在卫星通信领域，5G新空口（NR）标准与非地面网络（NTN）的融合正成为推动全球通信覆盖的关键技术。这项技术不仅延续了5G在地面网络中的优势，还通过卫星等空中平台扩展了服务范围，为偏远地区、海洋和航空通信提供了新的解决方案。
5G NR由3GPP主导制定，自2019年R15阶段发布规范以来，经历了多次技术迭代。R16阶段聚焦于垂直领域性能提升，改进了5G与4G-LTE的无线接口；R17阶段则全面支持非地面网络架构；R18阶段开启5G-Advanced时代，提出“万物互联”概念，进一步拓展通信与感知一体化的应用场景。5G NR定义了三大核心应用场景：增强型移动宽带（eMBB）提供高速数据传输，大规模机器通信（mMTC）支持海量设备连接，超高可靠低时延通信（URLLC）则满足工业自动化、远程医疗等领域的严苛需求。基于URLLC的车用无线通信技术（V2X）通过无线传感器实现了更安全的智能交通和自动驾驶。
5G NR的技术优势体现在多个层面。其物理层通过灵活的数字逻辑设计，支持15至960kHz的七种子载波间隔选项，满足不同带宽和时延需求。改进的纠错和重传机制，如异步混合自动重传请求（HARQ），提升了数据传输的可靠性。自适应参考信号频率和用户设备带宽调整功能，使其能够适应多样化应用场景。在波形选择上，5G NR采用基于正交频分复用（OFDM）的扩展波形——CP-OFDM和DFT-s-OFDM，进一步优化了传输效率。物理层信道划分也体现了其灵活性：下行链路包含物理下行控制信道（PDCCH）、物理下行共享信道（PDSCH）和物理广播信道（PBCH）；上行链路则包括物理上行控制信道（PUCCH）、物理上行共享信道（PUSCH）和物理随机接入信道（PRACH）。
无线协议栈的设计是5G NR实现高效通信的核心。其架构由用户面和控制面构成，用户面位于物理层与IP层之间，控制面则负责信令传输并与5G核心网连接。协议栈包含PHY层、MAC层、RLC层、PDCP层、SDAP层（用户面）和RRC层（控制面）。各层功能分工明确：SDAP层负责服务质量映射，RRC层管理无线资源配置，PDCP层处理数据加密和报头压缩，RLC层执行分段重组和纠错，MAC层管理随机接入和信道映射，PHY层则承担资源映射和波束成形等关键任务。
5G NR的帧结构设计充分考虑了多样化业务需求。其物理层帧持续10毫秒，划分为10个子帧，每个子帧的时隙数量取决于子载波间隔参数集。资源分配以物理资源网格为基础，最小单位资源单元（RE）由一个OFDM符号和一个子载波组成。资源块（RB）由12个连续子载波构成，并进一步分为物理资源块（PRB）、公共资源块（CRB）和虚拟资源块（VRB）。这种设计使得网络能够灵活管理不同用户设备的工作带宽，实现高效资源利用。
NTN技术的引入解决了地面网络覆盖的局限性。通过卫星和空中平台作为中继，NTN能够补充传统地面网络的服务盲区，实现真正的全球通信覆盖。3GPP自2017年开始NTN技术研究，R15阶段完成了部署场景和信道模型分析；R16阶段针对卫星通信特点，研究了5G NR支持NTN的解决方案，发现长距离传输导致的高时延和多普勒频移是主要挑战；R17阶段则通过上行链路同步优化、HARQ进程增加和定时器延长等技术手段，有效解决了这些问题。例如，利用全球导航卫星系统（GNSS）提供的位置数据计算往返时间（RTT）和相对速度，实现了多普勒频移预补偿；通过增加HARQ进程数量和延长RTT窗口内的重传时间，提升了长时延环境下的传输可靠性。
NTN平台架构分为透明载荷和再生载荷两种类型。透明载荷平台仅完成射频滤波、频率转换和功率放大等基础功能，而再生载荷平台则集成了完整的gNB功能。在NTN系统中，关键概念包括NTN终端（如3GPP UE或卫星终端）、关口站（连接5G核心网和gNB的节点）、服务链路（平台与终端间的无线链路）和馈电链路（关口站与平台间的链路）。透明载荷卫星平台架构中，卫星仅作为中继站转发5G信号；再生载荷卫星平台则实现了完整的gNB功能，包括分布式单元（DU）和中央单元（CU），显著提升了网络自主管理能力。
NG-RAN架构的创新进一步推动了NTN技术的发展。再生架构中，卫星平台可根据功能完整程度分为部分gNB或完整gNB实现。部分功能架构仅包含DU，而完整功能架构则同时搭载CU和DU。这种设计支持馈电链路切换管理系统，能够应对非地球静止轨道（NGSO）卫星的移动性挑战。对于大型蜂窝覆盖场景，gNB通过实现5G核心网非接入层（NAS）选择功能，将用户设备路由至所属国家的核心网络，简化了跨国连接管理。运营维护方面，NTN服务链路配置系统和控制功能的更新，为网络高效运行提供了保障。
