随着工程师们致力于将卫星星座直接整合到 5G 生态系统中，全球无线覆盖这一长期挑战正趋于解决。通过从地面基站塔转向统一的非地面网络 (NTN)，电信行业旨在消除地球上甚至最偏远地区的“信号盲区”。由来自帕多瓦大学（University of Padova）和丰田汽车北美公司（Toyota Motor North America）的研究团队撰写的一项名为《5G NR非地面网络：全栈协议设计的开放挑战》（5G NR Non-Terrestrial Networks: Open Challenges for Full-Stack Protocol Design）的综合研究，概述了实现这一愿景所需的关键架构转变。随着第五代 (5G) 网络的不断演进，研究强调，地面网络 (TNs) 与非地面网络 (NTNs) 的整合代表了全球连接的下一个主要前沿，有望实现蜂窝塔与轨道卫星之间的无缝切换。
非地面网络 (NTN) 的兴起
非地面网络的概念涵盖了位于地球表面上方的各种平台，包括低地球轨道 (LEO) 卫星、高空平台 (HAPs)（如平流层中的气球或飞艇）以及无人机 (UAVs)。虽然传统的卫星互联网已经存在了几十年，但它在很大程度上是一种专有且孤立的技术。目前由第三代合作伙伴计划 (3GPP) 领导的演进，旨在将这些平台标准化到 5G 新空口 (NR) 框架内。这种整合旨在实现三个主要目标：将无线覆盖扩展到服务不足的农村和偏远地区，在自然灾害期间为应急通信提供弹性备份，以及分流地面基础设施已达极限的高度拥挤城市环境的流量。
根据由帕多瓦大学的 Francesco Rossato、Mattia Figaro 和 Alessandro Traspadini 领导的研究小组的说法，LEO 卫星对这些网络特别具有吸引力。LEO 星座在 500 至 2,000 公里的高度运行，其延迟明显低于运行在 35,786 公里高空的传统地球静止轨道 (GEO) 卫星。这种邻近性允许提供宽带速度的互联网，并支持从自动驾驶汽车导航到环境监测和智能电网管理的各种现代应用。研究强调，虽然 LEO 卫星提供了宽广区域的连接，但其快速的轨道运动引入了一系列独特的技术复杂性，这是陆地 5G 最初设计时从未考虑过的。
全栈协议设计中的技术障碍
从地面基站塔向空间基站的过渡，需要对从物理 (PHY) 层到传输层的“全栈”协议设计进行根本性的重新思考。研究人员确定的最显著障碍之一是路径损耗。信号在穿过大气层时会受到降雨、云层和电离层闪烁造成的严重衰减。此外，由于卫星相对于地面用户的运动速度极快，它们会产生显著的多普勒频移——即可能破坏设备与网络之间同步的频率变化。如果这些偏移得不到精确补偿，连接就会变得不稳定或完全失效。
在介质访问控制 (MAC) 层，主要挑战是巨大的距离。即使以光速传播，到达卫星的传播延迟也远大于到达附近蜂窝塔的延迟。这种延迟使信道估计、资源分配和调度等关键程序变得复杂。例如，传统的 5G 网络使用一种称为混合自动重传请求 (HARQ) 的过程来处理数据错误。在地面设置中，重传的“等待时间”是毫秒级的；而在卫星网络中，这种延迟可能会使整个数据流停滞。研究人员认为，如果不大幅修改资源管理方式以及卫星之间的切换执行方式，网络将面临严重的瓶颈并导致吞吐量降低。
3GPP 标准化与 5G NR-NTN
通往统一网络的道路正在通过 3GPP 标准化进程被制度化。研究人员详细介绍了从引入首个卫星直连手机规范的 Release 17，到未来版本（如 Release 20）的发展历程。当前标准中的一个关键假设是“透明”载荷模型，即卫星充当“弯管式”中继，仅在地面网关和用户设备之间放大并转发信号。然而，随着技术的成熟，业界正在推动“再生”载荷，即卫星本身执行星上处理，有效地充当轨道上的基站 (gNB)。
为了验证他们的理论，包括来自帕多瓦大学的 Michele Zorzi 和 Marco Giordani 以及来自丰田汽车北美公司的 Takayuki Shimizu 在内的研究团队，使用 ns-3 离散事件模拟器进行了广泛的端到端系统级模拟。与许多仍处于概念阶段的现有文献不同，这项研究提供了关于特定设置如何影响网络性能的数值证据。他们的模拟证明了时分双工 (TDD) 中保护间隔 (GPs) 的至关重要性，并展示了大型卫星小区中的差分延迟如何导致定时对齐偏差，从而降低用户体验。这种实证方法对于 3GPP 进一步完善 5G NR-NTN 生态系统的标准至关重要。
详细发现：重传与传输延迟
研究人员在 ns-3 模拟环境中的发现表明，对于卫星网络，必须显著增加 HARQ 进程（管理数据重传的机制）的数量。在标准地面 5G 中，几个进程就足够了，但在 NTN 环境下，长往返时间 (RTT) 意味着必须并行运行更多进程才能保持数据链路活跃。如果没有这种调整，发射机的大部分时间将花在等待确认而不是发送新数据上。此外，研究强调了一种“停滞”效应，即 MAC 层无法跟上长延迟，导致更高级别的传输控制协议 (TCP) 急剧降低其传输速率，从而进一步削弱连接速度。
团队还调查了大型小区规模的影响。单个卫星波束可以覆盖数百平方公里，导致“差分延迟”，即波束中心的用户与边缘的用户经历不同的传播时间。模拟结果表明，网络必须实施复杂的定时提前机制，以确保来自不同用户的信号在到达卫星时不会发生碰撞。这些发现强调了“卫星感知”协议栈的必要性，该协议栈可以动态调整以适应轨道动力学和非地面通信中涉及的巨大距离。
商业影响：Starlink 与向标准化 5G 的迈进
目前，NTN 的商业版图由 SpaceX 的 Starlink 等主要卫星供应商主导，Starlink 已经开始部署“手机直连”技术。然而，许多当前的卫星服务依赖于专有的硬件和软件。Rossato 等人的研究表明了重大的行业转变：从这些封闭的专有系统转向标准化的 5G 硬件。这种转变将允许标准的消费级智能手机连接到卫星，而无需专门的天线或芯片，这一发展将使卫星连接商品化，并将其整合到标准的蜂窝套餐中。
这不仅对 5G，而且对即将到来的 6G 时代都具有深远的影响。通过现在建立标准化的 NTN 基础，该行业正在为一个真正的 3D 网络架构奠定基础，其中地面塔、无人机和卫星在一个协调的网格中工作。参与这项研究的丰田等主要汽车制造商对此尤为感兴趣，以提升联网车辆的安全性。理论上，一辆穿过偏远山口的汽车应该能从丢失的地面信号无缝切换到卫星信号，从而使高清导航地图或紧急呼叫保持不中断。
展望未来：全球连接的未来
展望未来，研究团队指出了几个将定义电信未来十年的“开放性问题”。未来的标准化活动必须解决更复杂的路由场景，特别是对于星间链路 (ISL)，其中数据在发送到地面站之前在空间的卫星之间进行跳跃。此外，将人工智能 (AI) 和机器学习 (ML) 集成到协议栈中，可以实现预测性切换管理，预测用户何时会失去与一颗卫星的视距，并主动将连接切换到星座中的下一颗卫星。
主流采用的时间表正在加快。随着 3GPP Release 17 和 18 奠定的基础工作，以及帕多瓦大学与丰田等产学研合作伙伴提供的严格模拟数据，从“无信号”到“永远在线”的转变已不再是是否会发生的问题，而是何时发生的问题。正如该论文（目前已提交至 IEEE 发表）所暗示的，5G NR-NTN 的演进不仅仅是蜂窝技术的渐进式更新，而是互联网本身边界的激进扩张，将天空变为全球数字基础设施的下一个伟大层级。
- 主要作者：Francesco Rossato, Mattia Figaro, Alessandro Traspadini (帕多瓦大学); Takayuki Shimizu (丰田汽车北美公司)。
- 机构支持：意大利帕多瓦大学；美国丰田汽车北美公司；欧盟国家复苏与弹性计划 (NRRP)。
- 关键方法论：使用 ns-3 离散事件模拟器进行端到端系统级模拟。
- 发表状态：已提交至 IEEE 发表 (arXiv:2601.14883v1)。
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