非地面網路的優勢、挑戰與應用

什麼是非地面網路 (NTN)？

非地面網路 (NTN)是結合空中或太空資產以及地面資產的通訊網路。這些混合網路應用衛星通訊 (SATCOM) 技術來擴展現有的行動通訊。非地面網路或 NTN 通常是指連接蜂巢世界與衛星連結的網路，以及如何讓終端使用者直接存取衛星網路。

隨著 6G 的到來，NTN 正在發展以支援超低延遲、高輸送量連線，並與地面網路無縫整合，實現即時遠端操作、沉浸式擴展實境 (XR) 和全球物聯網覆蓋等進階應用。

今日的新太空競賽主要著重於NTN，因為政府和企業都在尋求提升通訊、監視、感測和監控能力。NTN 是最新的 SATCOM 演進，也是太空商業化的主要支持者。NTN具有相當大的固有複雜性，因為非地面網路使用 NTN 衛星進行回程通訊，使其從純粹的中繼轉換成關鍵元件。

何謂非地面網路 (NTN)？

An NTN 是指包含非實體位於地球上的節點之網路。雖然我們主要將衛星視為 NTN 的一部分，但其他組成部分可能包括低空平台 (LAP)、高空偽衛星 (HAPS)、無人機、氣球和無人飛行載具 (UAV)，這些都可作為基地台，並在 6G NTN 架構中日益受到重視。 

目前大多數開發都著重於裝置對裝置 (D2D) 衛星連線，這由 3GPP Release 17 及更高版本啟用，允許標準智慧型手機使用 5G NR NTN 協定直接與衛星通訊。

每個非地面網路 (NTN) 都設有多個服務節點，用於連接衛星網路與地面網際網路。光纖鏈路將地面站相互連接，而雷射光學鏈路則日益廣泛地應用於衛星之間，提供高速、低延遲且抗干擾的通訊，這對於 6G NTN 的可擴展性至關重要。從地面上的衛星閘道，寬頻鏈路將行動網路連接到衛星星系，其饋電鏈路現在透過光學衛星間鏈路 (OISL) 和雷射通訊系統，可達到高達 200 Gbps 的速度，這已由美國太空總署 (NASA) 和 Starlink 等商業營運商所展示。這些服務節點連接到一個或多個閘道。此圖說明了這些閘道與衛星之間的鏈路，作為地面基地台的寬頻回程鏈路。

非地面網路 (NTN) 是否只能在低地球軌道 (LEO) 運作？

非地面網路 (NTN) 運行於地球同步軌道 (GEO)、中地球軌道 (MEO) 和低地球軌道 (LEO)。6G NTN 研究包括高橢圓軌道 (HEO) 和超低地球軌道 (VLEO)，以支援超低延遲和全球覆蓋，特別是針對行動通訊和物聯網應用案例。目前 5G NTN 的主要應用集中在地球同步軌道和低地球軌道。如今，低地球軌道衛星的爆炸性成長，為商業、政府和軍事產業的大多數非地面網路應用案例奠定了基礎。低地球軌道衛星的延遲低至 6–30 毫秒，相較於中地球軌道約 150 毫秒和地球同步軌道約 280 毫秒，這使得低地球軌道非常適合直接對裝置連線等即時應用。

每個軌道都會為通訊網路帶來不同的挑戰。對於 LEO 衛星，其運行距離較近，但移動速度更快。由於距離較近，您可以實現從衛星到地面的低延遲通訊。相較之下，傳統的 GEO 衛星提供長時間的固定連接，但該軌道上的衛星與地面站之間的訊號路徑延遲時間更長。這個過程會根據訊號在各點之間傳輸的次數，呈指數級增加延遲。例如，如果衛星必須環繞地球，就會產生明顯的延遲。

延遲也發生在儲存轉發情境中。在此，衛星接收訊號後，稍後當其與目標地面站建立可視性時，再傳輸該訊號。這種情況通常稱為不連續傳輸。

NTN 有哪些優點？

NTN 的主要優勢是擴展覆蓋範圍。農村地區、島嶼和偏遠社區等偏遠和服務不足的地區可從這項技術中受益。NTN 還可為海上船舶、飛行中的飛機、無人機、自動駕駛車輛和穿戴式裝置提供服務，支援未來以行動為中心的 6G 情境中的無縫連接。NTN 使網路服務供應商能夠在原本未開發的市場中營運，並提供超越傳統地面網路能力的優質服務。NTN 透過其衛星傳輸和接收更多資訊，用於通訊和資料傳輸，從而滿足不斷增長的資料需求。機器對機器 (M2M) 和大規模物聯網應用，包括智慧農業、自主物流、氣候感測和工業自動化，受益於 6G 中 AI 增強的低功耗 NTN 連接。 

非地面網路 (NTN) 也為現有5G網路增添一層韌性與備援。在自然災害、區域衝突或網路中斷的情況下，6G時代的NTN可提供分散式、AI驅動的架構，實現快速復原，並在災害期間提供優先的緊急服務，確保即使地面基礎設施失效，也能實現超可靠、低延遲通訊。分散式LEO衛星星系的優勢在於，它將風險和成本分散到數百或數千顆衛星上。 

透過加強非地面通訊，NTN 可提供多項優勢，包括

• 普遍覆蓋
• 關鍵緊急支援改進。
• 透過感測能力實現的農業診斷增強功能。
• 準確監測地球和氣候變數。
• 有效分散多個衛星的風險和成本費用。
• 進階氣候與環境感測，用於即時監測空氣品質。

NTN 面臨哪些挑戰？

NTN 及其應用面臨許多挑戰，而且隨著這些網路的演進，還會出現更多的障礙。

太空環境：空間是 NTN 所面臨的首要挑戰。一旦部署，設備就無法進入。此外，系統必須在極端溫度和輻射的極端惡劣環境下運作。為了達到成功的效能，系統還必須提供穩定的發電和儲存。在太空中建置網狀網路會增加發生問題的機會，因而使這些複雜性更加嚴重。

尺寸、重量、功率和成本：另一個考量是將高頻射頻和運算資源放置於空中的物理限制。當從地球同步軌道 (GEO) 的 20 噸級衛星轉向更緊湊的低地球軌道 (LEO) 衛星和高空平台站 (HAPS) 時，尺寸、重量、功率和成本 (SWaP-C) 便成為問題，酬載也必須隨之轉變。6G NTN 設計正透過區分衛星角色來緩解 SWaP-C 的限制：服務衛星專注於使用者連結，而饋線衛星則處理無線存取網路 (RAN) 和核心功能，以最佳化酬載質量和功率使用。

在不斷的運動中連接：非地面網路會讓某些東西，或網路中的所有東西，不斷移動。NTN 衛星和 HAPS 的移動會影響連線設定、訊號品質和轉換。在 5G NTN 中，高空飛行的 gNodeB 實體和無線存取網路 (RAN) 部分會增加地面上任何使用者設備 (UE) 的移動。

酬載選擇：透明或再生酬載的選擇可以完全改變網路的組織方式和由此產生的訊號路由。隨著低軌道衛星的移動，所有時序關係都是動態的。關鍵在於服務品質 (QoS) 的使用者體驗，這主要是由於可變延遲和複雜的切換可能導致連線中斷。 在 6G NTN 中，再生酬載正日益受到關注，它能夠實現機載 gNodeB 功能和衛星間鏈路 (ISL)，以改善覆蓋範圍、延遲和行動性管理，而透明酬載則保持簡單，但嚴重依賴地面基礎設施。

延遲：訊號傳輸的延遲源於訊號在地面和衛星之間傳送。 雖然傳統 NTN 面臨延遲限制，但 6G NTN 研究正朝著支援 3GPP 超可靠低延遲通訊 (URLLC) 使用案例的方向發展，透過太赫茲通訊、可重構智慧表面 (RIS) 和 AI 驅動路由等技術，目標是實現亞毫秒級延遲和 99.99999% 的可靠性。

安全性： 雖然分散式 LEO 衛星星座將成本和風險分散到多顆衛星上，但當硬體經過不友善的領土時，它仍然容易受到攻擊。國家安全需求對網路保護和新穎操作提出了要求，以保護部署在太空中的基礎設施。例如，美國太空軍負責為所有軍事和政府部門執行這項任務。6G NTN 引入了新的網路安全挑戰，包括 AI 漏洞利用、量子駭客風險和語義感知威脅。正在探索的解決方案包括情境感知驗證協定、基於區塊鏈的信任模型和 AI 驅動的異常檢測，以確保動態、分散式 NTN 環境的安全。

什麼是 5G NTN？

NTN 一詞通常包括第五代 (5G)蜂窩作為網路的一個方面。5G NTN 汲取了 5G 地面網路的許多特點，並面臨許多相同的挑戰，與早期的 SATCOM 網路相比，5G NTN 服務增加了更高的可靠性期望。基站通常是由地面上的塔組成的地面網路，正在從陸地轉移到空中和太空。5G 核心網路稱為下一代核心網路 (NGC)。5G NTN 由 UE 組成，UE 由手機或感測器等移動設備組成。如有需要，UE 會與基站通訊，每個基站稱為 gNodeB。

此配置是典型的 5G NTN 設定。然而，也存在許多變化。例如，並非所有 NTN 應用都需要 gNodeB。您可能有一個核心網路，它是直接連接到專屬系統上閘道的網際網路。另一種替代方法是將 NTN 用於邊緣運算，將網路邊緣放在衛星上。

5G NTN 架構存在多種方法。例如，空中資產或衛星可作為 UE 與 gNodeB 之間的彎管來運作。該裝置會在頻率 1 上接收訊號，並在頻率 2 上傳輸訊號，以促進廣泛地理範圍內的非地面網路通訊。在此模型中，請注意 UE 需要有足夠的功率和靈敏度，才能從衛星彎管傳送和接收訊號。gNodeB 只要能與 NTN 衛星彎管通 訊，就可以是地基式的。

另一種架構是將 gNodeB 設置在空中或太空資產本身。在此情況下，UE 會與該空中資產通訊。核心網路也連接到該空中或太空資產。其他範例則引入了中繼節點，以連接標準 UE 與衛星彎管 (bent pipe)，或連接 UE 與空中或太空 gNodeB。

5G NTN 的引入打亂了傳統的 5G 地面網路架構，開啟了連線模式的轉變。參與 gNodeB 和 RAN 網域的衛星和 HAPS 有許多替代方案，有些方案中的多顆衛星鏈分散在數英里的天空中。5G NTN 汲取了 5G 地面網路的許多特點，並面臨許多相同的挑戰，與早期的 SATCOM 網路相比，增加了對 5G NTN 服務更高可靠性的期望。

5G 和 6G NTN 之間有哪些主要差異？

5G NTN 是地面 5G 的附加功能，主要提供衛星或空中連接，以將覆蓋範圍擴展到偏遠或服務不足的地區，並基於 3GPP Release 17 和 18 中定義的增強功能。6G NTN 仍處於研究和早期標準化階段，其全部功能和差異化因素正由 3GPP、ITU 和領先的產業團體積極討論中。以下概述了主要方向和預期進展，但隨著技術探索和全球共識的演變，這些內容仍可能發生變化： 

原生 NTN-TN 整合: 協調非地面網路和地面網路是 6G 的核心提案，3GPP 和 ITU 的研究重點是共同設計，以實現無縫轉換和統一架構。這與 5G 的方法不同，5G 將 NTN 視為附加元件。這種整合的具體細節尚未最終確定，是全球研究和合作的主題。

進階定位與感測：研究計畫正在探討透過整合來自各種 NTN 層的訊號來實現公分級定位，潛在解決 GNSS 無法使用的定位問題。早期的 3GPP 和歐盟研究表明這可能是一個差異化因素，但技術和標準仍在發展中，具體方法尚未出現。

低延遲和大規模連接：6G NTN 旨在遠超 5G 的容量和可靠性，實現即時物聯網和無處不在的穩健行動寬頻等新應用。這些目標已被 ITU 和 3GPP 設定為研究目標，但驗證和可行性測試仍在研究和試點計畫中進行。

新波形和 AI 原生設計: 目前正在探索多種先進波形以及 AI 的原生整合，以實現動態資源分配。最近的產業專案報告提出了支援 AI 的 RAN 控制器和新的波形候選方案，但這些尚未完全標準化或經過商業驗證。

永續性和能源效率：6G-NTN 等倡議正積極定義永續性指標並探索綠色設計原則，這在早期成果中已得到強調。這些概念預計將在 6G 標準成熟時對其產生重大影響。

NTN 和衛星通訊是一回事嗎？

非地面網路預示著下一波衛星通訊 (SATCOM) 的到來，使衛星通訊成為蜂巢式網路的一部分。衛星通訊技術覆蓋難以到達的區域，這些區域沒有基礎設施或孤立平台來支援蜂巢式網路部署。衛星通訊的使用也為機器對機器 (M2M) / 物聯網提供了額外的可靠性，並為移動平台（例如飛機、火車和汽車）提供連線能力。

為了滿足 SATCOM 新的效能需求，衛星業者致力於達到更高的吞吐量、更寬的頻寬和更高的工作頻率。越來越多的網路也依賴於光電子連結。非地面網路也需要在自由空間、天氣、雲層和其他電離層條件下，仍能提供足夠的功率給接收器。鑑於 NTN 和 SATCOM 的複雜性日益增加，您必須使用真實的環境模型測試衛星通訊系統，為延遲訊號增加緩衝，並模擬滑動延遲以建立真實的衛星運動學。Keysight 支援整個地面和空中/太空工作流程中非地面網路的開發、製造、部署和維護，包括 5G NR NTN 衛星連結的測試。

Keysight 如何支援 NTN 用例？

Keysight 支援 NTN 使用個案的開發與持續效能驗證，例如以下項目：

• 未涵蓋區域的覆蓋範圍
• 適用於飛機、船舶、火車、巴士等交通工具的服務
• 人機與物聯網
• 寬鬆的延遲要求
• 服務可用性
• 5G Advanced / 6G 網路可擴充性

Keysight 提供端對端 NTN 測試環境，可虛擬化網路存取，甚至完整的衛星星座。使用 KeysightUXM5G 這款完全具備 NTN 功能的網路模擬設備，取代具備 NTN 功能的無線電網路。使用 KeysightPROPSIM信道模擬器重新建立衛星連結，並搭配 Keysight 先進的VXG微波信號產生器和 KeysightUXA信號分析儀。獲得對被測系統的完全控制，以及 NTN 節點和連結的完整可視性。您可以輕鬆地增加硬體來擴展頻率範圍，以涵蓋所有主要的 NTN 波段，例如 X 波段和 K 波段。

憑藉彈性的 Channel Studio 場景建立功能，您還可以測試真實的衛星無線電硬體以及節點和網路層級的解決方案。使用 Keysight WaveJudge 無線分析儀和在 UXA 訊號分析儀上執行的 Keysight PathWave 向量訊號分析 (VSA) 來排除效能問題。若要分析 WaveJudge 以外的 IQ 串流，您可以使用 PROPSIM 內部 IQ 擷取和串流功能。

您也可以在實驗室中產生真實的測試條件，結合 VXG 微波信號產生器與 PROPSIM 和UeSIM真實呈現使用者終端行為。進一步瞭解 Keysight 如何在您的整個工作流程中，支援 NTN 從地面到空中的持續發展，協助連接並確保未來通訊的安全。