罗德与施瓦茨NB-IoT NTN终端测试解决方案

PART-01

窄带NTN（NB-IoT NTN）简介

3GPP 在 R13 版本中正式引入了 NB-IoT（Narrowband Internet of Things，窄带物联网）技术。这是一种面向物联网设备的低功耗广域网（LPWAN）无线通信技术，能够在窄带频谱下提供良好的覆盖与穿透能力，适用于长时间运行且数据量较小的应用场景，例如智能抄表、环境监测和智慧城市基础设施等。

根据统计，全球仍有近 30 亿人未接入互联网，其中约 4.5 亿人位于现有移动网络覆盖盲区，例如偏远山地、远海和戈壁等地区。NTN（Non-Terrestrial Networks，非地面网络）可有效弥补地面网络的覆盖不足，将连接能力扩展至这些区域。关于 NTN 技术的基础介绍，请参阅聊聊“捅破天”的NTN技术。

在 R17 中，3GPP 将 NB-IoT 与 NTN 结合，定义了 NB-IoT NTN 的基线规范，使物联网连接覆盖进一步扩大，推动农业监测、环境感知与灾害预警等领域的发展。例如，通过卫星与 NB-IoT 的结合，可以实时采集土壤湿度与气象数据，帮助农户优化灌溉方案；在灾害监测场景下，NTN 可在地面网络不可用时确保关键数据的及时传输。

NB-IoT与NTN的融合为全球物联网的发展带来了新的机遇，不仅有助于填补数字鸿沟，还能推动各行业的智能化转型，助力实现更高效、更可持续的未来，为物联网市场注入新的活力。

PART-02

NB-IoT NTN终端的测试要求

与传统NB-IoT终端类似，NB-IoT NTN终端在开发和部署过程中，需要进行一系列测试以确保其性能、可靠性和兼容性。以下是一些关键的测试类型：

·基本功能测试：验证终端的基本通信功能，如网络接入、小区选择/重选、发送和接收数据、连接建立和断开、收发短信以及与不同网络的兼容性等。

·射频性能测试：在不同地理位置和环境条件下测试终端发射机/接收机的射频性能，验证终端在不同环境（如城市、乡村、山区等）中的覆盖能力。

·业务性能测试：测量连接建立的时间、不同信号条件的上下行数据传输速率与数据传输的延迟，确保满足应用需求。

·功耗测试：物联网终端的功耗是一个非常重要的指标。需要评估终端在不同工作状态（如待机、传输、休眠）的能耗表现，验证 PSM/ eDRX 等省电机制的效果。

PART-03

NB-IoT NTN终端的测试难点

与SIB信令简介

NB-IoT NTN主要涉及地球静止轨道（GEO/GSO）及低地球轨道（LEO）两类卫星，两者具有不同特性及挑战。

GEO/GSO卫星高度约35786 km，单程传播时延约120ms，对于3GPP R17/R18定义的透明转发模式，实际往返时延（RTT）可高达540ms。如此大时延严重影响实时交互体验，增加抖动和回声；使TCP/ARQ/HARQ等基于快速确认的协议性能大幅下降（窗口增长慢、误判丢包、重传延迟），实时控制与时序敏感业务受损；调度、切换与同步复杂度提升，需要更大缓冲、延迟感知的协议优化（如TCP加速、HARQ重设计、边缘缓存与QoS策略）以降低对体验的损害。

对于低轨 LEO 卫星，卫星高速运动会引起较大且快速变化的多普勒频移；此外，单颗卫星或波束的可见窗口短且动态变化，用户需频繁切换卫星或波束。切换过程会中断载波与时频同步，频偏补偿需在极短时间内切换并重新估计，增加信令与握手开销并带来短时丢包或重传；对实时业务和窄带终端影响明显，难以维持QoS；终端要具备更复杂的星历/GNSS辅助预测、快速跟踪环路与预补偿算法，导致计算与功耗上升；网络侧需支持精细接入管理、无缝切换、上下文迁移和边缘缓存以降低中断和感知时延，否则用户体验和系统效率都会受损。

为应对NTN通信的上述问题，系统广播消息中需新增参数（例如卫星/波束标识、传播延迟与Timing Advance范围、频偏/多普勒辅助参数、RACH/上行功控与重复/发送策略等）。针对NB-IoT在NTN场景下的应用，3GPP新增了系统广播消息SIB31/32/33用于携带这些扩展信息：

·SIB31主要用于提供IoT设备在NTN网络中的基本系统信息。

·SIB32在SIB31的基础上，提供了更为详细和复杂的系统信息，主要用于支持更高效的IoT通信。

·SIB33是针对IoT-NTN的高级系统信息块，旨在提供更全面的网络支持。

限于篇幅，下面仅对必须的“基础广播”SIB31的主要字段略作展开介绍：

·ServingSatelliteInfo-r17：提供服务卫星的详细信息，包括卫星星历和网络时间对齐（NTA）参数等。

·ephemerisInfo-r17：卫星星历信息，可采用状态向量或轨道参数的形式提供。

·nta-CommonParameters-r17：包含网络时间对齐的通用参数，如NTA值、NTA漂移率及其变化，用于调整UE与网络之间的时间对齐。

·ul-SyncValidityDuration-r17：上行同步有效时长，定义了卫星星历数据和NTA参数的有效期。

·epochTime-r17：卫星星历数据和通用TA参数的参考时间点。

·k-Offset-r17 和 k-Mac-r17：与帧定时相关的偏移量参数，用于调整下行和上行帧之间的同步。

·ServingSatelliteInfo-v1820（可选）：此部分在R18 V20版本中引入，提供了额外的服务卫星信息，如卫星ID、参考位置和距离阈值。

·ServingSatelliteInfo-v1900（可选）：此部分在R19 V00版本引入。

PART-04

NB-IoT NTN功能的增强与演进

3GPP在R17版本开始引入NB-IoT NTN功能，主要特点包括：使用透明转发模式，使用6 GHz以下的FDD频谱，要求终端支持GNSS，主要用于支持小数据包传输的物联网应用场景。

在已经冻结的R18及R19版本的规范中，3GPP同样针对NB-IoT NTN增加了一些演进和增强。

01 在R18中增加的相关特性包括：

1性能增强相关：

· 关闭下行HARQ反馈：网侧指示UE不再对下行传输发送即时的HARQ ACK/NACK反馈。

· 上行HARQ模式A/B：两类上行容错/重传策略的分化。Mode A 接近传统的HARQ机制：发送后等待ACK/NACK，再由gNB触发重传；适用于时延较短或能接受交互信令的场景。Mode B 则偏向预配置/盲重传或HARQless（例如固定重复次数、配置性授予或聚合反馈），减少即时反馈依赖，适合高时延、频繁切换或超低功耗设备。

· 增强GNSS操作：网络可通过下行 MAC CE 触发 UE 启动 GNSS 获取（避免 UE 持续监听），在指定时刻或窗口内完成定位/时钟获取以支持时频同步、轨迹预测和多普勒补偿；UE 通过上行 MAC CE 报告 GNSS 结果的有效时长（validity duration），告知 gNB/网络该定位/时钟信息在多长时间内可被信任而无需重采。该机制利用轻量级 MAC CE 信令，实现可控的唤醒策略和更少的 GNSS 开机次数，适合功耗受限的 NB-IoT 终端；同时帮助网络在 NTN 场景（特别是 LEO 场景中，频繁可见性变化）中安排收发、预补偿和切换决策。设定有效期时需在GNSS获取延时、精度与重采频率之间做协同优化以平衡能耗与可靠性。

2移动性增强相关：

引入基于时间与基于位置的新触发机制，用于连接态的测量动作，以适配卫星可见性短、变化快且终端功耗受限的特点。时间触发可为绝对或相对窗口，并可与卫星轨道预测对齐，仅在预计有意义的时间段启动信号强度、时频同步或多普勒测量，避免持续监听。位置触发则基于终端的GNSS/辅助位置或网络已知地理区域（如进入/离开地理围栏、到达某条地面轨迹附近）来决策是否执行测量，便于在接近覆盖边缘或预期切换点时才进行测量操作。两类触发可由网络通过RRC或轻量MAC CE下发配置，并结合UE上报的测量有效期和GNSS获取策略协同工作。

3不连续覆盖增强相关：

·无线链路失败（RLF）后若来不及完成RRC重建流程，UE可直接进入IDLE态。原因多见于NTN场景：时延大、卫星可见性短或切换频繁导致重建超时或握手不能完成，进而导致RRC上下文丢失、会话/资源需重新建立，造成更长的业务中断与额外信令开销。

· 增加“Release due to discontinuous coverage” 的释放链接原因值，用于明确告知核心网该释放并非因 UE 主动退出或常规异常，而是由于无线覆盖出现间断性不可恢复的情况（例如 NTN 场景中卫星/波束可见性突然中断、波束切换失败、长时延导致重建超时或覆盖盲区）。

02 在R19中增加的相关特性包括：

1再生/存储/转发：

· 基站上星，在卫星上完成部分或全部基带处理与调度、HARQ、RLC/PDCP 终结及星间转发。优点包括可显著降低端到端时延、减少地面回传带宽压力、支持本地化切换与快速恢复并通过星间链路实现更灵活的路由优化。

· 卫星对地回传（feeder）或卫星与终端的服务链路短时中断时，将用户面或控制面数据在网络侧（如地面网关）或卫星进行暂存，待链路恢复后再转发。

· 卫星与地面网关（feeder）之间的回传链路发生切换时，网络能够保持用户面和控制面连续性并最小化业务中断的能力。

2上行容量增强：

· NPUSCH Format1采用Orthogonal Cover Codes（正交覆盖码，OCC），用于在重复/时频域实现复用与干扰抑制，通过对不同传输实体分配互相正交的码序列，提升接收灵敏度与系统容量。

·精简EDT（Early Data Transmission）信令，如：Msg3-EDT无需完整随机接入、基于 DSA（Diversity Slotted ALOHA）；简化或压缩下行的Msg4，如使用短型/合并的 DL ACK、位图/指示位或隐式确认以避免完整的 Msg4 传输与等待。

3TDD支持：

引入特定的 TDD 运行模式以适配卫星链路的长时延、上下行时序不对称和波束可见性短的特点。关键点包括：灵活的 UL/DL 时隙配置，支持较长的传播延迟；对 HARQ 时序的放宽或替代（如延长 RTT、HARQless/ModeB、关闭 DL HARQ 反馈）以避免频繁超时；波束级的时钟与 TA（Timing Advance）管理以减少大规模终端同步开销；对再生与透明载荷均兼容的时序/调度适配，允许在上行优先或下行优先场景间切换。

4支持PWS（Public Warning System，公共预警系统）：

· 支持ETWS（Earthquake and Tsunami Warning System，地震与海啸预警系统）与 CMAS（Commercial Mobile Alert System，商业移动报警系统）

·ETWS geofencing：将地震/海啸警报按地理区域精确投放，只通知受影响区域内的终端。

此外，随着NB-IoT NTN技术的持续演进，国内外相关应用创新也在快速发展。业界在关键场景（如远洋应急、海事语音告警、车载/轨道语音告警、穿戴式对讲与应急呼叫）对语音能力提出需求并开展了语音增强方案研究，提出三种可能的解决方案：

· 采用多域体制融合思路，提出基于新增信令网关的语音优化解决方案，可有效减少终端与卫星的信令交互，节约卫星资源。

·基于Web-RTC（源自网页的实时通信）架构的语音通话解决方案，使用自定义接口实现语音协议的定制化，可大幅提升语音信令交互效率。

· 基于IMS信令优化的语音增强解决方案，通过精简SIP/SDP（会话初始协议/会话描述协议）流程及字段，可缩短终端与IMS网络的交互时延，提升交互效率。

PART-05

罗德与施瓦茨的NB-IoT NTN终端测试方案

罗德与施瓦茨公司基于市场领先的R&S CMW500，提供针对NB-IoT NTN终端的端到端测试解决方案。该方案支持多种轨道，能够进行全面的功能和性能验证，适用于射频发射机/接收机性能分析、网络仿真以及综合性衰落模拟。这一解决方案加快了协议测试和开发过程，确保终端具备良好的互操作性，并符合相关协议标准。

此外，该方案还支持应用层测试，包括IP层吞吐量、流量分析和用户体验测试。无论是在研发阶段、GCF/PTCRB一致性认证，还是运营商验收测试，该框架都是地面和非地面通信终端测试的首选解决方案。它能够加速产品上市，提高产品质量，并确保符合行业标准和监管要求。

通过这一综合测试解决方案，罗德与施瓦茨公司致力于推动NB-IoT NTN技术的发展，帮助客户在竞争激烈的市场中获得优势。

01 NB-IoT NTN终端通信功能测试

为了验证NB-IoT NTN终端的通信基本功能，CMW500提供了MLAPI（中级编程接口）。下表列出了MLAPI所提供的测试场景，客户可以直接使用这些测试用例来验证终端的网络接入、小区选择/重选、数据发送/接收、短信收发等基本通信功能。

更重要的是，MLAPI 同时提供底层 API 的示例源码，便于开发人员与测试工程师按需扩展测试脚本，实现更灵活、高效的终端测试与验证。

02 NB-IoT NTN终端信令连接及射频测试

NTN通信卫星主要使用高轨（GEO/GSO）和低轨（LEO）。两者各具特点及适用场景：

高轨卫星：覆盖范围广，仅需少量的卫星及地面站即可进行广域覆盖的服务，并且卫星相对地面运动速度慢，无需频繁调整，即可实现稳定的链路传输；但是缺点是延迟高，高轨卫星往往比较少，所以容量有限，并且容易受到雨雪等天气条件的影响，导致信号质量下降。

低轨卫星：延迟低，受到天气影响较少，可以提供比较稳定的连接，可以根据需求进行动态调整和扩展；但是缺点是单颗卫星覆盖范围有限，需要多个卫星组成星座才能实现全球覆盖，另外由于LEO卫星的轨道较低，卫星需要定期调整轨道以保持稳定，这增加了运营复杂性。

高轨GEO/GSO和低轨LEO卫星各有其适用场景。GEO适合需要广泛覆盖和相对稳定连接的应用，而LEO则更适合对延迟敏感的实时应用和需要高质量信号的场景。

CMW500可以支持所有GEO/GSO以及LEO典型场景的模拟，并提供一些关键参数的修改功能，如K-offset、K-Mac等。这些功能为客户提供了灵活的测试环境，以满足不同应用需求。

下图是针对NB-IoT NTN终端发射机性能指标的测试结果，包含发射功率、EVM、ACLR等关键指标，这个与NB-IoT终端的测试结果并没什么本质区别。

业界广泛应用的自动化测试工具CMWrun同样可以有效测试NB-IoT NTN终端发射机和接收机的射频性能，为用户提供了强大的支持，助力用户在快速发展的物联网领域中实现高效、可靠的设备开发与验证。无论是新产品的研发还是现有系统的优化，CMWrun都是用户不可或缺的测试工具。

03 NB-IoT NTN终端双向数据通信测试

NB-IoT NTN终端广泛用于物联网、智能农业、环境监测等领域，稳定可靠的双向通信能力是NTN终端正常工作的基础。通过验证这一能力，可以确保终端在各种网络条件下都能稳定地进行数据发送和接收，从而提高通信的可靠性。

CMW500可以通过ping包功能验证终端的双向通信能力。当NB-IoT NTN终端成功连接到CMW500后，可以使用CMW500对终端的IP地址进行ping包操作，并接收来自终端的ping回复。这种方法有效地验证了终端的双向通信能力，并能够快速获取往返时间（RTT，Round-Trip Time）。

以下是NB-IoT NTN终端ping包测试的结果显示，RTT约为500毫秒，明显高于传统NB-IoT网络的延迟。

另外，CMW500还可以验证NB-IoT NTN终端的双向收发SMS的功能，为NB-IoT NTN终端的实时应用奠定坚实的基础。短信具备窄带、低功耗与可靠的存储转发特性，便于在间歇连接或高时延GEO/LEO场景下实现控制、告警、认证与轻量级命令下发。SMS可以使用控制面进行发射，因而在数据业务不可用时提供回退机制，降低对持续双向连接的依赖，利于设备唤醒、状态上报与远程管理。结合定时/重复传输与网络侧QoS策略，在可接受的延时下保障重要消息到达，为后续更复杂的实时服务（如低延时信令通道、边缘缓存与会话迁移等）构建稳健的能力。

04 NB-IoT NTN终端语音通话测试

下图为使用CMW500支持 NB-IoT NTN 终端语音通话测试的拓扑图：NB-IoT或NB-IoT NTN终端与CMW500建立信令连接，并通过USB线将网络共享给左侧 PC1。PC1 通过 “OTT 编解码器封装器” 以 RTP/UDP/IP 发送音频流，支持窄带语音编解码（如 AMRNB m0、Codec2）；CMW500 内置 NB-IoT 协议栈并模拟网络行为，包括NTN网络的各种场景（如高时延、多普勒、切换等），负责上/下行信号的收发与协议交互；右侧 PC2 经“OTT 编解码器封装器”接收并播放解码后的音频。该测试方案用于验证端到端语音可行性、编解码互通、时延与丢包对语音质量的影响，以及在 NTN 场景下对终端与网络参数的评估和优化。

请您持续关注“罗德与施瓦茨中国”公众号，后续将为您带来专题介绍，深入探讨相关的测试方案和最新动态。通过这些信息，您将能够更好地了解NB-IoT NTN技术及其在市场中的应用前景。

罗德与施瓦茨业务涵盖测试测量、技术系统、网络与网络安全，致力于打造一个更加安全、互联的世界。成立 90 多年来，罗德与施瓦茨作为全球科技集团，通过发展尖端技术，不断突破技术界限。公司领先的产品和解决方案赋能众多行业客户，助其获得数字技术领导力。罗德与施瓦茨总部位于德国慕尼黑，作为一家私有企业，公司在全球范围内独立、长期、可持续地开展业务。