NTN非地面网络,它有两种架构,一种是透明弯管(Bent-pipe)NTN;一种是再生载荷 Regenerative(星载基站)
一. 透明弯管(Bent-pipe)NTN(R17 手机直连卫星)架构框图
┌─────────────┐ Service Link(S/L频段,Uu空口,NR)
│ UE 手机 │◄───────────────────────────►┐
└─────────────┘ │
▼
┌─────────────────────┐
│ NTN 卫星载荷Payload │
│ 【透明弯管Bent-Pipe】│
│ 只做:滤波 / 变频 / 放大 │
│ ✘ 无基带、不跑协议、不解码 │
└─────────────────────┘
▲ │
Feeder Link(Ku/Ka 射频空口,无线电磁波) │ │
│ ▼
┌─────────────────────┐
│ 关口站射频前端(GW RF)│
│ 天线+LNA、混频、ADC/DAC │
└───────────┬─────────┘
│ 光纤eCPRI(数字IQ)
▼
┌────────────┐ F1AP ┌─────────────────────────┐
│ 5G Core │◄──────────────►│ NTN Gateway │
│(AMF/UPF) │ NGAP │ ├─DU ├─CU │
└────────────┘ └─────────────────────────┘
各段标注(对应你前面的问题)
- UE ↔ 卫星 Payload:Service Link(服务链路)
- 介质:自由空间电磁波(Uu 空口,NR 协议)
- 频段:S/L 频段 n255 /n256
- 卫星 Payload ↔ Gateway 关口射频:Feeder Link(馈电链路)
- 介质:自由空间电磁波(无线射频空口)
- 频段:Ku / Ka
- ✅ 卫星只射频转发,没有数字 IQ、没有 eCPRI
- 关口射频 ↔ Gateway 内部 DU:光纤 eCPRI
- 传输:数字 IQ 采样数据流
- DU ↔ CU:F1AP
- CU ↔ 5G 核心网:NGAP
- AMF/UPF
属于 5G 核心网(5GC)网元
- AMF:接入和移动性管理功能,负责注册、鉴权、移动性管理
- UPF:用户面功能,数据包转发、QoS、流量路由
作用:整个 NTN 的核心网,和普通地面 5G 共用同一套 5G 核心网。
- NG 接口(NG)
gNB 和 5G 核心网 AMF/UPF 之间的标准接口,是 5G RAN 到核心网的标准回传接口,和地面 5G 完全一样。 - gNB(虚线框整体)
注意这个虚线框是逻辑上的完整 gNB !
👉 基带处理(CU/DU)全部放在地面的 NTN Gateway(关口站) ;天上卫星载荷只是射频透明中继。
这是透明载荷 NTN 最关键的特点:基站基带在地面,卫星只做射频弯管转发。 - NTN Gateway(NTN 关口站 / Hub)
地面的卫星关口站(带碟形天线)
- 里面承载完整 gNB 的 CU/DU 基带;
- 完成 NR 基带解调、调度、HARQ、SIB 广播、多普勒补偿、TA 时间提前量处理;
- 通过馈电链路和卫星通信。
对比:天通一号的 Hub 关口站和它定位一样,只是天通是私有协议,这个是标准 NR。
- NTN payload(NTN 载荷,星上载荷)
就是卫星上搭载的射频转发载荷(RFHW+RFSW)
✅ 透明转发(弯管 Bent Pipe) :只做射频放大、变频、滤波,不解调基带、不跑 NR 协议 ;
收到手机的 NR 射频信号,直接变频放大,原样转发给地面关口站;反过来把关口站信号转发给手机。
没有星上基带 DU,这是和再生载荷 NTN 最大区别。
- feeder link 馈电链路
关口站 ↔ 卫星载荷之间的无线链路(星地回传链路),传送基站和卫星之间的射频信号。 - service link 服务链路
卫星载荷 ↔ 地面 UE(手机)之间的无线链路,也就是 NTN 的空口。 - NR Uu
手机 UE 和网络之间的标准 5G NR 空口。
手机看到的就是标准 NR Uu,手机不需要改硬件,依靠 SIB19 识别这是 NTN 卫星小区,启用 NTN 专属补偿算法。
一句话梳理整条数据流
手机 UE(NR Uu)→【service link】→卫星透明射频载荷(只放大变频)→【feeder link】→地面 NTN Gateway(这里才是真正的 gNB 基带 CU/DU)→NG 接口→5G 核心网 AMF/UPF
二、没有 eCPRI,时钟、时序怎么同步?
eCPRI 的时钟同步(地面 O-RAN):靠光纤传递 PTP/1588,光纤时延稳定可控,DU 给 RU 送参考时钟。
透明 NTN 没有光纤,是无线空口馈电链路,链路时延还会随卫星位置动态变化(卫星在天上飘,距离一直在变!),所以不能照搬 PTP。
它用两套同步机制配合:
- 载波同步(频率同步)
Gateway 发射的射频载波,本身就是频率参考。
卫星载荷只是搬移载波频率(变频),不会改变载波的相对频率;Gateway 在接收回波的时候,通过载波锁相环,跟踪这个载波,算出多普勒频偏,补偿频率。
保证上下行载波频率对齐。
- 时间同步(TA / 时序同步,最麻烦的部分)------ 靠【星历 + 动态传播时延预补偿】
这个是 NTN R17/R18 的核心:
- Gateway 提前知道卫星的星历数据(轨道参数),可以实时算出:此刻卫星和关口站之间的距离、传播时延,还有多普勒;
- 因为链路时延是动态变化的,DU 在 Gateway 里面,提前预补偿时间提前量 TA :
下行:Gateway 提前一点发信号,抵消卫星到 UE 的传播时延;
上行:告诉手机 UE,你要提前发射(NTN 专属 TA),抵消手机→卫星→关口站的总空中传播时延; - 手机侧收到 SIB19 里面携带的星历、TA 补偿参数,手机自己也做一部分时延、频偏计算补偿。
注意:不是卫星给 Gateway 传时钟,是网关自己算传播时延,主动预补偿时序 。
地面 O-RAN:DU 和 RU 之间时延固定,靠 PTP 对齐;
透明 NTN:馈电链路时延动态变化,不用 PTP,用星历实时计算 + 预补偿。
- 补充:关口站本身的基准时钟
NTN Gateway 的基带设备,本身会接 GNSS(北斗 / GPS)驯服时钟,给本地 CU/DU 提供高精度本地时间基准,这是整个系统的时间源头。
问:能不能同一个 DU,同时接地面 RU + NTN 关口站射频?
答:架构上可以,DU 软件做多小区、多载波支持就行 ,但是射频前端必须独立;
硬件上:地面 RU 光纤口是一路;卫星关口站射频是另一路无线射频接收通道,频段完全不一样。
面普通 RU 是走光纤 eCPRI 送 IQ;卫星关口站射频是无线空口接收 Ku/Ka 射频,再转换成 IQ 送入 DU。
二者进入 DU 的入口,是两套独立的射频前端硬件,两路独立的 IQ 通道。
2)进入 DU 之后,数据流怎么标识、区分(软件 / 代码层面)
当两路 IQ 都送到 DU 的 FPGA / 软件处理单元之后,DU 靠通道标识、天线端口号、载波配置区分:
- 给卫星馈电链路进来的 IQ,分配一组专属的天线端口、载波号(NTN 专用载波 n255/n256);
- 地面普通 RU 的 IQ,分配另外一套地面 NR 的载波、端口;
- 在 DU 的 PHY 软件代码里:不同端口对应不同小区配置,一套小区是 NTN 卫星小区,一套是地面普通小区;
DU 解调的时候,根据小区配置参数,知道这一路 IQ 是来自卫星中继的 UE,不是地面 RU 下的 UE。
重点:不是靠解析帧里面的特殊标记来区分,是在 IQ 进入 PHY 之前,就已经按通道 / 载波区分好了。
三. 为什么要记录卫星轨道星历(Ephemeris)?星历传给谁?
1)为什么必须要有星历?
低轨卫星一直在高速飞行,卫星与网关 / 手机之间的距离每时每刻都在变:
① 传播时延动态变化,必须提前计算TA 时间提前量 做时序补偿;
② 卫星高速移动带来巨大多普勒频偏,要用轨道参数算出速度,补偿频率偏差;
③ 预判卫星什么时候飞出覆盖区,做波束切换、卫星切换(Feeder Link 切换)。
2)星历数据传给两类对象
- 传给 NTN Gateway(gNB-DU)
网关用星历实时计算馈电链路时延,提前预补偿发射时序,保证上下行同步,同时跟踪卫星位置、做波束对准3GPP。 - 通过 SIB19 系统消息广播给手机 UE
手机拿到开普勒轨道参数,自主算出卫星瞬时位置,自己补偿 TA 与时延、多普勒频偏,完成随机接入与上行同步。
数据来源:地面测控站持续测量卫星轨道,生成开普勒六根数,下发给 gNB,再由 gNB 广播到全网终端。
- ECI:不随地球转动的恒星坐标系(绝对惯性系),算卫星轨道;
- ECEF:跟着地球自转的地面坐标系(相对转动系),算地面点位 ;
两者只需要做地球自转旋转换算即可互相转换。
S / C / Ku / Ka 频段区别(一句话 + 对比)
核心规律:频率越高→带宽越大、天线越小、雨衰越严重
- S 频段(2--4GHz,n256)
雨衰很小,手机天线做得小;用于UE 直连卫星(服务链路 Service Link);带宽有限,适合短信、物联网、窄带业务。 - C 频段(4--8GHz)
几乎不怕下雨;天线尺寸偏大;多用于高轨卫星回传、广播电视。 - Ku 频段(12--18GHz)
带宽更大,地面站天线缩小;大雨会产生明显雨衰;多用于Gateway↔卫星的馈电链路 Feeder Link、宽带 VSAT 回传。 - Ka 频段(20--30GHz)
带宽最大、天线最小;暴雨下衰减极强;用于低轨星座高速馈电回传、大容量宽带业务。
》
四.再生载荷 Regenerative(星载基站,gNB 上星,Starlink V2 这类)
┌─────────────┐ Service Link Uu(NR) ┌─────────────────────┐
│ UE手机 │◄───────────────────────────►│ 卫星Payload(再生) │
└─────────────┘ │ 内含星载DU+RU基带 │
└───────────┬─────────┘
Feeder Link(Ku/Ka无线回传) │ F1/NG over 无线
▼
┌─────────────────────┐
│ 地面Gateway(仅CU) │
└───────────┬─────────┘
│ NGAP
▼
┌────────────┐
│ 5G核心网 │
│AMF/UPF │
└────────────┘
卫星上有基带 FPGA/CPU,会解调、解帧、跑协议,这时候馈电链路才是一条独立的数字回传链路:
- 卫星上:Uu 口终结在卫星内部(卫星本身就是 gNB)
- 卫星 ↔ Gateway 的 Feeder Link:跑回传传输层协议 ,常见:
- 底层:私有卫星调制波形(MF-TDMA、TDM、或者自研 OFDM)
- 上层:IP、UDP、IPsec;接口层面是 NG / F1(3GPP 标准的 5G 回传接口)
- 代码上:卫星内部 DU/CU 和地面 Gateway 之间,走 F1AP/NGAP,和地面回传逻辑一致,只是承载在卫星 Ku/Ka 无线链路上,不是光纤。
这种场景下馈电链路是数字链路,有完整数据包解析、路由代码;透明载荷没有这个。
硬件是不是一样?👉 不一样,差别非常大
虽然逻辑功能都是 DU(PHY/MAC/RLC)、RU 射频,但是航天级和地面基站硬件是两套东西:
- 星上 DU(基带处理板)
地面 DU:商用 FPGA、通用处理器,常温、散热风扇、供电宽松;
星载 DU:宇航级抗辐照 FPGA/CPU,无风扇、真空耐受、宽温(-55~+125℃)、抗单粒子翻转 SEU;功耗、体积、重量严格受限。软件协议栈(MAC/PHY/RRC 下层)逻辑代码是同一套 3GPP NR 标准,但是固件、纠错、看门狗、容错机制要额外增加航天加固。 - 星上 RU / 射频 Payload
地面 RU:普通射频器件,散热宽松;
星载射频:宇航级射频芯片、高可靠功放、空间滤波器;要耐真空、热循环,还要考虑空间辐射、自激、无源互调;
功能逻辑:变频、放大、滤波是一样的;器件选型、封装、可靠性、热设计完全不同。
- 简单记:协议软件逻辑同源,硬件器件、工艺、加固等级完全不一样,不能直接拿地面 BTS 板卡上天。
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- CU 在地面机房,CU 本身不直接对着卫星发射电磁波;
- CU 发出 F1AP/GTP-U 的 IP 数据包 → 送到地面关口站射频(GW RF) → 转换成 Ku/Ka 射频电磁波(Feeder Link 馈电空口)上天;
- 卫星星上 RU 收到馈电电磁波 → 下变频、采样,恢复出 IP 数据包 → 送给星上 DU,解析 F1。