# 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*
## 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。
```text
graph TB
subgraph "透明转发架构 (Rel-17/18)"
UE1[UE] -->|"UL RF"| SAT1["卫星
(仅放大+变频)"]
SAT1 -->|"馈电链路"| GW1[地面网关
+ 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
gNB全部协议栈
PHY~RRC"]
SAT2 -->|"馈电链路
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
gNB-DU
PHY+MAC+RLC"]
SAT3 -->|"馈电链路
F1接口"| GW3[地面
gNB-CU
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*
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：
- **星历信息辅助**：SIB19中广播的卫星星历（ephemeris）信息使得UE可以预测即将可见的卫星，提前触发测量
- **条件切换（CHO）增强**：将Rel-16引入的条件切换机制适配到NTN场景，UE根据卫星位置和时间条件自动执行切换，减少信令时延
- **TA预补偿**：源卫星在下发切换命令时，携带目标卫星的TA预补偿值，UE在接入目标卫星时使用预补偿的TA，减少PRACH冲突
### 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：
- **时延敏感性**：RedCap终端通常运行时延容忍型应用，这与NTN的长传播时延天然兼容
- **功率约束**：RedCap终端的天线增益和发射功率更低，在NTN场景下上行覆盖更加挑战
- **复杂度限制**：RedCap终端的接收机能力受限（最大带宽20MHz FR1），在NTN场景下需要适配窄带操作
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：
- **增强的TA预补偿精度**：在再生载荷模式下，星上gNB可以更精确地计算UE的传播时延，通过MAC CE下发的TA命令精度提升
- **PRACH功率控制增强**：Rel-19支持高功率UE的PRACH功率控制，允许UE以更高功率发射PRACH前导序列，改善边缘覆盖
- **S&F模式下的PRACH适配**：在S&F模式下，PRACH响应（RAR）的接收窗口（ra-ResponseWindow）需要大幅扩展，以适应星上存储转发导致的额外时延
## 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。
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> 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。
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> [!tip] 51学通信知识星球
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