提供服务。而对于无线接入网络（RAN），传统的是利用地面无线网络，即建立大量的基站（gNB）来实施无线信号的覆盖，为了实现移动终端随时随地的接入，特别是保证QoS的接入，预期使得RAN在陆地上的全面覆盖，带来了系统的建设成本和运维成本巨大的问题。之所以带来如此问题，主要是因为地面基站的覆盖范围所限。
于是，人们想到可否将基站或基站射频信号提升到空中的一定高度，比如卫星轨道的高度，其一个基站对地面的覆盖能力将会大大的提高，对此3GPP做了大量的研究，在R15阶段所发布的3GPP TR 38 811《基于新无线（NR）支持非地面网络（NTN）的研究》；在R16阶段所发布的3GPP TR 38 821《NR支持NTN的解决方案》等，其解决方案已被纳入到5G NR的R17规范中。
2、概念
新无线（NR，New Radio）是专指5G系统的无线接入网络（RAN），它是一个能满足多场景的多层异构网络，能够容纳已广泛应用的各种无线接入技术，以满足5G系统的移动性、时延性、接入速率、流量密度、连接数密度、频谱效率、能源效率等特性的要求。非地面网络（NTN，Non-Terrestrial Networks）的定义是：使用航空器（airborne）或天基载具（space-borne vehicle）搭载传输设备中继节点或基站的网络或网络分段。相对于移动通信系统来讲，利用轨道卫星则是不错的一种天基载具。
3、非地面网络在5G系统中的作用
由于广泛的业务覆盖能力和减少空间/机载飞行器对物理攻击和自然灾害的脆弱性，非地面网络（NTN）有望实现：
一是促进在地面5G网络无法覆盖的无服务地区（偏远地区、飞机或船只上）和服务欠缺的地区（例如郊区/乡郊地区）推出5G服务，以具成本效益的方式提升有限地面网络的性能。二是通过为M2M/IoT设备或移动平台上的乘客（例如乘用车、飞机、船舶、高速列车、公共汽车）提供服务连续性，或确保任何地方的服务可用性，特别是关键通信、未来的铁路/海事/航空通信。三是从而增强5G服务的可靠性-通过向网络边缘甚至用户终端提供高效的组播/广播资源，实现5G网络的可扩展性。
二、非地面网络（NTN）接入网的架构设想
1、NTN接入网的分类
一是从网络构成载体来分类。依据NTN的定义，结合通信实际，网络构成的载体通常应由卫星载体和其它航空器载体。因此，NTN接入网应包括通信卫星载体接入网（SAN，Satellite access network）和航空器载体接入网（ANN，Aerial access network）。事实上，相对于这两种网络所提供的无线电业务来讲，对应于国际电联的《无线电规则》中定义的卫星通信业务和航空通信业务，当然包括其固定业务（FSS）或移动业务（MSS）。
二是从网络带宽来分类。根据网络所提供的数据传输带宽，可将SAN和AAN区分为宽带（Broadband）接入网和窄带（Narrow or wide band）接入网两种类型。其具体含义详见下表2-1，包括服务的地面移动平台、数据传输速率、业务链路运行频带等要求。
表 2-1：宽带NTN接入网与窄带NTN接入网
另外，对于SAN和AAN，还有区分有/无卫星间链路（ISL，Inter-Satellite Links）或航空器间链路（IAL，Inter-Aerial Links）。
2、NTN网络的可能架构
3GPP TR 38 811基于上述分类原则，分别推出了可能的SAN和AAN接入网架构，如下图2-2中所示。其中，包括七种情形，它们是：一是业务链路运行在分配给固定和移动卫星业务（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（不带ISL）；二是业务链路运行在分配给固定和移动卫星业务（FSS和MSS）的6Ghz以上的SAN（带ISL）；三是业务链路运行在分配给移动卫星业务（MSS）的6Ghz以下的SAN；四是业务链路运行在分配给移动卫星业务（MSS）的6Ghz以下频带的SAN，并与由相同或独立核心网提供服务的地面接入网配套相成；五是具有低于或高于6Ghz的业务链路的AAN（不含IAL）；六是具有低于或高于6Ghz的业务链路的AAN（含IAL）；七是6Ghz以上的业务链路的AAN（含IAL）。
图 2-2：SAN和AAN接入网可能架构示例
上述各种架构，建议选择弯曲管道有效载荷（bent pipe payloads）或再生有效载荷（regenerative payloads）的一系列部署方案。关于弯曲管道有效载荷和再生有效载荷的含义详见下表2-2。
表 2-2：弯曲管道有效载荷和再生有效载荷的含义
3、5G环境下NTN网络架构的选择
基于3GPP TR 38.801中描述的无线接入网（RAN）架构原理，5G环境下NTN架构的可能选择如下图2-3中所示。其中：图2-3-1为以服务于终端（UE）为特点，并基于具有弯管有效载荷（bent pipe payload）的卫星/航空器和地面gNB间为基础的NTN接入网（卫星集线器或网关级），此时，卫星或航空器将在gNB和终端之间中继“卫星友好型”NR信号。图2-3-2为以服务于终端（UE）为特点，并基于内置gNB的卫星/航空器为基础的NTN接入网。此时，卫星或航空器应包括全部或部分gNB，以产生/接收来自终端的“卫星友好型”NR信号。这需要足够的机载处理能力，以便能够部署gNB或中继节点功能。图2-3-3为以服务于中继节点（Relay Nodes）为特点，并基于具有弯曲管道有效载荷的卫星/航空器为基础的NTN接入网，此时，卫星或航空器将在gNB和中继节点之间以透明的方式中继“卫星友好型”NR信号。图2-3-4为以服务于中继节点（Relay Nodes）为特点，并基于内置gNB的卫星/航天器为基础的NTN接入网，此时，卫星或航空器应包括全部或部分gNB，以生成/接收发送至/来自中继节点的“卫星友好型”NR信号。这需要足够的机载处理能力，以便能够部署gNB或中继节点功能。
图 2-3：5G环境下NTN架构的可能选择
三、NG-RAN的NTN应用架构
1、应用架构的模式
基于上述3GPP TR 38 811技术报告的研究，3GPP TR 38 821给出非地面网络（NTN）的定义是：是指利用卫星或无人飞行器系统（UAS，Unmanned Aircraft System）平台使用射频资源的网络或网络段。同时，又给出了5G环境下NTN的应用架构，这种应用架构包括两种模式：基于透传载荷（Transparent payload）模式的NTN架构和基于再生载荷（Regenerative payload）模式的NTN架构，分别详见下图3-1-1和图3-1-2。两者的主要区别在于是否使用卫星间链路（ISL，Inter-Satellite Links），两种模式含义详见下表3-1-1。事实上纳入R17规范的NTN的重心是透传载荷模式，即卫星充当射频中继器的方式，gNB作为网关（Gateway）的一部分位于地面。下表3-1-2给出了不同类型的卫星（或UAS平台）列表。
图 3-1-1：基于透明载荷模式的NTN架构
图 3-1-2：基于再生载荷模式的NTN架构
表 3-1-1：两种模式的含义
表 3-1-2：NG-RAN的NTN应用架构中所使用的荷载列表
2、基于NTN的GN-RAN架构
3GPP TR 38 821解决方案研究的开展最大限度地减少了对NG-RAN中新接口和协议的需求，以支持非地面网络。下一代无线接入网（NG-RAN）是3GPP对5G系统无线接入网的称呼。因此，基于上述荷载模式的NTN架构，3GPP TR 38 821又提出了GN-RAN架构（即即使NTN的GN-RAN）。包括，基于透传卫星模式的NG-RAN架构（详见下图3-2-1）和基于再生卫星模式的NG-RAN架构（详见下图3-2-2）。注意，对于基于再生卫星模式的NG-RAN架构又分为两种情形：一是内置gNB处理荷载的架构（又分为带有ISL和不带ISL两种情况）；二是内置gNB-DU处理荷载的架构。上述各种基于NTN的GN-RAN架构的说明详见下表3-2。
图 3-2-1：基于透传卫星模式的NG-RAN架构
图 3-2-2：基于再生卫星模式的NG-RAN架构
表3-2：各种基于NTN的GN-RAN架构的简要说明
基于NTN的GN-RAN架构的实现，很好的解决了5G网络的覆盖能力。但是由于使用了高高在上卫星载荷以及通信卫星的特征，又带来了5G信号传输上的挑战，如传输时延、差分时延、多普勒频移等等。这是基于NTN的GN-RAN必须面对的问题。
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