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3GPP Release 19 NTN Phase 3:从透明转发到再生载荷的范式迁移

一、NTN标准演进路线:Rel-17到Rel-19的三级跳

3GPP对非地面网络(Non-Terrestrial Network, NTN)的标准化经历了三个Release的渐进式演进。Rel-17首次将卫星纳入5G NR体系,定义了基于透明转发(bent-pipe)架构的基础框架,支持LEO/MEO/GEO三类轨道,引入SIB19播发卫星辅助信息,建立了NTN-specific的时间提前量(TA)补偿和定时关系。Rel-18在此基础上进行了增强,扩展了覆盖场景、优化了移动性管理、增加了10GHz以上频段(Ku/Ka)的FR2-NTN定义,并引入了NTN-TN混合组网的基本机制。

Rel-19 NTN Phase 3(Work Item: NR_NTN_Ph3, RP-234078)则是一次质的飞跃——从辅助性的卫星覆盖补充,转变为卫星作为5G网络一等公民的深度融合。核心变革体现在三个维度:架构上引入再生载荷(Regenerative Payload)和存储转发(Store-and-Forward)模式;频谱上新增6个NTN频段,覆盖FR1和FR2/Ku;能力上支持NTN-NTN星间切换、网络侧位置验证、RedCap over NTN、以及高功率UE。2025年12月,Rel-19规范按期冻结,相关技术规范主要涉及TS 38.300 V19.x.x、TS 38.331 V19.x.x、TS 38.214 V19.x.x、TS 38.101-5 V19.x.x等。

图表1

图表 1

二、再生载荷架构:从弯管到"天上基站"

2.1 透明转发 vs 再生载荷

Rel-17/18的NTN架构基于透明转发模式:卫星仅完成射频信号的放大和频率转换,所有基带处理(调制解调、编码解码、协议栈)均在地面NTN网关完成。这意味着卫星只是一个"空中中继器",信号从UE到卫星再到地面网关的往返时延在GEO场景下可高达541ms(单跳270ms),LEO场景也有20-50ms的额外时延。

Rel-19引入的再生载荷(Regenerative Payload)架构将全部或部分gNB功能部署在卫星上,使卫星能够独立完成基带处理和协议栈功能。根据部署在卫星上的功能范围,Regenerative Payload分为两种子架构:

全再生(Fully Regenerative):完整gNB部署在卫星上,包含PHY/MAC/RLC/PDCP/RRC全部协议层。卫星独立完成小区管理、调度、切换判决。地面仅需要5GC连接(通过NG接口经由馈电链路到地面 NTN Gateway)。这种架构下,星上处理使得RTT大幅降低——即使是GEO场景,UE到卫星的接入链路RTT仅需约270ms(单程135ms),不再需要经过地面网关的中继。

部分再生(Partially Regenerative):采用gNB-CU/gNB-DU分离架构(类似地面网络的CU/DU Split),卫星上仅部署gNB-DU(PHY+MAC+RLC层),gNB-CU保留在地面。DU和CU之间通过F1接口经由馈电链路互联。Option-2分离是目前业界主流选择,在降低星上复杂度的同时保留了地面集中控制的优势。

graph TB
    subgraph "透明转发架构 (Rel-17/18)"
        UE1[UE] -->|"UL RF"| SAT1["卫星<br/>(仅放大+变频)"]
        SAT1 -->|"馈电链路"| GW1[地面网关<br/>+ 完整gNB]
        GW1 -->|"NG"| CN1[5GC]
        CN1 -->|"NG"| GW1
        GW1 -->|"馈电链路"| SAT1
        SAT1 -->|"DL RF"| UE1
    end

    subgraph "全再生架构 (Rel-19)"
        UE2[UE] -->|"UL RF"| SAT2["卫星<br/>gNB全部协议栈<br/>PHY~RRC"]
        SAT2 -->|"馈电链路<br/>NG接口"| GW2[地面网关]
        GW2 -->|"NG"| CN2[5GC]
        CN2 -->|"NG"| GW2
        GW2 -->|"馈电链路"| SAT2
        SAT2 -->|"DL RF"| UE2
    end

    subgraph "部分再生架构 (Rel-19, CU/DU Split)"
        UE3[UE] -->|"UL RF"| SAT3["卫星<br/>gNB-DU<br/>PHY+MAC+RLC"]
        SAT3 -->|"馈电链路<br/>F1接口"| GW3[地面<br/>gNB-CU<br/>PDCP+RRC+SDAP"]
        GW3 -->|"NG"| CN3[5GC]
        CN3 -->|"NG"| GW3
        GW3 -->|"F1"| SAT3
        SAT3 -->|"DL RF"| UE3
    end

2.2 再生载荷对规范的影响

再生载荷的引入对TS 38.300和TS 38.331产生了深远影响:

RRC层变化(TS 38.331 V19.x.x):SIB19进行了扩展,新增了再生载荷相关的卫星辅助信息,包括星上gNB的处理能力指示、CU/DU分离模式下F1接口的时延补偿参数。RRC Reconfiguration消息中新增了NTN-specific的移动性参数,用于支持NTN-NTN切换场景下的目标卫星信息配置。

MAC层变化(TS 38.321 V19.x.x):再生载荷场景下,调度器位于星上,TA计算逻辑需要适配。由于星上调度器可以直接测量UE上行信号的到达时间,TA补偿机制从Rel-17的"网络侧预补偿+UE侧补偿"双层结构简化为星上调度器直接计算并下发TA命令的模式。

物理层变化(TS 38.214 V19.x.x):再生载荷场景下的HARQ-ACK时序需要重新定义。透明转发模式下k1时序需考虑星地往返时延,而再生载荷模式下k1可以直接使用地面NR的标准值(如FDD场景下的4个slot),大幅简化了时序关系。

三、存储转发(S&F)模式:断续覆盖的终极解法

Rel-19引入的另一个突破性架构是存储转发(Store-and-Forward, S&F)模式。该模式专为LEO卫星星座设计,解决卫星无法始终保持与地面网关连接的场景。

在S&F模式下,具有再生载荷的卫星可以: - 在无馈电链路连接时,存储UE发送的上行数据在星上 - 当卫星飞经可用的地面网关覆盖区域时,转发存储的数据到地面网络 - 反向同理:地面网络数据可预先推送至卫星,卫星在飞经UE上空时下发

S&F模式的核心挑战在于:如何让UE和5GC感知这种非实时传输特性,同时又不过度破坏现有协议栈。Rel-19的设计思路是对传统UE透明——S&F模式下的存储和转发操作在gNB内部实现,UE侧无需感知数据是否经过了星上缓存。这意味着,从UE视角看,它仍然连接着一个正常的NR小区,只是某些下行数据的延迟可能异常增大。对5GC侧,S&F模式通过gNB-CU(地面)与UPF之间的传输层机制来适配,SMF可以通过QoS参数配置容忍更高的包时延预算。

S&F模式在TS 38.300 V19.x.x中被定义为一种新的操作模式,卫星需要向UE广播其当前是否支持实时连接(通过SIB19中的S&F指示IE)。当卫星处于S&F模式时: - UE的RRC连接仍然保持 - 上行数据在星上DU进行MAC/RLC层处理后缓存在PDCP层 - RRC信令(如Measurement Report)同样可以被缓存 - 定时器(如T300、T301、T310)需要适配S&F模式下的超长等待时间

四、频谱扩展:6个新NTN频段的战略布局

Rel-19在NTN频谱方面进行了大范围扩展,新增了6个频段,使NTN频段总数达到10个以上。

频段编号 频率范围 双工方式 最小带宽 卫星类型 Rel引入 备注
n255 1626.5-1660.5 / 1525-1559 MHz FDD 3 MHz LEO/MEO/GEO Rel-17 L波段,现有
n256 2170-2200 / 1980-2010 MHz FDD 3 MHz LEO/MEO/GEO Rel-17 S波段,现有
n251 — FDD 5 MHz LEO Rel-18 扩展S波段
n252 — FDD 5 MHz LEO Rel-18 扩展S波段
n253 新定义 FDD 5 MHz GEO Rel-19 BOG广播卫星专用
n254 新定义 FDD 3 MHz LEO/MEO/GEO Rel-19 支持高功率UE
n255增强 — — — — Rel-19 高功率UE RF要求
n256增强 — — — — Rel-19 高功率UE RF要求
n508 Ku波段 FDD — LEO/GEO Rel-19 FR2-NTN 新增
n509 Ku波段 FDD — LEO/GEO Rel-19 FR2-NTN 新增

其中最值得关注的是:

n253 BOG频段:这是Rel-19为Broadcast over GEO(BOG)卫星广播服务专门定义的新频段,标志着卫星广播正式纳入3GPP体系。BOG使用GEO卫星实现广域5G广播,适用于应急广播、电视内容分发等场景。

n254/n255增强/n256增强:这三个频段支持更高发射功率的NTN UE。在Rel-17/18中,手持终端的发射功率限制在23dBm,上行覆盖受限严重。Rel-19通过重新定义RF要求(TS 38.101-5 V19.x.x),允许UE在n254/n255/n256频段使用更高功率(最高可达31dBm的Power Class 3 VSAT级别),显著改善上行链路预算。同时支持sub-5MHz的窄带操作(最低3MHz),提升边缘覆盖性能。

n508/n509 Ku波段:Rel-19在FR2范围内新增Ku频段(约12-18GHz),主要用于馈电链路和VSAT终端的服务链路。Ku波段提供更宽的可用带宽,适合高速数据传输,但需要UE具备更复杂的天线和射频前端。

五、NTN-NTN星间切换:卫星移动性的终极挑战

LEO卫星以约7.5km/s的速度绕地飞行,单颗卫星的可见时间窗口仅10-15分钟。这意味着UE必须频繁地在不同卫星之间切换。Rel-17/18仅支持有限制的NTN移动性(主要是同一卫星内不同波束之间的切换),Rel-19正式引入了卫星到卫星(NTN-NTN)的切换。

5.1 切换场景分类

Rel-19定义了三种NTN-NTN切换场景:

  1. 同轨道面切换(Intra-orbit Handover):同一轨道面内前后两颗卫星之间的切换。卫星运动方向一致,切换时间窗口相对充裕。
  2. 跨轨道面切换(Inter-orbit Handover):不同轨道面卫星之间的切换。需要精确的轨道预测和定时控制。
  3. NTN到地面网络切换(NTN-to-TN Handover):从卫星网络切换到地面蜂窝网络(Rel-18引入的NTN-TN互操作基础上增强)。

5.2 切换信令流程

图表3

图表 3

NTN-NTN切换的核心难点在于:卫星位置是动态变化的。地面网络的切换中,目标基站位置固定,邻区关系静态配置。但在NTN中,卫星持续运动,邻区关系随时间变化。Rel-19的解决方案是:

5.3 RRC层关键新增IE

在TS 38.331 V19.x.x中,为支持NTN-NTN切换,以下IE被新增或增强:

IE名称 方向 功能说明
NTN-TargetSatelliteInfo Network → UE 携带目标卫星的星历信息、TA预补偿值、频率信息
NTN-HandoverCondition Network → UE CHO执行条件(时间窗口+地理范围)
SIB19-RegenerativeIndicator Network → UE (BCCH) 指示当前卫星是否为再生载荷模式
SIB19-SFModeIndicator Network → UE (BCCH) 指示当前卫星是否处于S&F模式
NTN-TimingAdvance-Enhanced Network → UE 增强的TA命令,支持更高精度的补偿
UPLinkPowerControl-NTN-Enhanced Network → UE 高功率UE的上行功率控制参数

六、RedCap over NTN:低复杂度终端的卫星接入

Rel-19首次将RedCap(Reduced Capability)终端引入NTN场景。这是一个重要的战略决策——RedCap终端(可穿戴设备、工业传感器、视频监控摄像头)成本远低于普通NR终端,使其成为NTN大规模商用的关键推手。

6.1 设计考量

将RedCap引入NTN面临独特的挑战:

Rel-19在TS 38.101-5 V19.x.x中定义了RedCap UE在FR1-NTN频段(n254/n255/n256)的RF要求,支持最低3MHz带宽操作。RedCap over NTN主要面向资产追踪、远端监控、海上传感器等场景,这些场景对数据速率要求低(通常<2Mbps),但对覆盖范围和终端成本极为敏感。

6.2 RedCap/eRedCap能力对比

参数 RedCap (Rel-17) eRedCap (Rel-18) RedCap over NTN (Rel-19)
最大带宽 (FR1) 20 MHz 5-10 MHz 3-20 MHz
最大天线数 1 Rx (DL), 1 Tx (UL) 1 Rx, 1 Tx 1 Rx, 1 Tx
最大调制阶数 64QAM 64QAM 64QAM
最大层数 1 1 1
峰值速率 <220 Mbps (DL) ~50 Mbps 根据NTN带宽限制
典型场景 可穿戴/传感器 更低成本传感器 卫星IoT/资产追踪
功率等级 23 dBm 20 dBm 23 dBm(可提升)

七、网络侧位置验证:合规与安全的基石

Rel-19 NTN引入了网络侧位置验证(Network-Based Location Verification)功能。在NTN场景下,卫星波束覆盖范围可达数百公里(GEO波束直径可达500km以上),传统的小区级定位完全不可用。然而,许多国家的监管要求(如紧急呼叫定位、合法拦截)需要网络知道UE的精确位置。

Rel-19的位置验证机制基于以下原理: - UE通过GNSS获取自身位置,并通过NAS信令上报给5GC - 网络侧独立验证UE上报位置的真实性,通过综合分析UE的上行信号传播时延(可推算UE到卫星的距离)、卫星当前位置(星历)以及地球几何模型 - 网络可以将UE上报位置与推算位置进行比对,验证UE是否在合法地理区域内

该机制在TS 38.305 V19.x.x中定义,与AMF的Location Management Function(LMF)协同工作,通过NRPPa消息获取gNB侧的UE测量信息(UL SRS-RSRP、Rx-Tx时间差等)。

八、PRACH增强:长传播时延下的随机接入优化

NTN场景下,PRACH面临的核心挑战是极大的传播时延差异。GEO卫星的传播时延约135ms,LEO卫星根据仰角不同在3-15ms之间变化。Rel-17引入了NTN-specific的PRACH格式(如Format 0/1/2在NTN场景下的扩展CP),Rel-19进一步优化:

九、BOG:卫星广播新范式

Rel-19引入的BOG(Broadcast over GEO Satellite)是一项独特的创新。BOG利用GEO卫星的广域覆盖能力,实现5G MBS(Multicast/Broadcast Service)的卫星投递。

BOG的关键特性: - 专用频段n253:为BOG定义了新的FDD频段,下行链路专用于广播传输 - PTM传输模式:使用SC-PTM(Single Cell Point-to-Multipoint)或MBS广播模式 - 仅下行操作:BOG终端可以只接收卫星广播信号,无需上行能力(类似卫星电视接收器) - 与地面MBS协同:BOG可以与地面5G MBS网络协同,实现卫星+地面的混合广播

应用场景包括:应急预警广播(地震、海啸、台风)、大规模软件/固件分发(车载OTA)、直播内容分发等。BOG在TS 38.300和TS 38.214中定义了相应的物理层和MAC层机制。

十、现网部署建议与迁移策略

10.1 运营商部署路线图

阶段 时间窗口 部署模式 关键技术
第一阶段 2026-2027 透明转发+地面增强 Rel-17/18 NTN基础服务,重点覆盖海洋/偏远地区
第二阶段 2027-2028 部分再生+S&F Rel-19 CU/DU分离架构,LEO星座初步组网
第三阶段 2028-2030 全再生+NTN-NTN切换 完整Rel-19 NTN能力,卫星间无缝切换
第四阶段 2030+ NTN-TN深度融合 Rel-20/6G统一非地面/地面网络

10.2 参数配置要点

gNB配置(再生载荷场景): - HARQ-ACK反馈时序:再生载荷下可使用标准k1值(4-15 slots),无需NTN-specific扩展 - DRX周期:建议配置长DRX周期(≥320ms)以适应NTN长时延 - RRC定时器:T300/T301需根据S&F模式适当延长(建议Rel-19默认值的2倍以上) - 切换触发阈值:NTN场景下RSRP波动较大,建议降低eventA3偏移量(-2~-4 dB)

UE侧建议: - 确保GNSS能力:NTN操作依赖精确的UE位置和定时同步 - RedCap终端注意:FR1-NTN最低3MHz带宽,需确认芯片支持 - 高功率UE:需满足n254/n255/n256的TS 38.101-5 V19 RF要求

十一、与其他规范的关联

规范编号 版本 与NTN的关联
TS 23.501 V19.x.x 5GC对NTN的支持,包括AMF移动性管理和SMF会话管理的NTN适配
TS 23.502 V19.x.x NTN相关的注册、PDU会话建立、切换流程
TS 38.300 V19.x.x NG-RAN总体描述,NTN架构和操作模式定义
TS 38.331 V19.x.x RRC协议,SIB19增强、NTN-NTN切换IE
TS 38.214 V19.x.x 物理层过程,CSI、HARQ、PRACH的NTN适配
TS 38.101-5 V19.x.x NTN UE RF要求,新频段、高功率等级
TS 38.305 V19.x.x NR定位,NTN位置验证
TS 38.821 V17.x.x NTN解决方案描述(基础Study Item)
TR 38.863 V19.x.x Rel-19 NTN增强Study Report

常见问题

Q: 再生载荷和透明转发可以在同一个卫星星座中混合部署吗?

A: 可以。Rel-19支持混合架构。例如,同一星座中部分卫星采用全再生(承担gNB功能),部分采用透明转发(仅做中继),地面网络根据业务需求和卫星能力灵活选择接入模式。切换过程中也可以发生架构类型的变化,UE通过SIB19中的SIB19-RegenerativeIndicator感知当前卫星的载荷类型。

Q: 存储转发模式下的数据一致性如何保证?

A: S&F模式主要面向时延容忍型业务(如IoT数据采集、消息类应用)。PDCP层的SN(Sequence Number)机制保证数据按序投递,RLC层的ARQ机制保证可靠性。网络侧通过QoS Flow的Packet Delay Budget参数适配S&F模式的长时延特性。对时延敏感的业务(如VoNR),网络应避免将UE路由到S&F模式的卫星。

Q: Rel-19 NTN对终端芯片有什么新要求?

A: 主要新增要求包括:(1) 支持新NTN频段(n253/n254/n508/n509)的射频前端;(2) 增强的GNSS能力用于精确位置和定时;(3) RedCap终端需支持sub-5MHz窄带操作;(4) 高功率UE需满足新的SAR/EME要求;(5) 支持SIB19增强的解码和NTN-NTN切换处理。现有Rel-17/18 NTN芯片通过软件升级可部分支持Rel-19特性,但新频段和高功率需要硬件更新。

Q: NTN-NTN切换的可靠性如何保证?

A: Rel-19采用条件切换(CHO)作为主要切换机制,UE在满足预设条件(时间窗口+卫星位置)时自动执行切换,减少信令交互。同时,双连接(DC)机制允许UE同时保持与源卫星和目标卫星的连接,直到切换完成。对于关键业务,建议配置切换失败后的重建立(Re-establishment)定时器,以适应NTN的长RTT。

Q: BOG卫星广播与地面5G广播有什么区别?

A: BOG使用GEO卫星的n253专用频段进行广播,覆盖范围远大于地面5G广播(单波束覆盖可达数百万平方公里)。BOG终端可以仅具备下行接收能力,无需SIM卡或网络注册。地面5G广播(MBS)则使用地面基站、需要UE注册到网络。两者可以协同工作——BOG覆盖广域基础内容,地面MBS提供区域定制内容。


本文由「51学通信」技术团队出品。51学通信由通信行业18年老兵爱卫生(微信ID: gprshome201101)维护,聚焦5G/6G核心网、3GPP标准解读、通信前沿技术深度分析。 出版作品有《5G核心网原理与实践》《IMS原理与实践》等4本通信专业书籍。知识星球「51学通信」提供深度技术答疑和行业洞察。

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