现代智能汽车中的无线技术78——SatCom（6）

5G NTN技术将卫星通信纳入全球3GPP标准，使普通5G设备可直接连接卫星，无需专用终端。NTN采用两种模式：透明转发（卫星仅反射信号）和再生模式（卫星具备基站功能）。3GPP R17标准定义了IoT-NTN（窄带物联网，适用于低功耗场景）和NR-NTN（宽带通信，支持高速数据传输）。NTN面临多普勒频移和长时延挑战，通过终端预补偿和优化HARQ机制解决。该技术将推动卫星通信从专用走向大众化，为智能车机、手机等提供无缝连接体验。

标准 ------ 5G NTN (Non-Terrestrial Networks)

为什么以前的卫星电话（海事、铱星）那么小众？因为它们用的是私有协议，只有专用的笨重终端能连。 5G NTN 的伟大之处在于：它把卫星通信写进了全球通用的 3GPP 标准里。这意味着，未来的普通 5G 手机和 5G 车机，原生就能连卫星，不需要外挂任何设备。

NTN 技术架构

NTN (非地面网络) 是 5G 演进（5G-Advanced）和 6G 的核心组成部分。它的目标是让手机/车机在有基站时连基站，没基站时自动连卫星，用户完全无感。

1 透明转发 vs 再生模式：卫星是做"镜子"还是做"基站"？

在 NTN 架构中，卫星扮演什么角色？有两种路线。

透明转发模式 (Transparent Payload) ------ "弯管"

原理：卫星只是一面**"空中的镜子"**。
车发出的信号（如 2GHz），卫星收到后，变个频（如变到 20GHz），直接把信号反射给地面的信关站 (Gateway)。
处理逻辑：所有的复杂的基站功能（gNB）都部署在地面。卫星不解调信号，只负责放大和转发。
优点：卫星造价便宜，技术简单。天通一号、Starlink V1.0 都是这种模式。
缺点：依赖地面站。如果卫星飞到了大洋中心，下面没有信关站，信号就传不回去了（除非有星间链路）。

再生模式 (Regenerative Payload) ------ "空中基站"

原理：把 5G 基站 (gNB) 直接搬到卫星上。
卫星收到信号后，解调、解码、路由、重新编码，再发下去。
卫星具备了边缘计算能力 (OBC)。
优点：
延迟极低：两个用户如果都在同一颗星下，数据直接在卫星上交换，不用下地。
抗干扰强：卫星能纠错。
缺点：卫星极贵，功耗大，且太空中散热难，升级维护难。

目前趋势：为了快速铺开，初期多采用透明转发；未来 6G 时代将向再生模式演进。

2 IoT-NTN（窄带物联网）：给集装箱和卡车用的

在 3GPP R17 标准中，定义了两套技术路线。IoT-NTN 是基于 NB-IoT / eMTC 修改而来的。

目标：低功耗、广覆盖、非连续数据。
应用场景：
集装箱追踪：在公海上漂几个月，每天发一次位置。
远洋货轮传感器：监控冷链温度。
车载 T-Box 极简版：仅用于 SOS 求救信号和车辆位置上报。
技术特点：
带宽很窄：几十 kbps。
终端便宜：芯片成本极低，甚至不需要相控阵天线，普通全向天线就能连。
代表：紫光展锐、联发科都在推这种芯片。

3 NR-NTN（宽带新空口）：给智能手机和座舱用的

这是基于 5G NR (New Radio) 修改而来的"满血版"卫星通信。

目标：高宽带、低延迟、连续服务。
应用场景：
智能座舱上网：在高速公路上刷视频、开电话会议。
手机直连：普通 5G 手机（不用换卡换号）直接打卫星视频电话。
技术特点：
带宽大： Mbps 甚至 Gbps 级别。
挑战大：需要解决巨大的多普勒频移和时延问题（见下一章）。
天线要求高：车端通常需要相控阵天线。

总结表：IoT-NTN vs NR-NTN

维度	IoT-NTN	NR-NTN
基础技术	NB-IoT / eMTC	5G NR
业务类型	短信、位置、传感器数据	语音、视频、宽带上网
数据速率	< 200 kbps	> 10 Mbps (甚至更高)
终端天线	简单全向天线	复杂定向/相控阵天线
典型载体	集装箱、救生衣、T-Box	智能车机、高端手机

对于汽车而言，IoT-NTN 是标配（保命），NR-NTN 是高配（享受）。

NTN信道模型

多普勒频移与时延补偿的详细内容。

这一章是 5G NTN 协议栈中最"硬核"的部分。为什么地面的 5G 手机不能直接连卫星？因为卫星飞得太快、太远了，物理层的规则被打破了。

多普勒频移与时延补偿

在地面网络中，基站是不动的，手机移动速度顶多 300km/h（高铁）。但在 LEO 卫星网络中，基站（卫星）正以 27,000 km/h 的速度狂奔。这带来了两个巨大的物理挑战。

7.8km/s 的卫星速度带来的巨大频偏如何修正？

多普勒效应 (Doppler Effect) 告诉我们：当声源向你飞来，声音变尖（频率变高）；离你而去，声音变低（频率变低）。电磁波也一样。

问题的量级

地面 5G：高铁场景下，多普勒频移大概几 kHz。基带芯片很容易修正。
LEO 卫星：
卫星速度 7.8km/s。
在 Ka 频段 (30GHz) 下，产生的最大多普勒频移可达 700 kHz 甚至 1 MHz。
后果：这个频偏已经超过了 5G 的子载波间隔 (SCS)，导致正交性破坏，信号完全解调不出来。

谁来修？（Pre-compensation）

3GPP R17 标准规定：这个锅由终端（车/手机）来背。

原理：
车端通过 GNSS 知道自己的位置和速度。
车端通过星历（Ephemeris）知道卫星的位置和速度。
预补偿：终端在发射信号前，计算出频偏值 ΔfΔf。如果卫星正向我飞来（频率会变高），我就故意把发射频率调低 ΔfΔf。这样信号到达卫星时，刚好抵消，频率是正的。
优势：卫星的设计简化了，不需要处理复杂的频偏，只要接收"正"的信号就行。

HARQ（混合自动重传）在长时延链路下的改进

HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 是 5G 保证数据不丢包的关键机制：发一个包，等对方回一个 ACK；如果没收到 ACK，就重传。

问题的量级 (RTT)

地面 5G：往返时延 (RTT) < 1ms。等 ACK 很快。
NTN (卫星)：
LEO RTT ≈≈ 20ms - 50ms。
GEO RTT ≈≈ 540ms。
后果：传统的 5G HARQ 只有 16 个进程号（Process ID）。发完 16 个包，还没收到第 1 个包的 ACK，发送端就必须停下来傻等（Stop-and-Wait）。这会导致网速断崖式下跌。

解决方案：禁用或增加进程

3GPP R17 提出了两种对策：

策略 A：禁用 HARQ (Blind Transmission)
对于延迟极大的 GEO 卫星，直接关掉 HARQ。
不指望底层重传了，全靠上层（RLC/TCP 层）来保证可靠性。虽然丢包率会上升，但至少吞吐量跑满。
策略 B：增加 HARQ 进程数 (More Processes)
对于 LEO 卫星，将 HARQ 进程数从 16 个增加到 32 个。
这样发送端可以一口气连续发 32 个包，填满那几十毫秒的等待空隙，保证流水线不断。

小结

多普勒频移是 LEO 通信的最大物理障碍，NTN 标准要求终端进行预补偿。
长时延会拖累数据传输效率，NTN 通过增加 HARQ 进程数或禁用 HARQ 来维持高吞吐量。
这两项改进，是 5G 芯片能够连接太空基站的核心逻辑。