实际上，卫星通信时分双工（TDD, Time Division Duplex）制式也是标准组织关注的关键候选技术之一。在2022年9月，ITU-R M.2514《5G卫星无线电接口愿景、需求和评估方法》正式获得通过，其评估建议中指出，针对卫星通信TDD制式需要重点关注帧结构设计、上下行配置等技术点[9]。在ITU-R《IMT2030卫星国际移动通信未来技术趋势》最新草案[10]中，关于卫星通信双工制式技术趋势，对于大多数频段，建议将FDD模式作为首选；而对于特定频段，可以考虑采用TDD模式和半双工FDD模式。该草案指出，考虑到下行链路（DL, DownLink）和上行链路（UL, UpLink）之间的保护间隔，应设计合适的帧结构，通过波束跳变和智能调度来减少DL和UL之间的干扰，从而缩短保护间隔以提高频谱效率。3GPP TR 38.811指出，TDD或FDD双工模式的NTN适用性取决于目标频谱相关的法规；如果法规允许，可以考虑在低地球轨道（LEO, Low-Earth Orbit）卫星接入网络中采用TDD技术[11]。
考虑到NTN再生载荷架构的进一步完善和星地频谱共享机制的研究趋势，为加快实现星地融合移动通信发展，让更多运营商能够使用3GPP IoT-NTN标准，3GPP在2024年9月RAN第105次会议上通过了非地面物联网TDD模式（Introduction of IoT-NTN TDD mode）的工作议题[12]。该项目总体目标是为NTN定义一种新的IoT-NTN TDD模式，并推动IoT-NTN TDD技术标准化，从而在非对称卫星移动频谱上实现IoT-NTN时分双工模式运行。该议题预计于2025年9月前完成核心部分的标准化工作，在2026年3月前完成性能部分的标准化工作。
本文聚焦Rel-19 IoT-NTN TDD议题，首先介绍IoT-NTN TDD发展趋势与产业应用，随后着重阐述3GPP在该议题的标准化进展，包括帧结构设计、选择性激活方案、下行公共资源配置和时隙资源分配影响。最后展望了后续 Rel-20 IoT-NTN TDD技术的增强演进方向。
1 IoT-NTN TDD发展趋势与产业应用
1.1 IoT-NTN TDD制式的优势
与FDD模式相比，TDD模式在频谱协调、终端成本及支持非对称业务方面展现出了显著的技术优势。
在频谱资源方面，考虑IoT-NTN星地链路的限制条件，IoT终端直连卫星需要优先使用频率较低的可分配频谱。特别是在6 GHz以下的低频段，频谱资源日益紧张，成对频谱获取难度增加。TDD制式的上下行同频特性，使其无需依赖成对频谱资源，显著降低了频谱获取的难度，更适合在对称频谱资源稀缺的场景中使用[13]。
从终端成本角度分析，TDD制式的终端设计无需同时进行接收与发送操作，降低了对并发信号处理能力的要求[14]。此外，TDD终端无需集成体积较大、成本较高的双工器，且因收发同频特性而简化了终端天线的复杂度[15]。这些特性有效降低了终端设备的制造成本，使其更适用于对功耗和成本敏感的物联网应用场景。
业务灵活性方面，TDD制式能够有效支持非对称的上下行业务需求，例如在智能抄表、环境监测、资产跟踪等IoT应用中，IoT终端主要任务为上传采集数据，产生上行流量。相对而言，下行流量传输仅在设备参数配置、软件更新及紧急控制等少数场景下产生[16]。TDD制式能够更好地适配IoT NTN业务流量的特征，从而提高频谱资源的利用效率。
1.2 IoT-NTN TDD制式的挑战及关键技术
TDD系统的上下行完全在时域上分隔，缺乏频域上的自由度。这种自由度的降低为TDD系统在IoT NTN中的应用带来了诸多挑战。在IoT NTN应用中，TDD制式所面临的挑战及其应对技术主要集中在以下三个方面。
（1）交叉链路干扰问题
与IoT FDD系统相比，IoT TDD系统面临多个独特的干扰路径[17]。首先，卫星基站之间的收发时隙不同步，会导致卫星发射的信号对相邻卫星的接收产生干扰。对于卫星间的交叉链路干扰（CLI, Cross-Link Interference）问题，卫星天线有较好的波束赋形能力，可通过精准控制波束指向，限制对远距离相邻卫星的干扰。其次，终端在不同卫星覆盖下的收发不同步，会导致IoT终端的集总上行信号对相邻卫星的上行接收产生干扰。由于IoT终端发射功率较小，且受干扰卫星的接收波束并不指向干扰区域，因此终端的集总干扰对卫星接收的影响有限。最后，相邻终端之间的收发不同步会导致施扰终端的上行信号对受扰终端的下行接收产生干扰，如图1所示。由于IoT终端的部署密度通常较高，且其天线大多不具备赋形能力，因此这种类型的CLI在IoT-NTN TDD系统中尤为显著。
为解决终端间的CLI问题，可以通过在下行和上行之间设置较长的保护间隔，并合理排布终端的收发时机，以确保基站覆盖范围内所有终端的上下行传输不会发生重叠。3GPP在最新IoT-NTN TDD议题中引入了“选择性终端激活”特性（下文第二节将详细讨论），通过较长的保护间隔和分时激活终端来有效解决CLI问题。
（2）系统效率问题
如图2所示，在TDD系统中，为避免用户间的交叉链路干扰，需要在帧结构中设置保护间隔，即在上下行时段之间插入一段空闲时间，此期间基站不进行上下行传输。通常，保护间隔的长度设为基站覆盖范围内最远终端与基站之间的信号往返时延（RTT, Round-Trip Time），以确保覆盖范围内所有终端不会发生同时上行和下行传输。由于地面基站的覆盖范围较小，保护间隔通常设为几十微秒。在地面IoT系统中，帧长度一般为10 ms，因而保护间隔在一个无线帧内所占的时间比例极小，可忽略不计。
然而，在IoT-NTN TDD系统中，延续地面IoT TDD系统的保护间隔设置会导致系统传输效率大幅下降。以铱星系统为例，卫星轨道高度为780 km，最小覆盖仰角约为8°，对应的距离约为2 500 km，最大RTT约为17 ms。如果仍沿用地面IoT系统的10 ms帧长度，则在整个无线帧内，基站无法均进行上下行传输。因此，需要重新设计IoT-NTN TDD系统的帧结构，以重新定义上下行和保护间隔的长度，提升系统的传输效率。
（3）HARQ进程阻塞问题
在NTN环境中，由于卫星等非地面设备的传播延迟较长，HARQ阻塞现象显著，从而影响系统的整体性能。在HARQ重传机制中，每个HARQ进程可视为独立的数据传输通道，按顺序用于数据发送。如果多个HARQ进程正在进行重传且因信号延迟未得到及时响应，新传输请求会被阻塞。在这种情况下，等待中的HARQ进程无法及时释放，导致数据包传输效率低下。在TDD制式中，当前下行传输对应的上行资源需要等待所有下行时隙传输完成后才可调度，这一过程导致上行时隙调度被推迟。因此，相较于NTN FDD系统，NTN TDD系统中的HARQ阻塞问题更加突出。
针对这一问题，3GPP讨论了在IoT-NTN中允许禁用HARQ反馈的特性，并在Rel-18版本中确认，可以通过RRC或DCI以半静态或动态方式禁用HARQ反馈[7]。这一改动为解决IoT-NTN TDD系统中的HARQ阻塞问题铺平了道路。
1.3 IoT-NTN TDD制式的应用——铱星系统分析
铱星系统是典型的NTN TDD系统，提供全球语音通话、窄带物联网接入、突发短数据传输以及应急与安全通信等服务。网络自1998年全面投入使用，并于2019年完成了全面升级。铱星星座由6个极轨道面组成，每个轨道面包含11颗卫星，轨道高度为780 km。系统利用相控阵天线生成48个点波束，覆盖范围直径约为4 500 km。系统工作于L频段的1 616—1 626.5 MHz频段内，总系统带宽为10.5 MHz。
如图3所示，从时域角度看，铱星系统的帧长度为90 ms。每帧前20.32 ms用于承载单工信道，其中时隙两端分别设置了1 ms和1.26 ms的保护时隙。单工信道仅承载下行信令，包括4个信令消息信道、1个呼叫通知信道和7个保护信道。每帧除单工信道时段外，其余时段为双工信道时段，采用时分双工。每帧包括4个上行时隙和4个下行时隙，每个时隙长度为8.267 ms，上行时隙间隔为0.233 ms，下行时隙间隔为0.113 ms，上下行时隙之间的间隔为0.253 ms。每帧末尾保留0.013 ms的保护间隔。
从频域角度看，单工信道共占用500 kHz带宽，分为12个载波，均匀分布在1 626—1 626.5 MHz频带内。双工信道共占用10 MHz带宽，在1 616—1 626 MHz频段内分布30个信道，每个信道占用333.333 kHz带宽，采用多载波体制。每个信道包含8个载波，载波带宽约为31.5 kHz，载波间隔为41.667 kHz，其中包含10.17 kHz的保护带宽[18]。
综上，铱星系统在物理资源方面具有以下特点：1）双工信道采用时分双工制式；2）在双工时段内采用时分和频分混合的多址方式，在每个90 ms帧内，铱星系统共提供240个频率地址和4个时隙地址；3）双工与单工信道在时域和频域上均相互分离。
铱星系统受限于其星座规模和私有协议的通信技术路线，面临终端速率受限、不兼容3GPP IoT-NTN协议等挑战，可能影响其在未来IoT-NTN的市场占有度。积极参与3GPP IoT-NTN的标准演进与技术研究，预计是IoT-NTN运营商提升市场竞争力、拓展IoT-NTN市场份额的重要策略。
前述铱星体制的介绍有助于读者理解下述3GPP IoT-NTN TDD标准化讨论和演进。
2 IoT-NTN TDD标准化研究进展
图4展示了3GPP IoT-NTN TDD议题的立项历程。该项目的立项尝试工作始于2023年12月的3GPP RAN第102次会议，期间在RAN4从频段角度推动立项，并在RAN2从IoT-NTN技术增强的角度推进相关工作。最终在2024年9月的3GPP RAN第105次全会上，由铱星、泰雷兹、华为、联发科、高通、OPPO、vivo、LGE等十余家运营商、设备商、终端厂商和芯片厂商联合提出的“Introduction of IoT-NTN TDD mode”议题在Rel-19成功立项。该议题由RAN1主导，RAN2与RAN4协作推进，预计将在2025年9月前完成核心部分的标准化工作，并于2026年3月前完成性能部分的标准化工作。该议题在表1所示的系统参数假设下展开讨论：
在Rel-19阶段，IoT-NTN TDD标准化工作主要包括两部分内容。第一部分涉及物理资源与协议的调整。标准化的基本原则是在现有IoT-NTN体制的基础上，尽量减少对IoT-NTN FDD帧结构和流程的改动，以形成新的IoT-NTN TDD体制。具体内容包括在现有IoT-NTN框架下定义新的TDD帧结构周期模式，以及相应的保护间隔配置和上下行时隙配置。同时，讨论接入信令和业务信道的设计、必要的UE过程，并评估对更高层协议的影响和调整。第二部分则是引入新的TDD频段，该频段覆盖1 616—1 626.5 MHz，并将信道带宽定义为200 kHz，用于IoT-NTN TDD服务。
2.1 帧结构
在TDD帧结构设计方面，该议题的基本原则为：对IoT-NTN FDD帧结构进行最小必要的调整；兼容铱星在该频段上的TDD帧结构设计；同时考虑NTN大时延场景中沿用地面网络TDD帧结构可能导致的过长保护间隔问题。基于上述原则，提出在沿用现有IoT帧和子帧长度设定的基础上，由N个连续无线帧组成周期性帧集合，在周期性帧集合内形成类似传统TDD帧结构的包含下行帧、上行帧和保护间隔帧的“超长帧”[19]。
当前议题目标主要集中在周期性帧集合N=9个连续IoT无线帧（共90 ms），周期性地为某一终端提供下行传输的子帧数量D=8（共8 ms），提供上行传输的子帧数量U=8（共8 ms），下行与上行间存在保护间隔。如图5所示，该帧结构设计方案巧妙地兼容了铱星在该频段的帧结构设计。在网络侧，铱星系统在90 ms周期内包含4个下行传输和4个上行传输时段。类似地，RAN第106次全会达成了一项重要共识：对于IoT-NTN TDD系统，其应在90 ms内包含四对上下行传输，且每一对下行时隙与对应的上行时隙应保持相同的索引关系，即DL1与UL1、DL2与UL2、DL3与UL3、DL4与UL4保持成对关系。
2.2 选择性激活方案
考虑到帧结构方案中的下行链路激活时间与现有IoT下行时隙的不匹配问题，需要合理设置下行链路激活时间的起始子帧，使IoT终端能在激活周期内尽量接收窄带主同步信号（NPSS, Narrowband Primary Synchronization Signal）、窄带辅同步信号（NSSS, Narrowband Secondary Synchronization Signal）以及窄带物理广播信道（NPBCH, Narrowband Physical Broadcast Channel），为IoT终端提供足够时间完成下行同步。
因此，在IoT-NTN TDD模式下，激活下行链路应尽量包含子帧#0（NPBCH）、子帧#5（NPSS）和子帧#9（NSSS）。3GPP RAN1在该议题上已达成共识：下行子帧激活方案将从 如图6所示的4个选项中展开讨论 [20]。
选项1：[3 4 5 6 7 8 9 0]（跨越两个连续的无线帧）；
选项2：[4 5 6 7 8 9 0 1]（跨越两个连续的无线帧）；
选项3：[8 9 0 1 2 3 4 5]（跨越两个连续的无线帧）；
选项4：[9 0 1 2 3 4 5 6]（跨越两个连续的无线帧）。
相应的上行选择性激活取决于下行选择性激活方案与保护间隔。因此，在选项1的下行子帧激活方案的基础上，保护间隔是议题下一步讨论重点。由于铱星下行和上行时隙对之间的保护间隔不同，IoT-NTN TDD帧周期内不同下行/上行时隙对的保护间隔存在差异。可以观察到，IoT-NTN TDD中的下行子帧和上行子帧之间的保护间隔分别为47.98 ms、48.10 ms、48.22 ms和48.32 ms。考虑到现有的设计约束，可以将目标频段1 616—1 626.5 MHz的保护间隔最大值定义50个子帧。目前RAN1第120会议达成初步共识，即保护间隔在48 ms至50 ms之间。预计通过调整公共时间提前量，可以实现不同上行/下行时隙对的对齐。
2.3 下行公共资源配置
对于下行公共资源配置，该议题进一步讨论了新TDD周期对系统信息块（SIB, System Information Block）传输的影响。
（1）SIB1-NB配置
根据TS 36.331中的IoT系统信息描述，SIB1-NB以固定的2 560 ms（256个无线帧）周期进行传输。在每个周期内，以16 个连续帧（160 ms）为单位，将2 560 ms周期分为16份帧集合。在帧集合中，SIB1-NB在间隔一个帧中的第4个子帧上发送，终端需完整接收8个子帧。现有协议允许SIB1-NB在这16份帧集合中等间隔重复发送，最大重复发送次数为16次。IoT-NTN TDD帧结构限制了每个UE在2 560 ms周期窗口内能接收到的包含SIB1子帧数量。表2显示了在2 560 ms的SIB1周期窗口内，IoT-NTN TDD制式终端可接收的最大SIB1-NB子帧数量。经过链路预算分析，终端需要至少接收15个子帧内的SIB1-NB信号，以支持较大TBS的解调性能。在NTN场景中，为了保证SIB1-NB传输的可靠性，会上各方一致同意在2 560 ms内配置SIB1-NB重复次数为16。上述涉及的链路仿真细节可查阅文献[22]。
（2）其他SIB配置
在IoT体制中，系统信息（SI, System Information）会在周期性出现的时间域窗口内传输，该窗口被称为SI窗口。每组SI消息对应一个独立窗口，在一个窗口内SI信息保持不变，更新后的SI将在下一窗口传输，并且SI更新前后的窗口不重叠。目前IoT协议所支持的SI窗口长度均为160 ms的整数倍，但与IoT-NTN TDD帧集合的90 ms周期无法形成整数倍关系。由此可能导致SI信息未能准确落入下行激活时段。
另外，在IoT体制中，相应的SI消息会依据传输块大小（TBS, Transport Block size），在2个或8个连续的IoT下行子帧上进行多次传输。具体来说，当TBS大于120比特，就会利用8个连续的NB- IoT下行子帧来完成传输。由于下行激活周期内需要发送NPSS在内的同步信号，SI传输块无法在单个下行激活周期内完成发送。
围绕上述问题，RAN1会议讨论了SI传输与新TDD模式的四种典型情况。针对SI窗口起始时刻落在下行非激活时段内的情况，会上提出将该窗口的起始时间推迟至紧随其后的下行激活时段开始。 如图7所示，针对单个SI传输块无法在单个下行激活周期内完成发送的问题，会上提出允许单次SI传输的子帧跨越至下一个DL激活时段继续发送。如果由于推迟导致SI传输在窗口内与下一个SI重复传输发生重叠，则应截断上一SI传输。另外，如果由于推迟SI传输而导致其超出了配置的窗口长度，则应截断该SI传输。
2.4 时隙资源分配
在IoT-NTN TDD帧结构基础上，需要进一步分析上下行传输信道对选择性激活方案的兼容情况，深入研究NPRACH、NPUSCH、NPDCCH以及NPDSCH（除承载SIB1-NB的子帧外）时隙资源分配与非激活子帧的重叠问题及应对方案。针对上述时隙资源分配的挑战，目前主要有四类技术方案。第一类方案考虑将原有信道传输的周期调整为与IoT-NTN TDD周期相匹配，即确保每个激活周期内均分配有相关信道的传输资源。第二类方案则通过显性的指令，将原有信道传输时隙的排布限制在IoT-NTN TDD的激活子帧集合内。第三类方案是指当原有信道的传输子帧与IoT-NTN TDD的非激活子帧重叠时，应将其推迟到后续的激活子帧集合中传输。第四类方案是指当原有信道的传输子帧与非激活子帧重叠时，全部或部分丢弃需要传输的信道内容。
以PRACH的传输为例，在FDD模式下，NPRACH周期可以配置为40 ms、80 ms、160 ms、240 ms、320 ms、640 ms、1 280 ms和2 560 ms，但这些周期均非90 ms的整数倍。图8中第一张子图展示了当前协议下，NPRACH周期为40 ms且周期偏移量为8 ms的RO（random access occasion）分布情况。可以观察到，在此配置下，RO均落在了IoT-NTN TDD模式的非上行激活时隙，存在NPRACH时域周期配置无法完全与IoT-NTN TDD模式的上行链路激活时间对齐的问题。
根据各方提案分析，NPRACH时隙资源分配方案讨论主要限定在上述第一类和第三类技术路线。如图8所示，一种方案是为IoT-NTN TDD系统引入新的NPRACH周期，例如90 ms的倍数；另一种方案是当NPRACH位于非上行激活周期时，应将其推迟至当前90 ms周期或下一90 ms周期的上行激活子帧集（推迟时间的数值单位待定）。另外，由于一次NPRACH format 2前导序列重复单元的持续时间大于上行激活周期8 ms，会上提议IoT-NTN TDD系统不支持NPRACH format 2。
3 IoT-NTN TDD标准化展望
在Rel-19 IoT-NTN TDD在持续演进的同时，从需求和技术方面来看，未来IoT-NTN TDD演进可以从频谱利用、移动性管理、干扰管理等方向开展进一步研究。
（1）频谱利用
如图9所示，Rel-19 IoT-NTN TDD议题所涵盖的卫星移动业务频段为1 616—1 626.5 MHz，这一频段尚未被纳入3GPP IoT-NTN频段列表之中。因此，有必要就该频段的频谱协调与复用展开标准化论证工作。待该卫星移动业务频段正式加入3GPP频段列表后，为实现IoT-NTN TDD的独立部署，需深入研究IoT-NTN TDD制式下锚定载波与非锚定载波如何与铱星现有业务在该频段内复用的问题。同时，应支持动态激活额外的非锚定载波，以有效提升IoT-NTN TDD系统容量。
（2）移动性管理
目前Rel-18 IoT-NTN议题初步研究了IoT在NTN场景下移动性管理增强，包括引入了基于时间和基于位置的触发事件、引入用于获取邻小区卫星辅助信息SIB33-NB以及非连续覆盖增强等协议增强。未来IoT-NTN TDD标准演进需要进一步关注TDD帧结构周期与选择性激活方案对测量事件、小区重选、RRC连接重定向至非锚点载波等移动性管理的影响，并研究适配的技术方案。上述移动性管理相关的讨论、研究将在RAN2会议中持续开展。
（3）干扰管理
IoT-NTN TDD议题下一步的重点预计是选择性激活路线下的干扰管理标准化讨论，包括基于显性方式或信令指示的终端间上下行间干扰管理、相邻波位之间的干扰管理，以及选择性激活方案中的保护间隔设定问题。针对不同轨道高度的IoT-NTN TDD系统，未来的标准演进可以考虑支持灵活的帧结构与保护间隔配置方案。另外，考虑到传统移动运营商和卫星运营商间的TDD频谱共享或覆盖补充的应用趋势，可以进一步研究星地间的同频干扰规避与智能波束调度问题。
4 结束语
本文概述了IoT-NTN TDD技术的发展趋势、关键技术及其产业应用，系统阐述了3GPP在该技术领域的标准化工作进展，涵盖了帧结构设计、选择性激活方案、下行公共资源配置和时隙资源分配。最后，从多个角度给出了IoT-NTN TDD标准化展望。
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★原文刊发于《移动通信》2025年第6期★
中图分类号：TN92 文献标志码：A
文章编号：1006-1010(2025)06-0011-08
引用格式：王玉震,焦凌霄,童建飞,等. IoT-NTN TDD关键技术研究与标准化进展[J]. 移动通信, 2025,49(6): 11-18.
WANG Yuzhen, JIAO Lingxiao, TONG Jianfei, et al. Key Technologies and Standardization Progress of IoT-NTN TDD[J]. Mobile Communications, 2025,49(6): 11-18.
作者简介
王玉震：工程师，博士毕业于中国科学院上海高等研究院，现任职于上海卫星互联网研究院有限公司，主要研究方向为无线通信和5G/6G关键技术。
焦凌霄：工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于上海卫星互联网研究院有限公司，主要研究方向为射频电路、天线和5G/6G关键技术。
童建飞：工程师，博士毕业于北京邮电大学，现任职于上海卫星互联网研究院有限公司，主要研究方向为卫星互联网、无线资源管理。返回搜狐，查看更多