（本页是纯文字版，点此阅读完整版全文）

基于NTN实现汽车无处不在的连接

Jeremy Carpenter，Myca Communications；Chris Keimel，Menlo Micro

通过无线连接为乘员提供安全、信息娱乐及便利服务，已成为汽车制造商的核心设计考量——这不仅关乎合规性，更是市场竞争的关键差异化要素。随着电动汽车的普及，消费者购车优先级正从性能导向转向用户功能体验，例如远程车辆控制和车载娱乐系统。这种转变在高级自动驾驶技术普及后尤为显著——驾驶员参与主动驾驶的程度降低，而对车载服务的消费需求日益增长。图1展示了汽车互联的可视化呈现。

图1 联网车辆可视化示意图

因此，汽车制造商致力于确保服务与应用程序的无缝用户体验——这些服务大多基于云端运行并支持远程激活，从而构建软件定义的车辆。当前这些服务主要通过地面蜂窝网络（TN）提供，但汽车行业面临重大覆盖缺口挑战——尤其在澳大利亚、加拿大和美国等国人口稀少的农村地区。此外，当地面网络因冲突或环境灾害受损时，非地面网络（NTN）能提供通信韧性。整车制造商、政府机构及5G汽车协会（5GAA）等行业组织正积极探索NTN在蜂窝网络覆盖不足区域提供补充无线连接的作用。宝马集团合作伙伴经理兼5GAA NTN工作组负责人奥拉夫·埃卡特精辟阐述了汽车行业的目标："断连绝对不行。"

现状

NTN的运营可行性源于两大基础支撑：其一是技术突破与卫星发射规模经济，使数百颗低轨道卫星得以通过多任务部署形成完整星座；其二是第三代合作伙伴计划（3GPP）R17及后续版本为NTN实施与集成提供的框架支持。该框架为NTN的实施及其与TN的集成奠定了基础。

5GAA率先为汽车行业采用NTN指明了方向。该组织将应用场景按数据速率划分为三类：窄带（低于400Kbps）如语音通信、道路安全及远程服务；亚宽带（wideband，低于10Mbps）如车队监控、故障诊断及OTA软件更新；宽带（broadband，高于10Mbps）如视频娱乐与游戏。

目前，EchoStar和ViaSat-Inmarsat等卫星星座已投入运营，通过物联网-NTN为移动终端提供连接服务。卫星公司Skylo Technologies现为超过500万用户提供终端设备直连卫星连接，支持符合3GPP R-17标准的商用设备，如谷歌Pixel 9和三星Galaxy系列。此外，SpaceX运营的卫星互联网星座Starlink已有300余颗第二代卫星在轨运行，并已与T-Mobile合作在美国为LTE智能手机提供直连卫星NTN服务。Starlink还通过专有协议在Ku波段和Ka波段向用户终端提供宽带无线服务。汽车造成的信号衰减阻碍了设备在车内的运行。尽管宝马等整车制造商以及哈曼、联发科等远程信息控制单元（TCU）供应商发布了诸多积极的可行性声明，但目前市场上尚无提供NTN连接功能的车辆。当前仍存在重大障碍：尚未出现符合3GPP标准、运行于2GHz左右S频段且兼容现有车载无线连接的低轨道卫星星座。

据5GAA预测，此类汽车服务的首批大规模部署预计将在2027年前后实现。该时间节点主要受芯片开发、集成与验证的漫长周期所制约。初期汽车服务将聚焦窄带应用场景，涵盖安全与车队管理领域（如紧急呼叫和被盗车辆追踪），这些功能将在3GPP R17框架内实现。随后，亚宽带NR-NTN应用场景（如远程驾驶辅助和互联网浏览）预计将在2029年于3GPP R17/18框架内实现。而宽带NR-NTN应用场景（如高清视频流媒体和云游戏）最早要到2030年后才能启动。

非地面通信网（NTN）与地面通信网（TN）存在三大根本性技术差异：首先，无线连接距离存在显著差异——典型地面通信网小区覆盖范围为数百米，而低轨道卫星覆盖范围可达数百公里，地球同步轨道卫星覆盖范围更可达36,000公里。其次，整个网络处于持续运动状态。第三，载波频率更为多样化，涵盖L波段、S波段、Ku波段及Ka波段。频段多样性带来了链路预算与时延挑战，需额外考虑信号传播衰落问题，并对车载设备与卫星端的跟踪及带宽提出更高要求。此外，与传统地面网络相比，NTN还需应对多个维度的额外挑战，包括小区重选、卫星内/波束间切换、卫星间切换、NTN与TN间的双向切换等。这些额外维度对网络架构师提出了更高的设计要求，以确保无缝移动性——尤其当单颗低轨道卫星仅在地面可见数分钟，而车辆本身可能以150公里/小时的速度行驶时。

为在现有地面网络连接基础上补充卫星网络连接所需的技术发展，取决于具体频段、卫星星座配置以及应用场景的数据速率和时延要求。主要涉及车辆无线连接（TCU和天线）、车载网络以及卫星波束赋形技术的改进。

车辆考量

车辆外部无线连接的核心模块是TCU，其整合了4G、5G、C-V2X和GNSS等蜂窝/非蜂窝/导航无线标准，并连接车载网络以支持通话、视频流媒体及自动驾驶等服务。在NTN的初期部署中，TCU需集成符合3GPP R17标准的芯片组，并能利用现有5G射频频段。例如，Skylo正与三星子公司哈曼合作，通过哈曼的Ready Connect TCU实现车载双向应急信息传输。该方案可通过卫星传输紧急警报与实时天气更新，在移动网络中断的灾害场景中尤为关键。但目前市面上尚未出现支持NTN的商用车辆。此外，支持需Ka波段和Ku波段连接的宽带应用场景，将对TCU和天线的无线电技术构成颠覆性变革。

当前用于连接TCU与外部世界的车顶天线虽已具备L频段覆盖能力，但其辐射模式主要面向地面基站连接。5GAA的初步研究表明，车顶安装的全向天线足以支持S频段低轨道卫星通信。结合新一代TCU的集成，这将成为实现车载NTN所需硬件升级的第一步。然而，支持地球同步轨道卫星所需的更高链路预算要求，将迫使车顶需容纳相控阵天线，这对整车制造商构成尺寸、重量和成本挑战。该方案在传统乘用车上虽可实现（前提是开发出合适天线），但在商用车或农用车上或许更具可行性。

在数字领域，宽带NTN应用场景带来的海量数据与复杂处理需求，将推高车载网络传输速率，并对域控制器、区域控制器及中央处理器执行的数字信号处理提出更高要求。

半导体供应商Microchip Technology汽车产品集团企业副总裁Matthias Kaestner认为，需整合车载网络标准以减轻网关在不同协议间转换通信的负担，并构建更高效的网络。这些标准可归为三大基础类别（如图2所示）：以太网支持可扩展且安全的数字通信；PCI Express（PCIe）用于短距离超高速SoC互连；串行器/解串器（SerDes）则适用于成本与功耗更优的非对称通信，例如摄像头视频传输或车载娱乐系统。Kaestner解释道，为推动汽车行业实现软件定义车辆、更高阶自动驾驶及NTN等新技术，现有分布式网络架构过于臃肿低效，亟需采用以太网为核心的区域化架构。

图2 汽车网络的三大支柱。来源：Microchip Technology, Inc.

随着总线速度提升——例如MultiGigBASE-T1以太网标准已达5GHz，PCIe Gen 6更达64Gbps——频率已进入微波领域，伴随而来的瞬态、耦合与隔离问题，正是模拟射频设计师所熟悉的挑战。随着技术边界日益模糊，高速通信的线性度与信号完整性愈发关键，这一趋势同样适用于集成电路的测试领域。图3展示了车载网络演进为"移动数据中心"的示意图，随着总线速度进入微波频段，其架构正向集中式计算、区域化架构及高速以太网骨干网转变。

图3 演进中的车载网络示意图

实现更高阶自动驾驶所需的复杂传感器（如高清视频与MIMO雷达）数量激增，加之消费者对高清流媒体视频、实时游戏等数据密集型车载娱乐系统的需求，正推动车载网络数据量与传输速率攀升，并提升高性能计算机（HPC）所需的处理能力。这同时要求对HPC进行更复杂、更快速的测试。当前用于测试HPC的半导体基开关无法满足新一代HPC对线性度、速度及隔离度的要求——这些系统需处理高达64Gbps的PCIe Gen6信号。此外，它们也无法满足高精度直流参数测试序列的需求。

近年来，业界开展了大量研究以开发新型开关类别，旨在支持现有及下一代芯片产品的测试测量，涵盖高速以太网、PCIe Gen6及未来技术，同时兼顾SerDes需求。多样化的通信平台与协议推动开关技术实现更高密度、更小尺寸，在扩展频率覆盖范围、延长使用寿命及提升线性度的同时，通过降低功耗来最大限度减少发热。当前微机电系统（MEMS）开关（如Menlo Micro产品）可在直流至50GHz频段内实现IP3>90dBm的线性度与低于1dB的插入损耗。该性能确保即使在最严苛的IC测试环境中，也能保障测试精度与完整性。图4展示了Menlo Micro平台开关，该产品支持车载集成电路的高速数字测试，提供验证当前及下一代车载系统所需的关键信号完整性、插入损耗和隔离性能。图5呈现了通过Menlo Micro开关获得的64Gbps PAM4性能眼图数据。

图4 Menlo Micro射频平台开关。

图5 Menlo Micro开关传输的眼图数据。

正如Menlo Micro首席执行官Russ Garcia所言："更快的数据速率和高速总线对下一代应用至关重要，尤其是支持自动驾驶及其他关键车载服务的边缘AI和汽车互联技术。这使得针对HPC、xPU及其他半导体和物联网设备进行超高速线性测试的需求日益增长——而此类测试此前尚不可得。基于MEMS开关技术的封装系统解决方案，为汽车生态系统提供了完全集成的差分环回测试方案，专为基于最新SoC互连技术、SerDes及PCIe Gen 6标准的高要求高速数字应用而设计。"

卫星系统考量

从汽车转向卫星领域，实现NTN的关键设计考量在于无线链路，这直接影响波束赋形技术的需求。敏捷高效的波束赋形对保障NTN通信链路的可用性与服务质量至关重要。然而系统设计师需在满足这些要求的同时，避免因尺寸、重量和功耗的非现实需求而增加卫星负担。在卫星上，开关承担着在有效载荷中路由信号的职责，并控制馈入相控阵天线的衰减器和移相器以实现波束赋形。典型卫星可能搭载数百个开关。

高速数字测试对开关提出的类似性能要求，与高功率微型宽带波束赋形器对芯片级解决方案的需求高度契合。波束赋形是NTN连接的关键技术，卫星开关在严格的SWaP约束下实现信号路由与相控阵天线控制——其性能需求与高速数字测试系统如出一辙。例如，波束赋形器通常消耗卫星总能耗预算的25%。通过用MEMS开关替代固态开关，并利用其优异的功耗和插入损耗特性，可在不降低可靠性的前提下将功耗降至总预算的5%以下。此外，该开关在直流至50GHz频率范围内均能实现小于1dB的插入损耗。射频域的线性问题会降低频谱纯度并引发非预期调制。由于MEMS开关的线性度可比典型固态开关高出数个数量级，系统可在更高功率下运行且无显著失真，从而提升能效并改善向终端用户提供的服务质量。这促使人们重新思考有效载荷设计中的多频段方案，转向统一的超宽带卫星通信系统，以及未来车辆平台上的波束赋形解决方案。图6展示了卫星到汽车连接的艺术效果图。

图6 NTN汽车互联概念示意图

历史上，系统工程师在选择开关时面临艰难抉择：需权衡机电继电器（EMR）与固态开关的性能指标，并接受相应的妥协。EMR具有更低的插入损耗和更高的功率承受能力，而固态开关则能覆盖更高频段且寿命更长。半导体器件如其名所示具有固有损耗特性，这会影响主设备的能效与能耗预算——即使处于关闭状态仍会消耗电力并产生热量。这两类方案固有的权衡限制了向NTN星座所需的高能效、紧凑型低成本卫星的迁移进程。

测试与测量

对于NTN芯片组开发商、TCU供应商、OEM厂商及卫星供应商而言，关键挑战在于如何在缺乏可验证性能的运行网络条件下确保模块及端到端系统的功能性。罗德与施瓦茨等测试测量供应商通过提供能在实验室模拟NTN的测试设备，发挥着至关重要的作用。如图7所示的罗德与施瓦茨CMX500无线电通信测试仪，可模拟端到端网络（含无线电信道与核心网），提供全面的切换测试（包括TN到NTN、NTN到TN、卫星内/卫星间切换），并支持不同厂商模块与设备的互操作性测试。车辆与卫星之间的物理距离导致延迟非常长，因此验证时间同步是无线电通信测试仪执行的另一项关键测试。

图 7 罗德与施瓦茨 CMX500。

罗德与施瓦茨技术经理 Holger Rosier 表示：“NTN是汽车连接领域的新兴维度，有望实现车辆的无处不在连接。生态系统能否有效应对延迟、新频段、多普勒效应、衰落及与地面网络集成等挑战，将决定NTN的普及速度。验证天线设计、收发器性能、切换及协议符合性，对确保NTN及其支持应用的正常运行至关重要。"

低轨道卫星的运动会产生显著的多普勒频移，因此需要测试设备确保卫星与其服务设备之间的频率同步。NTN还对验证地面至卫星及卫星至地面的信号传播提出了特殊测试挑战。在此，新型衰落模型（如大气衰落与地面衰落的组合）及特定天气效应仿真可集成至测试平台，通常由无线通信测试仪提供。若在测试平台中添加GNSS仿真仪（如罗德与施瓦茨SMBV100B），即可实现GNSS测量功能，包括星座特有的卫星轨道要素。

关键测试类别包括射频、协议、应用、运营商接纳度及互操作性测试。这些测试由行业内经认证的测试实验室执行，严格遵循GCF和PTCRB制定的认证标准及监管要求。具备NTN功能的设备上市前必须通过符合性测试，以确保符合3GPP、ETSI、FCC和ITU等机构制定的特定技术标准。

结论

汽车制造商正致力于实现车辆始终在线的愿景，尤其在向高级别自动驾驶转型及实现软件定义车辆的过程中。然而，传统网络覆盖仍存在显著局限，因此业界正积极探索NTN作为车辆无线连接的补充方案。关键市场推动因素包括卫星发射技术的商业化及NTN技术融入3GPP标准体系；核心技术支撑则在于开发适配车载天线、升级TCU与车内网络，以及通过先进MEMS开关实现卫星波束赋形技术的增强。

随着HPC数据速率提升至吉赫兹级别，数字域与射频域的边界日益模糊，催生了对高线性度、超高速集成电路测试的需求，而MEMS开关的应用可有效满足这一需求。测试设备供应商提供的网络仿真技术至关重要，它使开发人员能在缺乏实际运行NTN设备的情况下推进组件、模块及系统研发。尽管窄带、亚宽带和宽带应用场景的路线图仍存在诸多不确定性，但NTN技术在保障汽车持续连接方面具有关键作用。