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保姆级图解：用3GPP TR 38.821协议搞懂NTN卫星通信的两种RAN架构（透传星 vs 再生星）

卫星通信技术正在经历从传统地面网络向非地面网络（NTN）的跨越式发展。3GPP TR 38.821协议作为这一领域的重要技术文档，详细定义了两种截然不同的RAN架构方案：透传星（Transparent Satellite）和再生星（Regenerative Satellite）。本文将深入剖析这两种架构的技术原理、协议栈差异以及对网络性能的实际影响，帮助通信工程师和技术爱好者快速掌握NTN的核心设计思路。

1. NTN卫星通信基础概念

非地面网络（NTN）是指利用卫星、高空平台等非地面设备提供通信服务的网络架构。与传统地面网络相比，NTN具有覆盖范围广、部署灵活等优势，特别适合偏远地区、海洋和航空等场景的通信需求。

在3GPP标准体系中，TR 38.821协议专门研究了如何最小化对NG-RAN接口和协议的修改，以支持NTN场景。该协议提出了两种主要的RAN架构方案：

• 透传星架构：卫星仅作为射频中继，不处理基带信号
• 再生星架构：卫星具备基带信号处理能力，可细分为gNB在星上和gNB-DU在星上两种子方案

理解这两种架构的差异，对于设计高效、可靠的卫星通信系统至关重要。

2. 透传星架构深度解析

2.1 工作原理与信号流程

透传星架构的核心特点是卫星仅作为"空中导线"，不对信号进行任何基带处理。具体工作流程如下：

1. 上行链路：

   • UE发射NR-Uu信号
   • 卫星接收后仅进行频率转换和射频放大
   • 信号通过馈线链路传输至地面NTN网关

2. 下行链路：

   • 地面NTN网关发射信号
   • 卫星接收后同样只进行频率转换和射频放大
   • 信号通过业务链路传输至UE

[UE] --NR-Uu--> [卫星(射频中继)] --SRI--> [NTN网关] --NG接口--> [5GC]

2.2 协议栈终止点分析

在透传星架构中，所有协议栈都在地面设备终止：

提示：由于卫星不处理协议栈，透传星架构对现有NR协议改动最小，但会引入较大的传输时延。

2.3 性能特点与适用场景

透传星架构具有以下技术特点：

• 优势：

  • 卫星设计简单，成本较低
  • 与地面NR系统兼容性好
  • 适合快速部署场景

• 挑战：

  • 往返时延大（GEO卫星可达500ms+）
  • 需要gNB侧增加缓存容量
  • 频谱效率相对较低

典型应用场景包括：

• 广域覆盖补充（如海洋、沙漠）
• 应急通信
• 物联网设备连接

3. 再生星架构技术剖析

3.1 gNB在星上方案

3.1.1 架构特点

在这种方案中，整个gNB（包括CU和DU）都部署在卫星上，形成了"星上基站"的架构：

[UE] --NR-Uu--> [卫星(gNB)] --SRI/N2/N3--> [NTN网关] --NG接口--> [5GC]

关键特征包括：

• 卫星终止NR-Uu接口
• 馈线链路使用专用的Satellite Radio Interface(SRI)
• 支持星间链路(ISL)实现卫星间通信

3.1.2 协议栈设计

用户面协议栈：

UE: PHY-MAC-RLC-PDCP-SDAP 卫星gNB: 终止全部RAN协议栈 NTN网关: 仅处理传输层 5GC: UPF终止GTP-U

控制面协议栈：

UE: PHY-MAC-RLC-PDCP-RRC 卫星gNB: 终止RRC NTN网关: 透传NG-AP 5GC: AMF终止NAS

3.1.3 性能优化考虑

• 定时器调整：需要扩展NG-AP定时器以适应长时延
• 星上处理能力：卫星需具备完整的gNB功能
• ISL管理：卫星间链路增加了拓扑复杂度

3.2 gNB-DU在星上方案

3.2.1 架构创新

这种方案将CU/DU分离架构引入NTN，仅将gNB-DU部署在卫星上：

[UE] --NR-Uu--> [卫星(gNB-DU)] --SRI/F1--> [NTN网关] --F1--> [地面gNB-CU] --NG--> [5GC]

主要特点：

• DU在星上处理低层协议(PHY/MAC/RLC)
• CU在地面处理高层协议(PDCP及以上)
• 馈线链路承载F1接口协议

3.2.2 协议栈终止分布

3.2.3 实现挑战

• F1接口时延敏感：需要优化定时器设置
• CU-DU同步：长距离传输带来的时序问题
• 流量调度：星上缓存管理策略

4. 两种架构的对比分析

4.1 技术参数对比

4.2 应用场景选择建议

• 选择透传星架构：

  • 覆盖优先于容量的场景
  • 对成本敏感的项目
  • 需要快速部署的情况

• 选择再生星架构：

  • 高容量需求场景
  • 低时延要求的业务
  • 复杂拓扑组网需求

4.3 未来演进趋势

随着卫星处理能力的提升和3GPP标准的完善，再生星架构可能会成为主流方向，特别是gNB-DU在星上的方案，在性能和复杂度之间取得了较好的平衡。同时，以下技术将影响架构选择：

• 星上AI处理能力
• 太赫兹通信技术
• 软件定义卫星载荷
• 低轨星座组网技术