2023年5GNTN技术白皮书

中国电信5GNTN技术白皮书 —天地一体、手机直连 2023年11月 目录 第一章引言1 第二章5GNTN应用场景及生态2 2.1手机直连卫星2 2.2汽车直连卫星4 2.3其他应用场景5 2.45GNTN产业生态6 第三章5GNTN技术标准进展及面临挑战8 3.13GPP标准进展8 3.2CCSA标准进展11 3.35GNTN当前挑战12 第四章5GNTN组网架构15 4.15GNTN网络架构概述15 4.25GNTN组网架构展望16 第五章5GNTN技术思考及实践19 5.1芯片一体化增强19 5.2终端模组增强20 5.3无线空口增强23 5.4核心网增强25 5.5NTN容量评估27 5.6NTN测试验证28 5.7手机直连演进路线31 第六章总结33 缩略语35 联合编写单位及作者38 1 中国电信5GNTN技术白皮书 第一章引言 5GNTN（5GNonTerrestrialNetwork）是面向卫星通信和低空通信等新应用场景的重要演进技术，标志着5G从地面走向了空间。5GNTN基于3GPP开放标准，可实现卫星通信与地面通信体制兼容，借助手机直连，可充分利用和分享地面5G的产业链和规模经济效益，快速扩增卫星通信产业规模。 5GNTN是星地融合通信发展的主流方向，主要包括IoTNTN和NRNTN两条技术路线。前者基于NB-IoT技术演进而来，侧重支持物联网业务，提供低速数据传输、短消息等功能；后者基于5GNR技术演进而来，侧重支持宽带数据、语音和固定无线接入等功能。5GNTN为下一代空天地一体化融合通信系统奠定了重要的技术基础，目标是达成6G一张网，实现统一空口传输、统一接入控制、统一鉴权认证和统一组网架构，实现星地无感切换。 近年来，随着卫星互联网、手机直连和天地一体等新技术的不断涌现，国内外产业各方均加快了针对5GNTN的标准、能力以及应用创新的试验，成功进行了大量5GNTN原型试验，芯片、终端和网络设备等产业各方均大力推进5GNTN的技术预研。 中国电信作为国内同时拥有卫星移动通信和地面移动通信运营牌照的基础电信运营商，一方面，承接和组织我国“天通一号”卫星移动通信系统的民用运营，另一方面，紧跟国家“高速泛在、天地一体、云网融合、智能敏捷、绿色低碳、安全可控的智能化综合性数字信息基础设施建设”战略，加快推进天地一体能力构建，积极探索5GNTN、6G等未来网络标准技术与应用，基于高轨卫星开展了大量的5GNTN技术试验和应用验证。 本白皮书基于国内外标准组织关于5GNTN技术体制的研究现状及演进态势，提出中国电信有关5GNTN的标准、架构及关键技术的展望，并结合卫星、核心网、无线网、终端、芯片等关键环节的方案论证、测试结果和性能评估，形成5GNTN技术演进的发展建议，为中国电信未来网络及业务演进提供战略参考。 2 中国电信5GNTN技术白皮书 第二章5GNTN应用场景及生态 5GNTN能提供媲美地面移动通信网的相同业务服务，包括语音、短信、物联、社交、视频等。一方面，5GNTN技术适用于应急通信、交通、矿产、油气、电网及海事等行业场景；另一方面，5GNTN技术借助手机直连卫星等技术，逐步拓展到普通大众消费群体，在增大存量用户黏性的同时，提升了用户APRU值。 基于5GNTN技术构建的天地融合网络，通过星间链，支持高中低轨卫星资源协同，与地面组合形成一张网络，服务手持、船载、车载、机载等用户群体，如图1所示。 图15GNTN应用场景示意图 本章将介绍手机直连卫星、汽车直连卫星和卫星互联网等三大典型场景。 2.1手机直连卫星 手机直连卫星能满足人们对“永不失联、永远在线”的需求，提供全区域、全维度的泛在连接服务。经济效益与需求双轮驱动下，技术的突破推动手机直连业务成为大势所趋。其应用场景包括旅游探险、应急救灾、蜂窝补盲等。 1.户外旅游探险。游客身处户外、沙漠、高山或者乘坐游轮时，经常面临地面网络无信号的窘境。如2023年五一期间，新疆、甘肃、青藏等边疆地区成为 旅游热门地，光新疆地区接待游客超800万人次，手机直连卫星业务可较好满足游客在偏远地区的通信需求。 2.应急救灾通信。遭遇重大灾害时，成片的基站损毁失能，造成断网停服。如今年8月北京、天津、河北和黑龙江等地水灾期间，地面通信一度中断，应急 3 中国电信5GNTN技术白皮书 救援部门通过卫星电话实时掌控受灾区域的人员情况成为刚需。 3.固定及蜂窝网络覆盖补充。从全球来看，目前尚有80%以上的陆地区域和95%以上的海洋区域缺少地面网络覆盖，在人烟稀少的深山、森林、沙漠等区域，地面网络部署成本过高或难度过大。当地牧民、科研人员使用卫星业务是一种相对经济的通信手段。 图2手机直连卫星主要应用场景 根据中国信通院分析报告，2023年1-8月国内市场手机总体出货量累计1.67亿部，预估2026年将达3.14亿。5GNTN属于3GPP标准技术，基于海量普通手机用户群体及产业规模，可以大幅降低卫星芯片、终端模组、手机的成本，使手机直连卫星具备经济可行性，三年内预估NTN芯片出货量有望突破5000万片。 数据来源：中国信通院国内手机市场运行分析报告 图32018-2026E国内手机出货量及预测 4 中国电信5GNTN技术白皮书 2.2汽车直连卫星 除了手机，汽车也是大众体验卫星通信服务的重要手段。国内多个汽车生厂商制定计划，要在新车型前装卫星通信模块，拉动汽车直连卫星商用进程。在沙漠、草原、戈壁、森林等越野旅游场景下提供车辆位置监控及上报、车辆救援、遇险呼救、社交娱乐等能力。 图4汽车直连卫星主要业务 基于中国汽车工业协会统计数据测算，预计2024/2025/2026年全国汽车出货量约为2500/2620/2755万台，其中高端车占比约2%-3%。按照NTN卫星直连模组在高端车型前装渗透率逐步提高的趋势，2024年预计采用NTN技术的汽车直连卫星的高端车型渗透率预计达5万台，到2026年约为52.3万台。NTN汽车 直连卫星功能前期主要搭载在高端车型为主，预计2026年逐渐拓展中低端车型。 图55GNTN汽车2024E-2026E年预测数据 5 中国电信5GNTN技术白皮书 2.3其他应用场景 5GNTN的IoTNTN路线主要应用于卫星物联网领域，一方面，集成了NB-IoT多次重传、低功耗、长待机的优点，另一方面，兼具卫星的立体广覆盖能力，在海运、航空等领域具有广泛应用前进。而5GNTN的NRNTN路线主要应用于卫星宽带业务，解决各类场景中的图片、视频等数据传输需求。典型的应用场景如下： 1.海运场景：在现代渔业、海洋监测、油气勘探、远洋运输等领域，卫星物联网主要满足轮船（如客轮、远洋船、渔船等）状态、环境和位置信息上报、视频监控，以及船内人员宽带上网、电话以及短信等需求。据《2022年交通运输行业发展统计公报》显示，全国水上运输船舶12.19万艘，预计2026年达到12.68万艘。当前海运场景多采用GMR、DVB等传统技术体制提供的卫星通信服务，预计2026年前后将运输船舶的卫星通信技术将逐步升级为5GNTN体制。 数据来源:交通运输行业发展统计公报 图62018-2026E全国水上运输船舶数量及预测 2.航空场景：涵盖民航客舱内用户上网、短信和语音等业务，以及通用航空领域的语音调度、轨迹数据回传等需求。中国民用航空局发布的《2022年民航行业发展统计公报》显示，截至2022年底，我国民航全行业运输飞机期末在册架数4165架，全行业无人机将近百万。预计2026年支持NTN的机载卫星终端达7万个。 6 中国电信5GNTN技术白皮书 3.智慧农业：主要包含智慧农场、智慧养殖两类典型应用场景。前者基于卫 星物联网设备实现农场气象、土壤环境等监测数据的传输上报，为农业智慧化提供精确参照；后者实现对牲畜的实时状态及位置监测，提升农业养殖效率和效益。 图7智慧农场应用示例 4.资产管理：针对偏远地区企业资产（如野外林区、海上风电设备、戈壁、油气开采设备等）的监管需求，传统蜂窝基站成本代价太高，借助卫星连接将资产当前的状态、位置、照片等信息实时上报企业，可节省大量的人力巡检成本以及地面网投资。 图8资产管理应用场景 5.智慧物流：通过卫星通信模组监控和跟踪集卡、货运车辆及货物位置，优化交付和运输路线，大幅提升物流运输、仓储、包装、装卸搬运、信息服务等各环节的系统感知、统筹调度以及物流交接效率，降低行业成本。 根据BergInsight数据显示，全球卫星物联网用户未来几年将保持25%以上的高复合增速，至2026年，全球卫星物联网用户数将达到2120万,市场规模 将增长到10亿美元级别。 2.45GNTN产业生态 5GNTN产业涉及卫星制造、卫星发射、卫星运营、地面设备等多个环节， 7 中国电信5GNTN技术白皮书 我国在上述环境均已形成初步布局。 卫星制造和发射是产业链价值最集中的环节，技术成熟度高。但卫星整机制造难度大、研发周期长、资金投入大、发射服务成本较高，并且上述环节存在较高的门槛和技术壁垒，中国航天科技集团、中国航天科工集团、中科院等央企在该领域实力雄♘。在卫星技术体制中引入5GNTN将是各大企业的重点方向。 在卫星运营环节，当前具备商用服务能力的主要有航天卫通、中国电信、中交集团等企业，后续随着卫星互联网的建设到位，中国星网等卫星运营商将逐步涌现。利用现有卫星增加5GNTN基带、或在后续卫星系统中直接设计和实现5GNTN技术体制，以便实现天地一体，已成为运营商的重要选项。 在地面设备环节，涉及信关站在内的接入网和核心网设备，以及各类终端、芯片及模组等，吸引了众多企业参与，业界整体处于预研、测试及快速催熟阶段。芯片方面，紫光展锐、联发科、高通和海思等已开展或正推进支持NTN能力的芯片研发；终端方面，众多的手机终端厂商及物联网模组厂商也在规划支持NTN的终端产品；网络设备方面，中兴通信、中信科等网络厂商已有支持3GPP最新协议的NTN无线及核心网原型试验设备。 目前，除国外卫星运营商Skylo已宣布推出基于摩托罗拉手机的NTN商用服务（APP模式的卫星短数据）外，其他产业链参与方尚处实验阶段。国内已有多家运营商联合芯片、终端及网络设备提供商基于3GPPR17标准进行了多次技术试验和测试，从测试结果、设备成熟度、卫星资源冗余度来看，预计2024~2025年业界初步具备支持IoTNTN商用的终端、芯片以及网络设备，而NRNTN尚需继续推进更大规模的技术试验和测试，以持续完善标准协议。 未来，在海洋强国、交通强国、乡村振兴等国家战略推动下，5GNTN产业生态将更趋完善和成熟，产生巨大的社会和经济效益。 8 中国电信5GNTN技术白皮书 第三章5GNTN技术标准进展及面临挑战 3.13GPP标准进展 随着近年来卫星通信受到的关注度不断提升，3GPP作为通信行业最重要的国际标准组织之一，开展了对非地面网络技术体制的研究和标准化。按照3GPP的规划，5G的技术演进分为两个阶段，R15、R16和R17三个版本是5G的第一个阶段，之后的R18、R19和R20是第二个阶段，第二个阶段又被称之为5GAdvanced，即5G演进。 图93GPP5GNTN演进路线 1.第一阶段 3GPP在R15阶段首先提出将NTN纳入5G系统需求与应用前景的讨论。 进入R16阶段，3GPP标准组就终端、无线和核心网等方面开展了NTN系统性技术研究讨论。针对终端，研究了基于S/Ka频段的卫星通信手机功率、能耗的影响；针对无线接入，评估了面向不同的部署场景的信道模型、多普勒频移、传输时延等重要特性估，并给出支持NTN对现有地面通信标准的潜在增强需求；针对核心网，研究了支持卫星透明转发的组网架构，以及网元功能增强需求等。 从R17版本开始，3GPP启动了正式的NTN规范制定，并提出了NRNTN和IoTNTN的第一个基线规范版本，旨在指导NTN快速落地。针对卫星通信因场景距离