NBIOT NTN协议整理

NBIOT，NTN分别是什么意思？

NBIOT

全称：Narrowband Internet of Things 中文：窄带物联网

• NB = Narrowband 窄带：带宽只有 180kHz（1 个 LTE RB），带宽很小；
• IoT = Internet of Things 物联网；
• 起源：3GPP R13 版本，最初是地面蜂窝物联网，依靠地面基站（铁塔）。
• 特点：低成本、低功耗、广覆盖、速率很低，用来抄水表、燃气表、烟感、井盖监测这类小数据业务。

简单理解：NB-IoT = 窄带物联网，是一套通信标准（物理层波形、信道、同步信号、编码规则）

NTN

全称：Non-Terrestrial Networks 中文：非地面网络

• Non-Terrestrial：非地面，意思就是不是地面基站，载体一般是低轨卫星（LEO）、高空平台；
• NTN不是一套独立的新通信标准，它是一个 "场景 / 增强框架"；
• NTN 可以嫁接在不同蜂窝技术上：
  • NB-IoT + NTN → NB-IoT NTN（IoT-NTN，R17）：把 NB-IoT 放到卫星上跑
  • NR + NTN → NR-NTN（5G 卫星）

NB-IoT NTN（IoT-NTN）

在NB-IoT 这套原有波形、信号、信道编码不变的基础上 ，让卫星代替地面基站来收发 NB-IoT 信号。 信号本身（NPSS/NSSS/NRS、QPSK、Turbo 码）和地面 NB-IoT 一模一样； 只是通信环境变成卫星高速运动带来的大多普勒、巨大传播时延、更低信噪比，所以协议在 R17 增加了 NTN 相关流程来适配卫星信道。

1. NB-IoT：是通信制式（信号长什么样），原生是地面基站版本；
2. NTN：是传输载体场景（非地面，卫星）；
3. NB-IoT NTN = 跑在卫星上的 NB-IoT，制式不变，信道环境和接收流程增强。

为什么 NB‑IoT 带宽固定是 180kHz？

180kHz 正好就是 LTE 里 1 个 RB（资源块）的带宽，这是它设计的根基：

• NB‑IoT 是在 LTE 标准框架下做出来的（R13），3GPP 直接复用 LTE 的 RB 子载波架构：1RB=12 个子载波，每个子载波间隔 15kHz，12×15kHz = 180kHz。
• 设计目标就是窄带宽、低功耗： 带宽越小，接收机需要的采样率、FFT 点数、射频开销、基带算力都可以做很小；终端芯片可以做得非常便宜，电池能用很多年（水表、气表可以 5~10 年不用换电池）。
• 部署灵活：可以放到 LTE 载波的**带内（inband）、保护带（guardband）、独立载波（standalone）**三种模式，不用单独拿出一大块频谱。

对比：咱们手机 4G LTE 一个 RB 也是 180kHz，但手机会一次性用好几十个 RB，带宽几 MHz~20MHz；NB‑IoT 就只占用单独 1 个 RB。

NB-IOT的终端一般是哪些设备呢？

绝大多数普通智能手机，不使用 NB‑IoT。

• NB‑IoT 面向的是静止、低频次小包、低功耗物联网终端：水表、燃气表、烟感、路灯、地质监测设备。
• 手机的需求完全相反：高速、随时联网、大流量，用 LTE、5G NR。
• 少数特殊工业三防手机、野外特种终端才会集成 NB‑IoT 模组；日常消费手机没有 NB‑IoT 射频基带。

补充：手机里的物联网能力一般是 Cat.1、Cat.4、5G，不是 NB‑IoT。

NB-IOT NTN的通信链路

NB‑IoT NTN（IoT‑NTN）的终端，依然是NB‑IoT 物联网终端，不是普通智能手机。

• 终端形态：卫星版水表、野外监测终端、海洋浮标、偏远地区的物联网采集器；
• 通信链路：NB‑IoT 终端 ↔ LEO 低轨卫星 ↔ 地面信关站↔ 核心网
  1. 终端发射 NB‑IoT 信号（还是 180kHz 带宽、同样 NPSS/NSSS/NRS 波形，和地面 NB‑IoT 一模一样）
  2. 卫星只做透明转发 / 再生转发，把 NB‑IoT 信号中继回地面关口站
  3. 地面信关站对接核心网，再上传数据

LEO低轨卫星的作用

它不做解调、不译码、不识别数据包、不跑协议栈（L1/L2/L3 全都不跑）

• 上行方向：收到 NB 终端发来的 180kHz NB-IoT 射频信号 → 只做放大 + 变频 → 转发给地面信关站

• 下行方向：收到信关站发来的射频信号 → 放大 + 变频 → 广播给覆盖范围内的 NB 物联网终端

• ✅ 类比：天上的一面射频镜子 / 无线中继器

• ✅ 特点：

  • 卫星高速移动，覆盖区域一直在扫过地面；
  • 卫星完全不懂里面的内容，分不清是水表读数还是系统消息，只是转发电磁波；
  • 透明转发星上硬件简单，成本低，是现在 NTN 常用方案；

补充：如果是再生转发卫星，卫星上会做 L1 解调、L2 协议处理，把波形变成数据包再转发，星上复杂度高很多。

地面信关站

外观： 由可自动跟踪卫星的大抛物面碟形天线（有的外面套白色球形雷达罩，保护天线、防风雨）+ 机房组成；

它和普通家用卫星锅不一样：LEO 卫星高速飞过，天线会电动转动，持续跟着天上卫星跑。

它是卫星和地面蜂窝网络之间的转换关口：

1. 上行（终端→卫星→信关站）：接收卫星转发下来的射频信号，射频前端下变频之后，送到 FPGA 做 L1 物理层处理：同步、多普勒补偿、FFT、解调、译码，把电磁波还原成 MAC 数据包；再往上送 L2 协议栈。
2. 下行（核心网→信关站→卫星→终端）：接收上层送来的系统消息、调度指令、下发业务数据，在 L1 调制映射成 NB-IoT 波形，变成射频信号发给卫星，由卫星再转发给地面终端。
3. 接口桥梁：一边是和卫星通信的馈电链路；另一边通过光纤 / 以太网对接核心网。

天通通信与NBIOT-NTN通信的区别

对比项	天通一号	NB-IoT NTN（IoT-NTN）
轨道	GEO 高轨静止卫星（3.6 万公里），卫星相对于地面固定不动	LEO 低轨卫星（几百公里），卫星高速扫过头顶
制式	自研私有卫星移动通信协议，不是 3GPP LTE/NB-IoT	3GPP R17 标准，复用 NB-IoT 整套 LTE 衍生波形（NPSS/NSSS、180kHz RB）
终端	卫星电话 / 支持天通的手机（Mate60 这类），可以语音通话、发短信、上网	物联网模组（水表、浮标、野外采集器），只传少量传感小包，不能打电话
带宽 & 功耗	带宽大，支持语音，终端功耗高；	固定 180kHz 窄带，超低功耗，终端可以休眠很多年
链路	终端 ↔ 天通 GEO 卫星 ↔ 天通地面关口站 ↔ 核心网	NB-IoT 终端 ↔ LEO 卫星 ↔ 信关站 ↔ 核心网
频段	S 波段用户链路	可以用 L 等物联网频段，遵循 3GPP NTN 规范

天通一号是高轨卫星手机通信系统，主打人用的语音、短信 ； NB-IoT NTN 是低轨、基于 3GPP NB-IoT 标准的卫星物联网，只给传感器传小数据，没有语音能力。

NBIOT NTN通信架构

LEO为什么要做变频处理？终端射频频率和卫星接收、发射频率不一样吗？

终端→卫星的用户链路频率，和卫星→信关站的馈电链路频率，是两套不同频段，这是透明转发变频最核心原因：

1. 用户链路（终端 ↔ 卫星）：一般用 S/L 波段（比如 S 波段～2GHz 附近），适合小体积物联网终端，天线不用很大；
2. 馈电链路（卫星 ↔ 地面信关站）：一般用 Ku/Ka 等高频段（十几 GHz、几十 GHz），带宽大、适合卫星和地面大站之间高速回传。

卫星收到 S/L 波段的终端信号之后，下变频到中频，再上变频到 Ku/Ka 频段发给信关站；下行方向反过来：信关站发 Ku/Ka 信号给卫星，卫星变频到 S/L 波段，广播给终端。

补充两个次要原因：

• 收发隔离：如果卫星接收、发射用同一个频率，卫星自己的发射信号会直接耦合干扰接收，容易把接收机堵死；变频后收发频点分开，方便射频滤波器隔离；
• 频分双工 FDD：终端本身上行、下行也是不同频点，卫星同时要转发上行和下行，必须射频变频。

L1/L2/L3的解释

3GPP NB-IoT 空中接口协议栈分为 L1（物理层）、L2（数据链路层）、L3（网络层），是 UE 和基站 / NTN 信关站之间的分层架构：

1. L1 物理层（PHY）：最底层，负责无线波形的生成与接收。包括 OFDM 调制解调、同步、频偏补偿、FFT/IFFT、信道编解码、映射到物理信道；把比特流变成空中射频波形，或者把接收的射频波形还原成比特块，是无线信号的载体。
2. L2 数据链路层：包含 MAC、RLC、PDCP 三个子层。MAC 负责调度、TB 传输块复用；RLC 负责分段、重传；PDCP 负责头压缩、加密、完整性保护；在物理层之上，为上层提供可靠的数据帧传输。
3. L3 网络层（RRC/NAS）：RRC 是无线资源控制，管理小区接入、附着、无线配置；NAS 是非接入层，在核心网侧处理，负责终端鉴权、附着、会话管理、路由，实现终端和核心网之间的信令交互。

• L1：物理层，处理无线波形、调制解调、同步、编解码；
• L2：链路层，MAC/RLC/PDCP，帧封装、调度、重传、加密；
• L3：网络层，RRC/NAS，接入控制、鉴权、信令、路由。

协议

要了解NBIOT-NTN 需要读什么协议呢？

TR 36.763：Study on NB-IoT/eMTC support for Non-Terrestrial Networks（NTN），整个 NB-IoT NTN 的需求、场景、链路假设、透明转发架构、多普勒 / 时延问题、GNSS 预补偿方案总览。

L1 物理层：

TS 36.211：Physical Channels and Modulation

内容：物理信道、NPSS/NSSS 同步序列、OFDM、调制映射、参考信号；NTN 新增了多普勒、定时偏移相关的性能边界，同步序列本身波形不变，是接收算法要适配卫星大频偏

TS 36.212：Multiplexing and Channel Coding

内容：信道编码、速率匹配、码块、CRC；编码本身和地面 NB-IoT 一致，NTN 没有改动编码算法，只是长时延下 HARQ 时序修改

TS 36.213：Physical Layer Procedures

物理层流程：小区搜索、随机接入、定时、频偏、HARQ、功率控制；NTN 专门修改了随机接入时序、HARQ 往返定时器、频偏残留容忍范围、GNSS 预补偿对应的流程定义。

【L2 链路层｜MAC/RLC/PDCP】TS 36.321 / 36.322 / 36.323

1. TS 36.321：MAC（调度、TB、HARQ）
2. TS 36.322：RLC（分段、重传）
3. TS 36.323：PDCP（加密、头压缩）

说明：L2 帧结构本身不变；NTN 主要改动是 HARQ 定时器、重传窗口，适配 LEO 卫星几十 ms~ 几百 ms 的往返时延，地面 NB-IoT 的 HARQ 定时器太短，卫星场景会超时。

【L3 RRC + NAS 信令、终端流程】TS 36.331 / 36.300 / 36.304

1. TS 36.331：RRC 协议规范（最重要 RRC）
   • NTN 新增 RRC 信令 IE：NTN 配置、卫星轨道信息、GNSS 辅助配置、位置上报、NTN 小区重选参数；终端收到 RRC 消息，知道当前是 NTN 卫星小区、开启 GNSS 预补偿。
2. TS 36.300：E-UTRA Overall description，LTE 整体架构，NTN 小节定义透明转发 S-NodeB（信关站对应这个角色）
3. TS 36.304 ：UE idle/inactive 态流程，小区重选；NTN 的小区重选是基于卫星时间 / 位置触发，和地面完全不一样（NB-IoT NTN不支持切换，只有重选）

【核心网、架构、NAS 层（EPC）】SA 系列

1. TS 23.401：Evolved Packet System (EPS) architecture
   • 定义 NTN 下 EPC 和 S-NodeB（信关站）对接、扩展 TA 跟踪区、长 NAS 定时器、卫星接入识别、路由策略；

【射频、性能、RF 指标（R4）】

1. TS 36.101：UE 射频收发，NTN 新增卫星场景射频性能、TIS、频偏指标
2. TS 36.108：Satellite Access Node（也就是信关站 S-NodeB）射频收发规范（R18 新增）3GPP