NTN非地面网络 · eRedCap轻量化 · Ambient IoT环境物联网 · 通感一体化ISAC
3GPP Release 18/19 在无线接入侧引入了四项里程碑级的新技术:NTN(非地面网络)将蜂窝覆盖延伸至太空与高空平台;eRedCap(增强型轻量化5G)进一步压低成本与功耗底线;Ambient IoT(环境物联网)实现零电池/微电池的超低功耗终端;通感一体化(ISAC)将通信与雷达感知融合在同一频谱与硬件平台上。本文从物理层和协议层原理出发,逐一拆解这四项技术的核心设计逻辑。
NTN(Non-Terrestrial Network)在3GPP Release 17首次引入基础框架,Rel-18进行覆盖增强,Rel-19则实现了架构层面的重大突破——支持再生载荷(Regenerative Payload)。

图表 1
透明转发(Transparent/Bent-Pipe)架构中,卫星仅执行RF放大和频率转换,所有基带处理(调制/解调、信道编码、MAC调度)在地面gNB完成。这种架构协议改动最小,但存在两大物理层瓶颈:
再生载荷(Regenerative)架构在Rel-19中引入,将gNB的功能(CU/DU或完整gNB)部署在卫星上。核心优势:
| 维度 | 透明转发 | 再生载荷 |
|---|---|---|
| 卫星功能 | RF放大+变频 | 完整基带处理 |
| 时延(用户面) | 双跳(UE→Sat→GW→gNB) | 单跳(UE→Sat上gNB) |
| Feeder Link | 承载Uu接口 | 承载NG接口 |
| 切换复杂度 | 高(需地面网关切换) | 低(仅NG切换) |
| 卫星复杂度 | 低 | 高(需星载基带) |
| 标准化版本 | Rel-17/18 | Rel-19 |
NTN物理层设计面临的最大挑战是LEO卫星的高速运动。一颗轨道高度600km的LEO卫星,运行速度约7.5 km/s,在Ka波段(20GHz)产生的多普勒频移可达:
$$f_D = \frac{v}{c} \cdot f_c = \frac{7500}{3 \times 10^8} \times 20 \times 10^9 \approx 500 \text{ kHz}$$
这远超NR系统OFDM子载波间距(15kHz/30kHz),会导致严重的载波间干扰(ICI)。3GPP的解决方案是网络侧预补偿 + UE侧自主补偿的二级架构:
网络侧(卫星/网关)预补偿: - 卫星根据自身星历(Ephemeris)数据和波束中心点,计算该波束的公共多普勒偏移 - 在下行发射时预偏移载波频率,使波束中心UE收到的信号接近标称频率 - 残余多普勒(由UE偏离波束中心引起)由UE补偿
UE侧自主补偿: - UE利用GNSS定位获取自身位置 - 从SIB19读取卫星星历信息(轨道参数、定时信息) - 自主计算Timing Advance(TA)和多普勒残余进行预补偿
TA计算的核心公式:
$$NTA = \frac{1}{2}(T_{prop,UE \to SV} + T_{prop,SV \to gNB})$$
其中UE到卫星的传播时延 $T_{prop,UE \to SV}$ 由UE根据GNSS位置和星历自主计算,卫星到网关的时延 $T_{prop,SV \to gNB}$ 由网络广播。

图表 2
Rel-19在NTN方面引入了多项关键增强(参考3GPP TS 38.300, TR 38.821):
RedCap(Reduced Capability,也称为NR-Light)在Rel-17首次引入,填补eMBB/URLLC与NB-IoT/LTE-M之间的市场空白。Rel-18引入的eRedCap(enhanced RedCap)进一步压缩终端复杂度。

图表 3
eRedCap的核心设计思想是"够用就好"——在满足目标场景需求的前提下,尽可能简化RF和基带要求:
| 参数 | Rel-17 RedCap | Rel-18 eRedCap | 缩减比例 |
|---|---|---|---|
| 最大带宽(FR1) | 20 MHz | 5 MHz | 75%↓ |
| 最大带宽(FR2) | 100 MHz | 不支持 | N/A |
| 接收天线数 | 1-2 RX | 1 RX | 50%↓ |
| 最大调制阶数 | 256QAM | 64QAM | - |
| 双工模式 | FDD/TDD | HD-FDD优先 | - |
| 最大层数 | 2 | 1 | 50%↓ |
| 峰值速率(DL) | ~150 Mbps | ~10 Mbps | 93%↓ |
| 峰值速率(UL) | ~50 Mbps | ~5 Mbps | 90%↓ |
| UE处理能力 | 复杂度等级1-2 | 进一步降低 | ~50%成本↓ |
eRedCap的带宽压缩从20MHz到5MHz,这不仅是简单的"少用几个PRB",而是牵一发而动全身的协议级重构:
半双工FDD(HD-FDD)的引入: 传统FDD要求UE同时支持收发(双工器),HD-FDD允许UE在不同时刻交替收发,省去双工器,显著降低RF前端成本。代价是吞吐量减半,但对于智能手表、传感器等低流量场景完全可接受。
1 RX天线简化: 从2RX降到1RX,意味着: - 无分集增益(约3-4dB覆盖损失) - 无法支持MIMO空分复用 - 需要通过PDSCH重复(Repetition)和覆盖增强技术补偿
eRedCap UE能力通过RRC信令上报(TS 38.331),网络在UE-NR-Capability消息中通过nr-RedCapUE字段标识RedCap/eRedCap设备。
gNB需要识别RedCap/eRedCap终端以进行差异化调度。识别机制:
RRCSetupRequest中携带redCapUE指示RRCSetupComplete中的UE-NR-Capability确认调度策略建议: - 为eRedCap分配窄带宽BWP(5MHz),避免占用宽带资源 - 配置更长的DRX周期以省电 - HD-FDD场景下,调度器需避免同一时刻调度UL和DL - 使用Type0-PDCSS CSS的窄带搜索空间,简化初始接入
截至2026年初,主流芯片厂商(高通、联发科、紫光展锐)已推出RedCap芯片平台,eRedCap芯片正在流片阶段。运营商方面,中国移动、Telefonica、KDDI等已开展RedCap商用部署,主要面向工业传感器和FWA(Fixed Wireless Access)场景。
Ambient IoT(A-IoT,环境物联网)是3GPP Release 19引入的最具革命性的终端类别。其核心技术——反向散射通信(Backscatter Communication),与传统主动发射截然不同:
传统IoT终端(NB-IoT/RedCap):终端自身产生RF载波 → 调制 → 放大 → 发射。需要PA(功放)、频率合成器、DAC等高功耗组件。
Ambient IoT终端:利用环境中的已有RF信号(来自gNB、UE或其他发射源),通过改变自身天线阻抗来调制反射信号。终端不产生任何主动RF信号。
传统IoT终端发射链路:
基带数据 → DAC → 调制器 → 频率合成器 → PA → 天线 → 空间传播
功耗:~100mW - 1W
Ambient IoT终端发射链路:
基带数据 → 阻抗调制器 → 天线 → 反射/吸收环境RF信号
功耗:~1-10μW(微瓦级)
功耗降低了约5个数量级,使无电池运行成为可能。
3GPP TR 38.848和TS 38.191定义了三种A-IoT设备类别:
| 特性 | Class A(无源) | Class B(半无源) | Class C(半无源+) |
|---|---|---|---|
| 电源 | 无电池,纯能量收集 | 微电池/超级电容 | 电池供电 |
| 通信方式 | 纯反向散射 | 反向散射 | 反向散射+可选主动发射 |
| 下行接收 | 极简解调(仅OOK) | OOK/ASK解调 | 更强解调能力 |
| 能量来源 | 环境RF收集 | 环境RF+微电池 | 电池+可选RF收集 |
| 复杂度 | 最低 | 中等 | 较高 |
| 典型成本 | <$0.10 | <$0.50 | <$2 |
| 通信距离 | <5-10m | <10-20m | <20-50m |
| 数据速率 | ~1-100 kbps | ~10-500 kbps | ~100-1000 kbps |
| 典型应用 | 物流标签、商品溯源 | 智能包装、环境传感器 | 工业传感器、医疗监测 |

图表 4
3GPP Rel-19定义了两种Reader角色:
能量收集(Energy Harvesting):
A-IoT设备从环境RF信号中提取能量。整流电路将RF信号转换为直流电压,储能于电容中。收集功率可建模为:
$$P_{harvest} = \eta \cdot P_{rx} = \eta \cdot P_{tx} \cdot G_{tx} \cdot G_{rx} \cdot \left(\frac{\lambda}{4\pi d}\right)^2$$
其中 $\eta$ 为整流效率(典型5-20%),$d$ 为距离。以gNB发射43dBm、Reader距标签5m为例,标签收集功率约1-10μW。
调制方式:
反向散射调制的本质是改变天线反射系数 $\Gamma$:
$$\Gamma = \frac{Z_{ant} - Z_0}{Z_{ant} + Z_0}$$
通过在 $Z_1$(匹配状态,低反射)和 $Z_2$(失配状态,高反射)之间切换,实现数据传输。
编码与差错控制:
A-IoT采用极简编码方案以降低Tag复杂度: - 基础FEC:Reed-Muller码或重复编码 - 无HARQ重传(Tag太简单无法缓存数据) - 通过多次重复发送提升可靠性
| 维度 | RFID/NFC | Ambient IoT (3GPP) |
|---|---|---|
| 标准 | ISO 18000系列 | 3GPP TS 38.191 |
| 频段 | 13.56MHz / 860-960MHz | NR授权频段 |
| 覆盖 | 专有Reader | 蜂窝网络集成 |
| 网络集成 | 无 | 完整5GC集成 |
| 读取距离 | <1m(HF)/ <10m(UHF) | <50m |
| 蜂窝协同 | 不支持 | 与NR/NB-IoT协同 |
| 核心差异 | 独立系统 | 蜂窝生态一部分 |
Ambient IoT的核心优势在于与蜂窝网络的原生集成——标签数据可直接通过5GC传至应用平台,无需中间件转换。这是传统RFID无法实现的。
通感一体化(Integrated Sensing and Communication, ISAC)的核心思想是:利用同一套OFDM信号同时完成数据传输和环境感知(目标检测、测距、测速、成像)。在3GPP Release 18的研究项目TR 22.837中完成可行性研究,Release 19正式进入工作项目(Work Item)阶段。
传统方案中,通信和雷达各自占用独立频段,使用独立硬件。ISAC通过联合波形设计和资源共享,实现频谱效率的倍增:

图表 5
OFDM信号的通信功能大家都很熟悉:数据映射到子载波 → IFFT → 加CP → 发射。但OFDM信号同时也是一个优秀的雷达信号。原理如下:
距离估计(Range Estimation):
OFDM信号在多个子载波上同时发射,每个子载波是频率域上的一个采样点。目标反射信号经过往返时延 $\tau$ 后被接收,产生相位偏移:
$$\phi_k = -2\pi f_k \cdot 2R/c$$
其中 $f_k$ 是第 $k$ 个子载波频率,$R$ 是目标距离。对频域数据做IFFT即可得到距离剖面(Range Profile),距离分辨率为:
$$\Delta R = \frac{c}{2B}$$
其中 $B$ 是信号带宽。100MHz带宽对应的距离分辨率约为1.5m。
速度估计(Velocity Estimation):
利用多个OFDM符号之间的相位变化,可以估计目标的径向速度。在符号间进行FFT,速度分辨率为:
$$\Delta v = \frac{\lambda}{2T_{obs}}$$
其中 $T_{obs}$ 是观测时间(多个符号的持续时间)。
角度估计(Angle Estimation):
利用接收天线阵列的相位差异,通过波束成形或MUSIC/ESPRIT等高分辨算法估计目标角度。
Rel-19 ISAC工作项的核心内容包括:
1. 感知信号设计: - 复用现有NR参考信号(CSI-RS、SRS、SSB)作为感知信号(Rel-19初期方案) - 引入专用感知参考信号(Sensing RS),优化自相关和互相关特性 - 支持灵活的时频资源配置
2. 感知拓扑:
| 拓扑 | 发射节点 | 接收节点 | 特点 |
|---|---|---|---|
| 单站(Monostatic) | gNB | gNB(同址) | 自发自收,需全双工 |
| 双站(Bistatic) | gNB | UE或另一gNB | 无需全双工,需协调 |
| UE发起 | UE | gNB | 上行感知 |
| UE辅助 | gNB | UE | 下行感知,UE上报 |
3. 感知测量与上报:

图表 6
4. 自干扰消除:
单站感知面临的核心挑战是发射信号泄漏到接收通道。自干扰功率可能比目标回波高100dB以上。Rel-19考虑的自干扰消除技术包括: - 模拟域消除:RF前端使用参考信号重建并抵消自干扰 - 数字域消除:基带使用自适应滤波器消除残余自干扰 - 天线隔离:收发天线物理分离或使用极化隔离
| KPI | 典型值(Rel-19) | 说明 |
|---|---|---|
| 距离分辨率 | 1.5m @ 100MHz | 带宽决定 |
| 速度分辨率 | 0.1 m/s @ 100ms观测 | 观测时间决定 |
| 角度分辨率 | 1-5°(取决于阵列规模) | 天线孔径决定 |
| 感知范围 | 200-500m(蜂窝场景) | 发射功率和目标RCS决定 |
| 感测时延 | <100ms | 从信号发射到结果上报 |
| 通信影响 | <10%吞吐量损失 | 感知资源占用通信资源 |
场景一:低空无人机监管 - 利用gNB的下行信号感知低空无人机 - 无需额外雷达设备,复用现有基站 - 挑战:无人机RCS小(~0.01m²),需要高发射功率和高灵敏接收
场景二:智慧交通车流监测 - 路侧gNB同时提供V2X通信和交通流量感知 - 可检测车辆位置、速度、密度 - 优势:无需额外传感器,通信+感知一体化
场景三:室内健康监测 - 利用Wi-Fi或NR信号感知人体呼吸、跌倒等 - 非接触式,保护隐私 - 挑战:室内多径复杂,需要高精度信道建模
部署实战要点: - 频段选择:感知性能与带宽强相关,建议使用n78(3.5GHz, 100MHz)或毫米波频段 - 双工配置:TDD比FDD更适合单站感知(上下行时隙均可用于感知) - 资源分配:感知信号占用的RE需要从通信资源中扣除,需权衡通信吞吐量和感知精度 - 多站协同:单个gNB的感知角度分辨率受天线阵列限制,多gNB协同可显著提升感知性能 - 坑点提醒:感知信号对时钟同步精度要求极高(ns级),gNB间同步误差会直接影响测距精度
这四项技术并非孤立存在,而是在5G-Advanced生态中形成互补:

图表 7
一个典型的协同场景:偏远地区的物流仓储管理——NTN卫星提供回传链路连接中央仓库,eRedCap传感器监控环境参数,Ambient IoT标签追踪每个包裹位置,ISAC同时提供仓库内通信和安全监控。
| 技术领域 | NTN | eRedCap | Ambient IoT | ISAC |
|---|---|---|---|---|
| 3GPP版本 | Rel-17/18/19 | Rel-18 | Rel-19 | Rel-19 |
| 核心规范 | TS 38.300, TR 38.821 | TS 38.306, TS 38.331 | TR 38.848, TS 38.191 | TR 22.837, TS 38.xxx |
| 终端复杂度 | 中-高 | 低 | 极低 | 高 |
| 峰值速率 | ~100Mbps | ~10Mbps | ~1Mbps | 与通信共享 |
| 覆盖范围 | 100-1000km | ~1km | ~10m | ~500m(感知) |
| 时延 | 20-540ms | 10-50ms | 100ms-1s | <100ms(感知) |
| 部署状态 | 商用初期 | 商用部署中 | 标准制定 | 标准制定 |
Q: NTN透明转发和再生载荷在实际部署中如何选择? A: 透明转发适合初期快速部署,卫星只需要射频转发模块,成本低、技术成熟度高。但随着LEO星座规模扩大,再生载荷的优势(低时延、简化地面段)会越来越明显。目前Starlink等大型星座已采用部分再生载荷,3GPP Rel-19的标准化也为再生载荷铺平了道路。建议:新部署的LEO星座优先考虑再生载荷架构。
Q: eRedCap与NB-IoT会形成竞争还是互补? A: 互补关系。eRedCap面向需要中等速率(1-10Mbps)和低时延(~50ms)的场景,如工业传感器、智能穿戴。NB-IoT面向极低速率(<200kbps)、极低功耗(10年电池寿命)的场景,如智能抄表。选择依据:如果应用需要>1Mbps速率或需要5GC新功能(如网络切片、高精度定位),选eRedCap;如果只需要偶尔传几十字节且追求极致续航,选NB-IoT。
Q: Ambient IoT的Reader可以是普通手机吗? A: Rel-19标准支持UE作为Reader角色,但需要手机硬件支持发射CW信号和接收反向散射信号的能力。这需要在手机的RF前端和基带中增加特定功能模块。预计2027-2028年会有支持Ambient IoT Reader功能的商用手机面世。初期部署更可能依赖专用Reader设备或gNB集成Reader。
Q: 通感一体化(ISAC)对现有基站的硬件改造量有多大? A: 如果仅采用双站感知(gNB发射,UE或另一gNB接收),硬件改造量很小,主要通过软件升级实现——复用现有的CSI-RS/SRS信号进行感知计算。如果需要单站感知(gNB自发自收),则需要增加自干扰消除模块,涉及RF前端的硬件改动。运营商的务实路径是:Phase 1先做双站感知(纯软件升级),Phase 2再逐步引入单站感知硬件。
Q: 这四项技术在Rel-19中是否会影响现有NR终端的兼容性? A: 不会。3GPP在设计中严格保证了后向兼容性。NTN/eRedCap/Ambient IoT/ISAC都是通过新增UE能力、新频段、新参考信号来实现的,不影响现有NR UE的正常工作。网络侧需要升级基站软件(部分场景需要硬件升级),但终端侧完全透明——不支持新特性的旧终端继续按原有方式工作。
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。
[!tip] 51学通信知识星球 星主:爱卫生(微信:gprshome201101)——公众号「51学通信」创办者,19 年通信行业运维与讲师经验,著有《GPRS网络信令实例详解》《EPC原理与实践》《5G核心网原理与实践》三本纸质书(各大电商平台有售)。 星球定位:深耕 5G 核心网、IMS、NFV/AI、云原生等 ICT 领域,主打运维岗位与信令分析。 当前规模:5200 篇主题 / 990 个回答,198 元/年。 加入福利:加入星球后请加爱卫生微信,拉您进知识星球年度陪伴与答疑群——不限量回复您的各种问题,另有群内分享。 AI 加持:51学通信知识星球已作为 skill 接入 WorkBuddy,使用 deepseek-4-flash 在海量星球帖子中精准找贴、找视频、找 FAQ 和案例,做总结、找文档和 PPT 等场景全覆盖。
