3GPP NTN從R14到R20：衛星通信如何一步步融入蜂窩網絡標準

回顧移動通信的發展歷程，每一代技術更迭背后都有其驅動力與演進邏輯。從1G到5G，傳輸速率持續提升，通信時延不斷降低，連接范圍從人與人擴展至物與物。那么，我們究竟在追逐什么？說到底，我們追逐的方向就是6G的核心愿景：構建覆蓋太空、天空、陸地、海洋的全域互聯網絡。下面將從1G到5G的進化之路出發，闡述6G的核心愿景與技術指標，引出空天地海一體化網絡作為實現6G愿景的關鍵路徑，并介紹3GPP非地面網絡（Non-Terrestrial Network, NTN）的標準化進展如何從產業層面推動這一愿景走向現實。

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從1G到5G：移動通信的進化之路

圖1. 移動通信發展歷程

自20世紀80年代誕生以來，移動通信技術大致以十年為周期完成一次代際更迭。每一代技術的演進，都伴隨著傳輸速率、業務類型和網絡架構的根本性變革，深刻影響著人類社會的生活方式與生產模式。

第一代移動通信技術

First Generation, 1G

誕生于20世紀70年代末至80年代初，其歷史使命是實現語音通話的無線化，徹底打破了電話機對物理線纜的依賴。1978年，貝爾實驗室在芝加哥啟動了名為“高級移動電話系統（Advanced Mobile Phone System, AMPS）”的實地測試；后一年，日本電報電話公司（Nippon Telegraph and Telephone, NTT）便在在東京推出了世界上第一個商用蜂窩網絡，標志著蜂窩通信時代的正式開啟。1G基于模擬信號傳輸，主要采用頻分多址（FDMA）技術，將頻譜劃分為不同的頻率通道分配給用戶；1G還引入了蜂窩網絡概念，將服務區域劃分為多個小區，每個小區由一個低功率發射機提供服務。1G的核心突破在于打破了固定電話的物理束縛，使“隨時隨地通話”成為可能。然而，模擬信號傳輸存在抗干擾能力弱、語音品質低、易被竊聽等缺陷，網絡容量也十分有限，僅有2.4 Kbps。以摩托羅拉“大哥大”為代表的終端設備體積龐大、價格昂貴，移動通信在當時仍是少數人的特權。

第二代移動通信技術

Second Generation, 2G

于20世紀90年代商用，標志著移動通信從模擬時代邁入數字時代。2G采用數字信號傳輸技術，以歐洲主導的全球移動通信系統（Global System for Mobile Communications, GSM）和美國高通公司提出的碼分多址（Code Division Multiple Access, CDMA）系統為代表。數字傳輸帶來了通話質量的顯著提升，可達64 Kbps，同時手機終端開始小型化、輕量化。更重要的是，2G首次引入了能夠發送文本消息的短信（Short Message Service, SMS）業務，隨后又引入了圖片消息，開啟了移動通信從單純的語音通話向數據業務拓展的進程。這一時期，移動通信開始走入尋常百姓家，用戶規模迅速擴大。

第三代移動通信技術

Third Generation, 3G

于21世紀初商用，目標是實現“移動多媒體通信”。3G以寬帶CDMA技術為基礎，其數據速率至少達到2Mbps，實際使用速率達到數百kbps，是2G的約3倍。全球形成三大主流標準：歐洲的寬帶碼分多址（Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA）、美國的CDMA2000，以及中國自主研發的時分同步碼分多址（Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access, TD-SCDMA）。3G的落地推動了移動通信的質變：網頁瀏覽、電子郵件、在線視頻等移動互聯網服務成為可能，視頻通話從概念變為現實。更重要的是，3G時代催生了智能手機的普及，隨著2007年第一代iPhone發布以及安卓系統迅速崛起，應用商店生態開始形成，移動電商、社交網絡等新興產業加速崛起，移動通信與互聯網實現了首次深度融合。

第四代移動通信技術

Fourth Generation, 4G

于2010年代大規模商用，以長期演進（Long-Term Evolution, LTE）技術為核心，采用正交頻分復用（Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM）和多輸入多輸出（Multiple-Input Multiple-Output, MIMO）等關鍵技術，構建了全IP網絡架構。中國主導的時分長期演進（TD-LTE）與全球主流的頻分雙工長期演進（FDD-LTE）共同構成了4G技術體系。4G的峰值速率可達100Mbps以上，理想條件下甚至突破1Gbps，是3G的數十倍。這一突破徹底引爆了移動互聯網應用：高清視頻流暢播放、實時在線游戲無延遲、大文件高速下載成為常態；短視頻、直播、在線教育、遠程辦公等新業態蓬勃發展；移動支付全面普及，深刻改變了社會消費模式。4G時代實現了“人人互聯”的全面滲透，移動通信成為數字經濟的重要基礎設施。

第五代移動通信技術

Fifth Generation, 5G

于2019年正式商用，是移動通信發展史上的又一次重大飛躍。5G的核心特征可概括為三大應用場景：增強移動寬帶（enhanced Mobile Broadband, eMBB）峰值速率可達20 Gbps、超高可靠低時延通信（ultra-Reliable and Low-Latency Communications, URLLC）要求空口時延低至1毫秒、海量機器類通信（massive Machine-Type Communications, mMTC）則支持每平方公里100萬個設備的并發連接。5G引入了網絡切片、移動邊緣計算、大規模MIMO等關鍵技術，不僅服務于個人用戶，更將連接對象擴展至工業設備、智能家居、車聯網等垂直行業，開啟了“萬物互聯”的新時代。

然而，5G在實際部署中也暴露出一些局限性。一方面，5G網絡高度依賴地面蜂窩基站，覆蓋范圍主要集中在城市和人口密集區域。據統計，現有地面網絡僅覆蓋地球表面約20%的陸地面積，大量偏遠地區、海洋、荒漠、極地等仍無法獲得有效的網絡服務。另一方面，5G的峰值速率和時延指標雖然較4G有大幅提升，但面向未來全息通信、遠程精準操控、數字孿生等場景仍顯不足。此外，5G基站的功耗和建設成本較高，在偏遠地區部署的經濟性面臨挑戰。這些局限性為下一代移動通信技術的發展指明了方向。

從1G到5G，移動通信的發展歷程呈現出一條清晰的軌跡：傳輸速率持續提升，通信時延不斷降低，連接范圍從人與人擴展至物與物。這一演進的背后，是技術突破與應用需求之間的相互驅動。每一代通信技術并非對前一代的簡單否定，而是在繼承核心能力的基礎上，針對新的業務場景進行關鍵技術創新，從而拓展了移動通信的應用邊界，使其角色從最初服務于個人通話，逐步深入到產業領域，并最終成為支撐社會運行的基礎信息設施。

02

6G的核心愿景與技術指標

第六代移動通信技術（Sixth Generation, 6G）面向2030年及未來的信息社會需求，其研究已于2020年前后在全球范圍內啟動。與5G相比，6G不再僅僅追求速率的線性提升，而是致力于構建通信、感知、計算、智能深度融合的新型信息基礎設施。

從國家戰略層面看，6G的發展已從技術儲備階段轉向全鏈條推進階段。2026年3月通過的“十五五”規劃明確提出，要“推動量子科技、生物制造、氫能和核聚變能、腦機接口、具身智能、第六代移動通信等成為新的經濟增長點”，同時要求“推進第五代移動通信演進（5G-A）、萬兆光網建設發展和第六代移動通信（6G）技術創新”。這意味著6G已被正式納入國家未來產業發展重點，其戰略定位從“技術前瞻”升級為“經濟增長新動能”。

01

6G總體愿景

圖2.6G核心愿景示意圖

6G的總體愿景可概括為“一念天地，萬物隨心”，這一愿景包含四個核心關鍵詞：智慧連接、深度連接、全息連接和泛在連接。

智慧連接指人工智能與通信網絡的深度融合。5G中AI更多作為網絡優化與數據分析工具，而6G將從設計之初就將人工智能內嵌為網絡的原生能力。6G網絡將實現自感知、自學習、自優化和自演進，同時以“網絡即服務”（Network as a Service, NaaS）的形式向用戶開放智能能力；也就是說，可以將網絡的連接能力、分布式算力以及智能資源統一抽象為標準的、可編程的能力，它支持各類復雜業務進行按需靈活調用。國際電信聯盟（International Telecommunication Union, ITU）在《IMT面向2030及未來發展的框架和總體目標建議書》中，已將“人工智能與通信融合”列為6G的六大典型場景之一。

深度連接強調通信從傳統的信息“連接”向“感知與交互”的深化。5G的URLLC場景主要關注數據傳輸的可靠性和時延，而6G將在此基礎上支持觸覺互聯網（Tactile Internet），不僅傳輸視覺和聽覺信息，還能傳遞觸覺、力覺、溫度等多維感官信息，實現人與機器、機器與機器之間的實時精準交互。遠程精準機器人手術、工業數字孿生協同、全向虛擬操控等極端苛刻的應用將因此獲得突破性進展。此外，深度連接還意味著網絡對物理世界感知能力的本質提升，通過通信感知一體化（Integrated Sensing and Communications, ISAC），網絡可實時獲取高精度的環境狀態，實現對物理世界的精準數字化映射與深度數據挖掘。

全息連接指向未來沉浸式通信體驗。當前以4K/8K視頻為代表的高清多媒體已逐步普及，而6G將支持更高維度的信息交互。全息通信通過重建光場的振幅和相位信息，使用戶無需佩戴特殊設備即可裸眼觀看立體影像。高保真擴展現實（eXtended Reality, XR）業務將融合視覺、聽覺、觸覺等多模態信息，用戶可隨時隨地享受身臨其境的沉浸式交互體驗。為了突破人體的感知極限并實現高保真的全息通信，網絡必須具備高達Tbps量級的峰值數據速率，以及亞毫秒級（<1 ms，甚至逼近 10-100 μs）的端到端極低空口時延指標。

泛在連接要求突破地面網絡的覆蓋限制。5G雖然已開始關注物聯網連接，但覆蓋范圍仍以地面為主。6G將通過融合地面網絡與非地面網絡（NTN），構建覆蓋太空、空中、陸地、海洋的全域立體網絡，實現任何時間、任何地點的無縫寬帶接入。面向未來，無論是深海探測器、極地科考站、遠洋船舶，還是高空通信平臺、低軌航天器，都將作為核心節點融入6G網絡。泛在連接的實現，將從根本上消除數字鴻溝，使全球所有人口都能平等地享受高質量地寬帶通信服務。

02

6G典型應用場景與關鍵性能指標

2023年6月，ITU無線電通信部門（ITU-R）第44屆會議正式通過了《IMT面向2030及未來發展的框架和總體目標建議書》，明確了6G（IMT-2030）的六大典型應用場景：沉浸式通信、超大規模連接、超高可靠低時延通信、泛在連接、人工智能與通信融合、通信感知一體化。這些場景共同勾勒出6G的能力藍圖。

為滿足上述六大場景的需求，ITU定義了6G的關鍵性能指標，可分為增強型指標和新增指標兩大類。

增強型指標是在5G基礎上進一步逼近物理極限的性能參數。峰值速率方面，根據不同場景的評估，6G的目標設定在50 Gbps至200 Gbps之間，而在某些特定極致場景下有望突破1 Tbps的量級，同時用戶體驗速率要求大幅攀升至300 Mbps甚至Gbps級別。用戶體驗速率方面，6G要求達到1Gbps以上。頻譜效率方面，6G要求較5G提升1.5至3倍甚至更高。連接密度方面，6G目標達到每平方公里支持106至108臺設備并發接入。時延方面，6G空口時延進一步被壓縮至0.1到1毫秒之間。可靠性方面，6G要求達到99.99999%（7個9）的極高標準。移動性方面，6G要求支持最高1000公里/小時的移動速度。此外，為了支持超高速高鐵或航空器，6G的移動性要求能夠支持最高500至1000公里/小時的移動速度.

新增指標是6G相較于5G全新引入的能力要求，標志著網絡功能從單一的信息傳輸轉向多維的能力。覆蓋方面，6G要求實現空天地海全域覆蓋。定位精度方面，6G在定位精度上提出了1至10厘米的嚴標準。感知相關指標方面，6G要求具備對目標的檢測、定位、識別和成像能力。AI相關指標方面，6G要求支持分布式訓練和推理?？沙掷m性方面，6G要求網絡能效較5G提升10至100倍?；ゲ僮餍苑矫妫?G要求支持多種接入技術的無縫融合。

這些指標的實現，需要突破太赫茲通信、星載智能處理器、超大規模天線等核心技術?！笆逦濉币巹潓Υ俗龀隽嗣鞔_部署，要求“聚焦戰略必爭領域和產業鏈供應鏈薄弱環節，采取超常規措施，全鏈條推動關鍵核心技術攻關取得決定性突破”，為6G技術指標的落地提供了政策保障。

從這些指標可以看出，6G并非5G的簡單升級，而是從“連接”向“融合”的轉變。其中，泛在連接所要求的空天地海全域覆蓋，是6G區別于前幾代移動通信的核心特征之一。

03

空天地海一體化：

實現6G愿景的關鍵路徑

在6G的六大典型場景中，泛在連接被列為獨立場景，同時其他場景（如沉浸式通信、超高可靠低時延通信）的落地也依賴于網絡覆蓋的廣度和連續性。然而，傳統的地面蜂窩網絡受限于基站部署的極高資本支出與復雜的地理環境，目前僅能覆蓋全球約20%的陸地面積和約6%的地球表面積，大量偏遠地區、海洋、荒漠、極地等仍處于通信盲區。這一覆蓋缺口，成為制約6G愿景實現的核心瓶頸之一。

衛星通信被公認為是填補這一覆蓋盲區的有效手段。一顆高軌（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛星可覆蓋地球表面約三分之一區域，低軌（Low Earth Orbit, LEO）衛星星座可通過數百至數千顆衛星實現全球覆蓋。然而，衛星通信也存在明顯局限：高軌衛星信號傳輸時延長（單程約120毫秒），難以滿足低時延業務需求；低軌衛星雖時延較短，但單星容量有限，難以支撐高密度用戶的寬帶接入。與此同時，地面通信在人口密集區域具有高容量、低時延的顯著優勢，但其覆蓋范圍受限。

由此可見，地面通信與衛星通信各有優劣，單一網絡無法同時滿足6G對覆蓋廣度、連接密度、傳輸時延和業務容量的綜合需求。將兩者深度融合，形成優勢互補，是6G實現全域覆蓋的必然選擇。這正是空天地海一體化網絡的核心使命——通過整合天基、空基、地基、?；W絡資源，構建一個覆蓋全球、協同工作的立體化通信網絡，從根本上消除通信盲區，使6G的“全域覆蓋”愿景成為可能。

空天地海一體化網絡的建設，不僅是通信架構的演進，更將在多個層面產生深遠影響。在基礎層面，它消除海洋、荒漠、極地等傳統通信盲區，使6G“泛在連接”愿景中“任何時間、任何地點”的接入承諾成為現實。在經濟層面，它為海洋經濟、低空經濟、智慧物流等產業提供關鍵基礎設施支撐，6G網絡的高速率、低時延特性將使遠洋航運實現全程實時監控、低空無人機物流突破視距限制、航空乘客在萬米高空享受高速互聯網服務成為常態。在社會層面，6G的廣域覆蓋能力使偏遠地區的居民能夠接入寬帶互聯網，享受遠程教育、遠程醫療等公共服務，有助于縮小數字鴻溝、促進社會公平。

04

3GPP NTN演進路線

圖3. 3GPP NTN演進路線示意圖

非地面網絡（NTN）是空天地海一體化網絡在標準化領域的具體體現。第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project, 3GPP）從Release 14開始研究衛星通信與蜂窩網絡的融合潛力，經過多個版本的持續推進，逐步形成了較為完善的NTN技術標準體系。

在標準化歷程方面，Release 14至Release 15為可行性研究階段。3GPP從Release 14 開始成立“NR支持NTN的解決方案”工作組，探討NR空口傳輸技術用于NTN場景的可行性，Release 15階段完成了NTN部署場景和信道模型的初步研究，明確了將衛星通信納入5G系統的技術方向，為后續標準化工作奠定了基礎。Release 16為解決方案研究階段，進一步研究了NTN的系統解決方案，提出了透明轉發和星上再生兩種組網架構，并初步分析了NTN對高層協議、物理層技術的潛在增強需求，明確了NTN的技術路線。Release 17為首個NTN標準版本，于2022年6月凍結，是NTN標準化的里程碑，首次形成了面向NTN的端到端技術規范，支持手持終端直連衛星的短信、語音和窄帶數據業務，透明轉發模式下的時頻同步、移動性管理等關鍵技術得到規范，標志著NTN技術從研究走向標準化，為產業界開發NTN設備和開展網絡部署提供了技術依據。Release 18為能力增強階段，作為5G-Advanced的首個版本，進一步增強了NTN能力，主要包括支持10GHz以上頻段部署、覆蓋增強、移動性和服務連續性優化、星上本地數據交換等，使NTN從“能通信”向“高質量通信”邁進。Release 19及以后將面向6G演進，重點研究星上再生模式，增強衛星間的協同通信能力，預計Release 20及后續版本將結合5G NTN遺留問題以及6G需求，針對多頻段管理、高低軌衛星協同、核心網能力增強以及星地頻譜共享等方面開展進一步研究。

在組網架構方面，3GPP NTN定義了透明轉發模式和星上再生模式兩種架構。透明轉發模式（也稱彎管模式）中，衛星僅起到中繼器的作用，對信號進行射頻濾波、頻率轉換和放大，不改變信號波形，基站位于地面信關站之后，衛星只是將用戶終端的信號轉發至地面基站。這種模式的優點是衛星設計簡單、成本較低，可復用現有透明轉發衛星資源，缺點是信號處理完全依賴地面，星地間需傳輸大量數據，對饋電鏈路帶寬要求高，且端到端時延較大。星上再生模式中，衛星集成了部分或全部基站功能，可對信號進行解調、解碼、路由、編碼和調制。星上再生模式又可分為兩種子類型：基站部分功能上星（DU上星）和基站全部功能上星（gNB上星）。在DU上星架構中，衛星搭載分布式單元，集中單元位于地面；在gNB上星架構中，衛星搭載完整的基站功能。星上再生模式的優點是可在衛星之間建立星間鏈路，減少對地面信關站的依賴，降低端到端時延，缺點是衛星設計復雜、成本較高，需解決星上處理能力、功耗、散熱等工程問題。

在關鍵技術增強方面，為適應衛星通信場景的特點，3GPP NTN對5G NR協議進行了多項增強。時頻同步增強方面，低軌衛星的高速運動帶來顯著的多普勒頻移（S波段可達±48kHz，Ka波段可達±720kHz），遠超地面5G系統的設計值，為此NTN引入了基于星歷的頻偏預補償機制：衛星廣播自身星歷信息，終端結合全球導航衛星系統定位計算相對速度和位置，在發射上行信號前自主完成多普勒頻偏的預補償。時序關系增強方面，衛星通信的傳播時延遠大于地面網絡（GEO單程約120~140毫秒，LEO約2~7毫秒），超出5G NR原有定時參數的范圍，NTN引入了基于時間提前量（Timing Advance，TA）增強的補償機制，即小區級偏移量和UE專用偏移量，用于調整初始接入和數據傳輸過程中的上下行交互定時關系，解決大尺度傳播時延帶來的時序問題。移動性管理增強方面，低軌衛星的快速運動導致用戶需頻繁切換服務衛星（每顆衛星的可見時間通常為數分鐘），NTN引入了基于時間和位置的條件切換機制，用戶可根據衛星星歷預判切換時機，提前完成目標衛星的資源預留，實現零中斷切換。HARQ增強方面，長傳播時延使5G原有的16個HARQ進程數不足以維持連續傳輸，NTN將HARQ進程數擴展至32個，并支持禁用HARQ反饋（適用于時延敏感業務），由RLC層的ARQ機制保障可靠性。

面向6G，NTN將從“體制兼容”走向“系統融合”。在6G時代，衛星網絡不再僅僅是地面網絡的補充，而是與地面網絡平等融合，形成統一的空天地一體化網絡。用戶終端可在衛星和地面網絡之間無感知切換，享受一致的通信體驗。星間激光鏈路、星上AI處理、軟件定義載荷等新技術將進一步提升NTN的性能和靈活性。按照3GPP的標準化路線圖，預計到2029年前后，首個完整的6G國際標準將完成制定，為2030年前后的6G商用奠定基礎。在這一進程中，NTN將從5G時代的“地面網絡的補充”，逐步演變為6G時代“空天地海一體化網絡”的核心組成部分。

結 語

回望來路，1G讓我們擺脫了電話線的束縛，2G開啟了數字通信與短信時代，3G將移動通信與互聯網首次深度融合，4G引爆了移動互聯網應用，5G則邁出了萬物互聯的第一步。每一代技術更迭，都在回答同一個問題：如何讓連接更快、更廣、更智能。面向6G，這條追逐之路的方向已經清晰——空天地海一體化網絡將消除最后的通信盲區，使任何時間、任何地點的無縫接入成為現實。而3GPP非地面網絡（NTN）標準的持續推進，正是產業界將這一愿景變為現實的實質性步伐。技術不會停下腳步，追問也不會終止。當我們站在6G的門檻上回望，或許會發現：我們真正追逐的，從來不只是速率和指標，而是一個始終在線、無處不在的數字世界。

研究團隊介紹

研究團隊為寧波東方理工大學6G空天地海一體化網絡實驗室。團隊負責人為尚博東，現為寧波東方理工大學助理教授、博士生導師。研究團隊深耕于6G空天地海一體化網絡研究領域，研究方向包括星地融合網絡、低軌衛星通信與組網、非地面網絡等。

寧波東方理工大學目前與上海交通大學、中國科學技術大學、香港理工大學進行博士生聯合培養（滿足學位和畢業要求，將發放聯培院校學位證和畢業證）。研究團隊目前招博士后、博士生、實習生。

>End

本文轉載自“6G空天地海一體化網絡”，原標題《從1G到6G，我們究竟在追逐什么？》。

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