5G 走向太空：非地面網路 (NTN) 核心挑戰與架構解析
將衛星通訊納入 5G 系統的想法，其實有種「似曾相識」的感覺，早在 1990 年代中期，國際電信聯盟 (ITU) 的 IMT-2000 倡議就描繪了 21 世紀全球無線接取的願景，目標是透過地面和衛星系統支援全球通訊，然而由於商業上和成本因素，這個夢想在當時並未實現；如今情況大不相同，無線技術的演進，特別是 5G 系統的靈活性與航太領域的革命並駕齊驅，低軌道 (LEO) 衛星星座的發射和部署不再是遙不可及的技術挑戰，而已成為現實。
ITU IMT-2000 計畫願景
5G NTN 的目標是讓地球表面或近地的 5G 使用者終端（UE）能夠連接到位於衛星上的非地面基地台，這項技術代表了無線通訊和航太這兩個主要市場生態系統的融合。
通訊與航太生態系統的融合，推動 NTN 演進至 6G 統一網路
3GPP (負責制定 5G 標準的組織) 在 Release 17 中首次將 NTN 連線納入標準，其願景主要分為兩大服務方向 ：
- NR-NTN： 支援 5G NR 的非地面網路，主要專注於行動寬頻 (eMBB) 服務。
- IoT-NTN： 支援透過衛星實現的物聯網服務，主要針對低數據速率、盡力而為 (best effort) 的機器類型通訊 (MTC) 。
NR-NTN (新無線電非地面網路)
IoT-NTN (物聯網非地面網路)
5G NTN 的架構與應用場景
5G NTN 的整體連線情境非常廣泛，涵蓋了從衛星通訊到高空平台系統 (HAPS)，甚至無人機 (UAV) 飛行控制等。
非地面網路整體連線概覽
關鍵應用場景
3GPP 定義了 NTN 的四大核心使用情境 ：
- 服務連續性 (Service continuity)：
在地面網路不可行的地方（如海域或偏遠地區）提供 RAT 覆蓋 。 - 服務普及性 (Service ubiquity)：
確保關鍵任務通訊 (MCX) 的永久系統可用性，特別是在地面網路因天災人禍中斷時（即公共保護與救災 PPDR）。 - 服務可擴展性 (Service scalability)：
提升流量導引策略，例如將流量從地面網路卸載到 NTN，以提高系統效率 。 - 5G 系統回程 (Backhaul)：
NTN 作為地面基地台（例如在偏遠地區）連接到核心網路的回程鏈路 。
衛星星座類型
NTN 的運作依賴於不同軌道上的衛星，主要類型包括：
- 低地球軌道 (LEO)：
高度約 500 至 2000 公里，繞行速度快（約 28,000 km/h），軌道週期約 90 分鐘；優點是延遲低（RTT < 30ms），發射成本較低；缺點是衛星壽命較短。 - 中地球軌道 (MEO)：
高度約 7000 至 25000 公里，GNSS 定位系統是 MEO 的著名例子。 - 地球靜止軌道 (GEO)：
高度固定在赤道上空 35,786 公里，相對地面保持靜止；優點是覆蓋範圍廣，波束足跡可達 4000 公里；缺點是延遲極高（RTT 約 544ms）。 - 高空平台系統 (HAPS)：
指飛機、氣球、無人機等空中載具，飛行高度可達 15 公里，RTT 非常低，類似地面網路，適用於熱點提供或短期系統恢復 。
衛星星座情境及其範例
核心網路架構
3GPP 討論了兩種主要的 NTN 網路架構：
透明酬載 (Transparent Payload)
也稱為「彎管」(Bent-pipe) 模式，在這個架構中，衛星的功能非常單純，就像一個太空中的中繼器，它接收來自地面的訊號，進行濾波、變頻和放大，然後將未改變的波形轉發回地球。
- 優點： 衛星設計簡單，且與無線電波形無關。
- 缺點： 會同時放大雜訊，容易受到干擾，且延遲包含了「UE 到衛星」和「衛星到地面站」的完整路徑。
- 5G 協定終點： 所有的 5G 協定（如 RRC）都在地面的 gNB 功能中終止 。
透明 NTN NG-RAN 架構
再生酬載 (Regenerative Payload)
在這個架構中，gNB（基地台）的功能被整合到衛星本身 。衛星具備星上處理 (OBP) 能力，可以對訊號進行解調、錯誤校正、路由，然後再重新編碼和發射 。
- 優點： 延遲降低（Uu 介面在衛星上終止），可支援星際鏈路 (ISL) 進行流量導引，且服務鏈路和饋電鏈路可以獨立優化 。
- 缺點： 衛星的複雜性、功耗和成本大幅增加 。
- 5G 協定終點： 5G NR Uu 介面在衛星上的 gNB 功能中終止 。
再生 NG-RAN 架構 (DU 和 CU 位於衛星)
Release 17 主要專注於透明酬載架構，而再生架構則被視為 Release 18 及未來的演進方向 。
5G NTN 的關鍵 RF 挑戰
將 5G 應用於 NTN 面臨四大獨特的 RF 挑戰，這些挑戰源於衛星的物理特性 ：
巨大的路徑衰減 (Path Attenuation)
這是最明顯的挑戰，UE 和衛星之間數百至數萬公里的距離導致了極高的自由空間路徑損耗 (FSPL)，例如：LEO 鏈路的路徑損耗約 160 dB，GEO 則高達 190 dB，這使得 UE 接收到的功率可能低至 -110 dBm 以下。
此時，必須使用高增益、高指向性的天線（例如：相位陣列天線）來彌補損耗，同時接收鏈路的「增益雜訊溫度比」(G/T) 成為了關鍵的效能指標 。
超長且變動的延遲 (Round-Trip Time)
巨大的距離也帶來了超長的 RTT，GEO 的 RTT 高達 544ms，即使是 LEO 也有 30-40ms，這對 5G 許多依賴低延遲反饋的程序（如 HARQ）是致命的，更糟的是這個延遲是動態變動的。
- 對 UE 而言：
隨著 LEO 衛星從地平線升起（Ingress）、經過天頂（Nadir）到消失（Egress），其 RTT 會呈現拋物線式的變化 。 - 對 gNB 而言：
由於波束足跡是橢圓形的，位於波束中心 (UE1) 和波束邊緣 (UE2) 的 UE，其 RTT 也不同，這種「差分延遲」(Differential Delay) 在 LEO 中可達 10ms 。
從 NTN gNB 角度看的 RTT 和波束足跡
嚴重的都卜勒頻移 (Doppler Shift)
這是 LEO 系統特有的挑戰，LEO 衛星以高達 28,000 km/h 的速度移動，相對於 UE 產生了巨大的相對速度，這種高速移動會導致載波頻率發生嚴重偏移，即都卜勒頻移。
都卜勒變化率 (Doppler Rate)： 由於衛星的相對速度和角度（仰角）隨時間變化，這個都卜勒頻移本身也不是固定的，而是隨時間快速變化；在 2GHz 頻段，頻移可達 ±48 kHz；而在 30GHz 頻段，更高達 ±720 kHz 。
LEO 情境下的都卜勒頻移率
法拉第旋轉 (Faraday Rotation)
當電磁波穿過地球電離層時，會與地球磁場和電離層中的自由電子相互作用，導致訊號的極化方向發生旋轉，這種「法拉第效應」會導致極化失配 (polarization mismatch) 。
此時地面網路常用的線性極化（水平/垂直）在 NTN 中容易失效，因此，NTN 通訊更傾向於使用圓形極化（左旋 LHCP 或右旋 RHCP）。
延伸閱讀：5G NTN 鏈路模擬與硬體迴路 (HIL) 測試解決方案
如何修改 5G 協定以應對挑戰
為了克服上述挑戰，3GPP Rel-17 對 5G 協定進行了一系列「外科手術式」的修改，核心思想是：盡可能保持 5G NR 波形不變 (OFDMA)，但大幅修改相關的定時器和程序 。
HARQ (混合自動重傳請求)
問題： 5G 的 HARQ 依賴快速的 ACK/NACK 反饋（Stop-and-Wait），在 NTN 的長延遲下，傳輸方會長時間停滯等待，導致傳輸量趨近於零。
解決方案：
- 增加 HARQ 進程數：5G NR 原本最多支援 16 個 HARQ 進程，NTN 將其擴展至 32 個 。
- 可選配的 HARQ 禁用：允許網路透過 RRC 訊號完全關閉 HARQ 反饋，可靠性轉而由更高層的 RLC AM（確認模式）來保證 。
HARQ 在 NTN 的運作
時序提前 (Timing Advance, TA)
問題： 為了讓所有 UE 的上行訊號同步到達 gNB，UE 必須「提前」發射訊號，即 TA；NTN 的延遲極長，需要一個巨大且動態變動的 TA 值。
解決方案：
- UE 預補償： 這是 NTN 的關鍵，Rel-17 假設 UE 具備 GNSS（或其他）定位能力 。
- UE 透過 SIB 獲取衛星的星曆 (Ephemeris) 資訊（軌道數據）。
- UE 結合自身 GNSS 位置和衛星位置，自行計算所需的傳播延遲 。
- UE 在執行隨機存取 (RACH) 之前，就主動預先補償這個延遲和都卜勒頻移 。
時序提前 (TA) 用於補償傳播延遲
隨機存取 (RACH)
問題： 長延遲導致 UE 在發送 RACH 請求（Msg1）後，會錯過網路回應（Msg2）的接收視窗；此外由於差分延遲，gNB 側的 PRACH 接收視窗會變得模糊不清（Floating Window）。
解決方案：
- 引入 Koffset 定時器： 網路透過 RRC 訊號（或 SIB）告知 UE 一個時間偏移量 Koffset。
- UE 在收到 DCI、排程 HARQ 反饋、或計算 RAR 視窗時，會自動加上這個 Koffset，這等於是將 5G 的許多內建時序關係從「固定」改為「可配置」，以適應 NTN 的長延遲。
長延遲對 RACH 程序（RAR 回應）的影響及調整移動性管理 (Mobility)
問題 1 (Handover)： 在 LEO 場景中，UE 保持靜止，但基地台（衛星）在移動；傳統以 RSRP（訊號強度）的切換判斷機制會失效，因為相鄰衛星的 RSRP 可能非常接近。
解決方案 1：
- 條件式切換 (CHO)： 網路不再依賴 UE 的量測報告，而是預先配置一個觸發條件 。
- 例如網路命令 UE：「當你的位置超過某個參考點」或「當時間到達某個點」或「當仰角低於某個值」時，執行切換，這利用了衛星軌道的可預測性。
NTN 移動性情境與條件式切換 (CHO)
問題 2 (Idle Mode)：一個靜止的 UE 會因為衛星不斷飛過，而頻繁地跨越 TA（追蹤區），導致大量的 TAU (追蹤區更新) 訊務，極度消耗電力 。
解決方案 2：
- 地球固定追蹤區 (Earth-fixed TA)： 這是 NTN 的一個重要概念 。
- 衛星 gNB 會根據其當前飛過的地理位置來廣播不同的 TAC（追蹤區代碼），例如當衛星飛越歐洲時廣播 TAC 1，飛越北美時廣播 TAC 2；如此一來，靜止在地面的 UE 始終會收到相同的 TAC，從而避免了不必要的 TAU 。
地球固定追蹤區 (TAC) 訊號
未來展望：Release 18 與 6G
3GPP Rel-17 只是 5G NTN 的開端，主要專注於透明架構和 FR1 頻段，未來的版本將持續演進：
- Release 18：
將重點支援再生酬載架構 、將 NTN 擴展到 FR2（高頻段，如 Ka 頻段） 、正式支援 HAPS ，以及增強 IoT-NTN 的效能和覆蓋；同時將研究 UE 無需 GNSS 定位能力時的網路定位方案 。 - 邁向 6G：
5G NTN 的長期演進路徑是朝向 6G，未來的網路將從「蜂巢式」(cellular) 演變為「三維統一網路」(3D unified networks)。
在這個 6G 願景中，室內小型基地台、城市宏基地台、高空 HAPS 乃至太空中的 LEO/GEO 衛星，將不再是各自獨立的系統，而是作為一個動態、智能、可自主協同的統一網路層次，無縫地協同運作；這三者共同構建了 6G 3D 統一網路的立體架構：Spaceborne 負責最廣闊的全球覆蓋和長距離傳輸，HAPS 負責中層的區域性持久覆蓋與低延遲服務，而 Airborne 則提供最低層、最靈活的局部補充。
演進至 3D 統一網路
結論
3GPP Rel-17 中 NTN 的引入是 5G 發展的重大里程碑，它將 5G 的覆蓋範圍從地球表面擴展到了太空，雖然面臨著長延遲、高都卜勒頻移、和巨大路徑損耗等嚴峻的技術挑戰 ，但 Rel-17 透過對 HARQ、TA、RACH 和移動性管理等核心程序的巧妙修改，成功地邁出了第一步。
隨著 Rel-18 對再生酬載和 FR2 的支援，以及 6G 時代 3D 統一網路願景的到來，NTN 將不再是地面網路的補充，而是成為未來全球無縫連接基礎設施不可或缺的關鍵組成部分。
延伸閱讀
從地面到軌道：5G 衛星通訊 HIL 測試的關鍵技術
接收器與 LNB 特性測試 — 升級衛星與雷達產業應用
高功率放大器測試：實現雷達、衛星與 5G 應用的真實條件特性分析
衛星通訊應用新藍圖 (LEO/NTN/高頻段) 與實現關鍵
資源下載
ACE9600 產品型錄
R&S®SMW200A 產品型錄
R&S®FSW 產品型錄
R&S CMW500 產品型錄
R&S® CMX500 產品型錄
5G NTN 鏈路模擬與硬體迴路 (HIL) 測試解決方案