“手機直連衛星”發展及關鍵技術

肖永偉 盧山 宋艷軍（中國電子科技集團公司第五十四研究所）

2022 年6 月，非地面網絡（NTN）納入3GPP 規范，是第一個支持“手機直連衛星”的標準；2022 年9 月，華為、蘋果先后推出支持“手機直連衛星”的手機終端；2023 年4 月，AST 空間移動公司（ASTS）基于低軌藍行者-3（BlueWalker-3）衛星和普通智能手機完成第一個雙向語音通信測試?！笆謾C直連衛星”瞬間成為衛星通信領域超越衛星互聯網的又一個關注熱點和發展方向。未來6G 天地融合應用對終端統一的需求，必將為“手機直連衛星”帶來數億量級的用戶，“手機直連衛星”成為衛星移動通信進入大眾市場的關鍵。本文對“手機直連衛星”概念內涵、與衛星移動通信的關系進行了解讀；結合“手機直連衛星”發展及研究狀況，梳理其未來發展趨勢；面向“手機直連衛星”系統發展及研制建設，并對幾項關鍵技術進行初步分析。

1 “手機直連衛星”概念及內涵

“手機直連衛星”，顧名思義就是基于手機與衛星直接進行信號傳輸,并實現通信的衛星通信系統。在衛星通信領域，面向手機或手持類終端的通信，一般稱為衛星移動通信系統。為解決手機或手持類終端對星的問題，一般配置寬波束發送和接收天線，好用的頻段主要是低頻段的UHF、L、S 頻段（而不是衛星互聯網常用的Ku、Ka 頻段），按照無線電規則，該類頻段屬于衛星移動業務（MSS），所以，“手機直連衛星”本質上是一個衛星移動通信系統。

在“手機直連衛星”這個名詞出現以前，“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“海事衛星”（Inmarsat）和我國天通一號衛星移動通信系統等，均支持手機或類手機終端直連衛星進行通信。20 世紀90 年代的Iridium 系統，手機形態、應用支持能力（例如：短消息、低速話音）等方面，與當時地面移動通信差別不大。經過20 年發展，支持手機直連的衛星移動通信發展緩慢，應用支持能力、應用范圍均落后于地面移動通信發展。Iridium 系統手機與地面移動手機對比如圖1 所示。

圖1 Iridium 系統手機與地面移動手機對比

地面移動通信從20 世紀90 年代的2G 短消息、話音業務（每秒傳輸幾千比特）到目前5G 寬帶多媒體業務（每秒傳輸百兆比特量級），手機形態和應用支持能力發生了非常大的變化，人們對“手機直連衛星”的認識也在變化。用戶希望不改變使用習慣、不明顯增加手機尺寸和重量，就可實現“手機直連衛星”，希望得到像地面移動通信一樣的移動互聯網體驗，不僅僅是短消息和低速話音。對“手機直連衛星”更為準確的理解是基于智能手機與衛星直接進行信號傳輸，并實現通信的衛星移動通信系統。

當前，大家關注“手機直連衛星”的一個關鍵原因，就是“手機”內涵的關注重點在變化，主要指大眾用戶常用的智能手機，該智能手機內嵌衛星移動通信功能，一部手機可以通過地面基站實現地面移動通信，也具備與太空中衛星直接連接實現衛星通信的能力?！笆謾C”內涵的變化，將會給衛星移動通信帶來數億量級用戶的增加，為信息通信產業帶來一個新的發展機遇。

面向6G 無縫全域覆蓋、天地融合組網愿景目標實現，“手機直連衛星”是實現天地融合終端統一最為可行和不可替代的技術途徑。6G 終端包括面向個人的智能手機、面向傳感器的物聯網終端等，該類終端特點是質量輕、體積小、功耗低，對集成衛星通信提出了較高要求。衛星互聯網一般使用Ku、Ka 頻段，遵循空間隔離的干擾規避規則，終端天線波束比較窄、方向性強，終端天線尺寸相對比較大，天地融合的手機、物聯網終端集成該頻段實現衛星通信目前不太現實?！笆謾C直連衛星”使用UHF、L、S 頻段，與地面移動通信工作頻段接近，可以使用寬波束天線收發，支持天地融合的手機、物聯網終端的實現。

2 “手機直連衛星”發展現狀

國外發展現狀

2022 年，北方天空研究所（NSR）將“手機直連衛星”描繪成“衛星通信歷史上最大的機會”，預測未來10 年累計收入將會超過以提供寬帶接入為主的低軌衛星互聯網。

國外衛星通信廠商、地面移動通信廠商等紛紛聯手進入該領域：一是基于當前在軌衛星網絡，通過手機綜合集成實現“手機直連衛星”應用；二是基于衛星網絡技術創新，推動“手機直連衛星”與地面網絡融合發展；三是面向互操作性及產業發展，推進“手機直連衛星”通信體制標準化工作。國外典型“手機直連衛星”合作案例如表1 所示。

表1 國外典型“手機直連衛星”合作案例

（1）基于現有衛星能力，通過手機綜合集成實現“手機直連衛星”應用

基于現有在軌衛星網絡，研制“手機直連衛星”專用波形和芯片，通過在手機嵌入專用波形或專用芯片，提供“手機直連衛星”服務。該方式技術相對成熟，可以在較短時間內為用戶提供“手機直連衛星”功能，解決全球范圍特殊場景下的急需，并快速擴大“手機直連衛星”的市場空間。

2022 年9 月，蘋果公司發布在iPhone 14 系列手機嵌入衛星通信功能，支持用戶在地面移動通信網絡覆蓋區域之外通過連接Globalstar 衛星進行應急服務。目前，基于Globalstar 衛星提供的應急SOS服務已在美國和加拿大的iPhone 14 手機上提供；計劃到2023 年底，服務區域擴展到法國、德國、愛爾蘭和英國。

2023 年初，Iridium 公司宣布與高通公司合作開發衛星兼容芯片，該芯片將通過Iridium 星座在安卓（Android）手機上實現短消息收發。高通公司將該項功能搭載在第二代驍龍8（Snapdragon 8 Gen2）處理器上。在2023 世界移動通信大會（MWC 2023）上，高通公司宣布與榮耀、OPPO、小米等公司合作，開發具備直連衛星功能的智能手機。Iridium 公司表示將于2024 年激活“手機直連衛星”功能。

（2）基于衛星系統重大技術創新，實現天地融合發展

衛星網絡運營商與地面移動通信網絡運營商合作，通過衛星網絡技術創新，構建一個與地面網絡融合的衛星移動通信系統，直接為當前地面移動4G/5G 存量手機提供“手機直連衛星”服務。該方式技術復雜、工程實施難度大，目前國外還處于在軌試驗狀態。ASTS 公司于2016 年創立，目標是把每部智能手機變成一部衛星電話，在世界任何地方都可以寬帶上網。2022 年9 月，該公司發射了具有里程碑標志的BlueWalker-3 低軌衛星（見圖2），該衛星配置64m2陣列天線，為彎管透明轉發，工作在700～900MHz 頻段，兼容地面LTE 手機使用。

圖2 ASTS 公司BlueWalker-3 試驗星

2023 年4 月，基于低軌BlueWalker-3 衛星，地面未經修改的智能手機完成第一個雙向語音通信。使用普通4G LTE 手機，在軌測試下載速度可達14Mbit/s。ASTS 公司后續計劃部署168 顆“藍鳥”（Bluebird）衛星，星載天線超過300m2。

ASTS 公司核心的商用模式是向移動網絡運營商提供衛星接入服務，頻譜和用戶均由移動網絡運營商提供，新創造的收入按約1 ∶1 比例分成。截至2023年8 月底，ASTS 公司與全球超過35 家移動網絡運營商簽署合作備忘錄。

SpaceX 公司于2022 年8 月宣布將與T-Mobile達成合作，基于T-Mobile 的PCS 頻譜、SpaceX 的Starlink V2 衛星，為美國部分地區的移動用戶提供網絡接入。Starlink V2 衛星將在原Ku 及Ka 通信載荷、星間激光鏈路的基礎上，為支持地面手機直連，增加一個面積25m2陣列天線，工作頻段為1910～1915MHz（上行）、1990～1995MHz（下行）。2024 年底為普通手機提供短信、彩信服務；2025 年初實現語音及數據服務，每波束下行速率2～4Mbit/s。

（3）推進“手機直連衛星”通信體制標準化，增強互操作性

目前，國內外投入應用的“手機直連衛星”還是采用專用技術體制，系統之間不具備互操作性。

從2017 年以來，3GPP 就在推進衛星融入地面移動通信的技術規范研究，成立了NTN 工作組。針對衛星信道特點，適應性修改地面移動通信空口協議，支持“手機直連衛星”應用。

2022 年6 月，聚焦物聯網和低速率業務，3GPP推出了第一個“手機直連衛星”的5G 標準R17；目前正在開展支持寬帶業務的NR NTN 技術研究（過程見圖3）。預計支持“手機直連衛星”的衛星通信網絡都會逐步從專用體制波形統一到3GPP NTN 天地一體融合波形，增強互操作性。

圖3 3GPP NTN 研究過程

國內發展現狀

從2022 年以來，國內開展了大量“手機直連衛星”試驗驗證，并基于現有在軌衛星網絡，推出了支持“手機直連衛星”應用的手機，提供短消息和雙向低速話音。

2022 年8 月，中國移動、中興和交通運輸通信信息集團等單位合作，基于GEO 通信衛星，完成了基于R17 的NTN 技術驗證，支持短消息、語音對講等業務，從架構、協議、設備等方面驗證了“手機直連衛星”技術的落地能力。

2022 年9 月，華為公司推出Mate 50 手機，嵌入北斗衛星短信功能，能夠直接通過北斗衛星發送短消息，是我國第一個支持“手機直連衛星”的智能手機。2023 年9 月，華為公司推出Mate 60 Pro 手機，內嵌基于S 頻段天通一號衛星的雙向短消息和雙向話音功能，是全球首個支持“手機直連衛星”雙向短消息和雙向話音的智能手機。

2023 年4 月，我國IMT-2020（5G）推進組成立NTN 工作組，開展標準規范研究和技術驗證，推進產業發展。

2023 年7 月，紫光展銳推出具備“手機直連衛星”能力的手機SoC 芯片。該芯片基于S 頻段天通一號衛星（中國電信攜手紫光展銳、vivo、中興等），完成符合IoT-NTN 標準的“手機直連衛星”在軌測試。

3 “手機直連衛星”關鍵技術

面向系統設計和研制建設，“手機直連衛星”發展還面臨很多關鍵技術亟待研究和解決，包括體系架構、天地融合的通信體制、天地一體用頻、星載大口徑陣列天線、智能化星座和網絡運行管理等。面向“手機直連衛星”系統發展及研制建設，以下對總體設計需重點研究的關鍵點進行分析探討。

天地融合頻率

頻率是“手機直連衛星”系統工程實施的基礎，頻率選擇是否合適會直接影響系統的可行性、可用性及擴展性?！笆謾C直連衛星”可用頻率資源主要有兩類：一是地面移動網絡運營商（MNO）的頻率；二是衛星移動通信（MSS）的頻率?！笆謾C直連衛星”使用MNO 頻率，有利于地面手機接入衛星，不需要修改手機天線及射頻模組；但MNO 頻率分布比較散，不同區域變化比較大，星載天線實現難度大，全球范圍實現兼容困難。MSS 頻率分配相對比較集中，有利于全球覆蓋的頻率統一的工程實現。

天地融合頻率需要研究“手機直連衛星”與地面移動通信頻段共享共用、有利于降低星載天線工程實現代價的頻率使用方案研究；在此基礎上，針對天地間同頻共用，需要研究天地頻率協作的空間隔離及覆蓋規則、天地頻率非協作的干擾感知及規避規則,以及相關技術。針對我國發展，需要開展3GPP推薦的N256 頻段（下行1920～1980MHz，上行2110～2170MHz）的研究，以及該頻段使用對天通一號衛星移動通信潛在影響的研究。

接入網架構

在3GPP TR38.821 支持NTN 的NR 解決方案中，給出了三種接入網架構：基于衛星透明轉發的接入網架構、gNB 全星上處理的接入網架構、CU/DU分離的接入網架構。

1）基于衛星透明轉發的接入網架構，衛星載荷不需要再生處理及上層協議處理，新技術引入及技術體制變化，對衛星影響不大，可以大幅度降低系統運行的風險；但該方式無法實現星間組網，全球服務需要部署大量關口站。

2）基于gNB 全處理的接入網架構，衛星載荷完成gNB 全協議棧處理，有利于星間組網，而且星上部署核心網UPF 功能后，可以支持手機到手機不落地的TtoT 通信，降低業務傳輸時延；但缺點是星上復雜的空口協議處理，對星載計算性能要求高。

3）針對CU/DU 分離的接入網架構，有利于星間組網，而且可以降低星上處理的復雜度；但業務處理交換需要落地處理，業務傳輸時延比較大；需要研究CU/DU 分離不同切分方案對星地回傳時延、星地回傳帶寬、ARQ 重傳機制等性能的影響。

根據不同方案的優缺點，結合系統需求，研究確定合適的解決方案。

低軌“手機直連衛星”超大陣面多波束天線

受限于衛星發送及接收能力，目前“手機直連衛星”僅能提供低速數據和話音業務。在地面手機能力確定的情況下，“手機直連衛星”具備寬帶業務支持能力，星載可展開部署的超大陣面多波束天線是關鍵。目前國內在軌成熟的L 頻段相控陣天線，陣面不超過2m2、功耗超過800W、質量超過80kg。對于“手機直連衛星”，陣面預計不小于50m2，給工程實現帶來極大難度和挑戰。

首先，為適應發射對衛星包絡及環境適應性的要求，需要研究超大平面天線二維高精度展開及收納壓緊裝置，支持天線陣面收藏與在軌展開。其次，必須要解決陣面規模擴大帶來的功耗和質量劇增的難題：一是開展輕量化、低功耗射頻前端高集成設計研究；二是開展可大幅度降低功耗的星載數字波束形成技術研究。

支持隨遇接入的波束按需調度

“手機直連衛星”隨遇接入的要求就是打開手機可以快速入網，入網后，隨時可以進行業務接入。衛星波束全時或近實時覆蓋是實現隨遇接入的關鍵。一是要保證衛星波束為手機或地面終端提供近實時的系統消息；二是系統要能夠近實時調度波束資源，保證終端與星載基站完成隨遇接入的交互過程。面向“手機直連衛星”系統，為支持手機寬帶業務，設計上只能采用更窄的點波束，以衛星高度500km、點波束寬帶3°為例，點波束覆蓋區半徑約13km，衛星視場覆蓋半徑約735km，衛星視場覆蓋面積是單點波束覆蓋面積的3000 倍，單星點波束配置數量不足以對衛星視場全覆蓋。

針對上述存在的難題，根據相控陣波束按需靈活捷變的特點，提出兩種解決思路。一是結合隨遇接入鏈路能力、系統廣播消息容量、接入時延要求等，研究多點波束分區域輪詢掃描的方案；二是結合固定區域波束全時覆蓋的優勢，研究基于固定區域波束引導、點波束按需調度的隨遇接入方式，優化隨遇接入時延指標。

承載網星間星地組網技術

對于低軌星座系統，缺乏星間互聯組網能力，全球服務需要部署大量關口站。為解決全球布站難度大、低軌星座部署完成到實現全球服務周期長的問題，低軌“手機直連衛星”必須走星間星地組網的技術路線。目前，3GPP NTN 研究的重點是接入網、核心網相關的技術規范，對于連接接入網與核心網的星間星地的承載網還沒有相關可供參考的研究成果。

目前，國內針對星間全互聯的低軌星座星間星地組網技術開展了很多研究，已經完成單層400 余顆衛星的星間星地組網協議數字化驗證，星間星地組網拓撲規律變化下路由不中斷，拓撲突變條件下路由重收斂時間優于10s。針對“手機直連衛星”單星業務量不是很大的實際情況，有必要開展更大規模星間非全互聯組網方案研究，單星配置兩個同軌道星間鏈路、一個異軌道星間鏈路，在星間全互聯基礎上開展組網拓撲設計和組網協議優化設計。低軌星間非全互聯的組網示意圖如圖4 所示。

圖4 低軌星間非全互聯的組網示意

4 “手機直連衛星”發展趨勢分析

3GPP NTN 將成為“手機直連衛星”通信體制標準

從地面移動通信發展來看，3GPP 標準代表了產業發展方向。目前3GPP NTN 工作組包括衛星運營商、芯片供應商、終端設備制造商、應用服務提供商等，正在合作研究和測試各種技術規范，推動NTN 的應用和發展。2022 年6 月，3GPP 推出了第一個“手機直連衛星”的5G 標準R17 后，全球主要衛星運營商和衛星通信設備制造商都在跟進R17 規范，并將其納入他們的平臺或解決方案中。芯片廠家也積極參與進來，包括Qualcomm、Media Tek、紫光展銳等公司，已經推出支持R17 的手機芯片。

“手機直連衛星”采用NTN 標準，有利于增強終端、網絡、運營商之間的互操作性，手機可靈活集成“手機直連衛星”功能，移動網絡運營商可以提供更為順暢的端到端服務，這將有助于推動“手機直連衛星”進入大眾市場。

新一代“手機直連衛星”將普遍采用星載超大陣面多波束天線

從國外發展來看，星載超大陣面多波束天線是“手機直連衛星”支持寬帶業務的必備載荷。ASTS公司BlueWalker-3 試驗衛星配置64m2陣列天線，峰值速率可達10Mbit/s；Starlink V2 配置25m2陣列天線，速率可達2～4Mbit/s。

地面手機發送和接收能力確定的情況下，要實現“手機直連衛星”，特別是支持寬帶業務的“手機直連衛星”，只能提高衛星星載天線能力。地面移動基站到手機、低軌衛星到手機，空間距離相差幾百倍，空間鏈路損耗差50～60dB。若想達到10Mbit/s 量級的寬帶業務支持能力，衛星必須配置超大陣面多波束天線，面向衛星視場多區域多用戶服務，具備多波束能力。

“手機直連衛星”系統的構建將會以低軌星座為主

目前，國外新一代“手機直連衛星”發展主要集中在低軌星座。例如：ASTS 公司規劃的168 顆衛星的Bluebird 星座，軌道高度為720km；SpaceX公司Starlink V2.0 衛星也是低軌星座，軌道高度500km 左右。

相對GEO 衛星，低軌衛星的星地空間損耗要低30dB 以上，有利于提升鏈路能力，支持寬帶“手機直連衛星”的實現。在為地面手機提供同等業務能力下，GEO 衛星星載天線面積將是低軌衛星的1000 倍。按照Starlink V2 衛星25m2作為參考，GEO 衛星星載天線面積需要達到25000m2，半徑達到90m，工程可實現性是個問題。對于支持寬帶業務的“手機直連衛星”系統構建，低軌星座是最為可行的方案。

“手機直連衛星”進入大眾市場需要地面廠商參與

從國內外發展來看，無論是當前還是未來，若想拓展“手機直連衛星”應用前景，使其融入大眾市場、實現可持續發展，地面網絡運營商、地面手機/芯片廠商的參與是關鍵。

蘋果公司基于Globalstar 星座的iPhone 14 應急服務，使Globalstar 獲得千萬量級潛在用戶。ASTS 公司與全球超過35 家地面網絡運營商（例如：Vodafone、AT&T、樂天等）簽署合作備忘錄，SpaceX 公司與地面網絡運營商T-Mobile 合作，不但獲得了可用的頻譜資源，也使這些衛星網絡獲得數億量級潛在用戶。

5 結束語

基于在軌衛星網絡的“手機直連衛星”，主要提供低速業務，解決了“手機直連衛星”有無的問題。我國目前處于國際領先地位，如基于天通一號衛星和Mate 60 Pro 手機的“手機直連衛星”。面向支持寬帶業務的、以星載超大陣面多波束天線為典型特征的新一代“手機直連衛星”，國外已經推出試驗系統，如ASTS 公司基于BlueWalker-3 的試驗系統、SpaceX 公司基于Starlink V2 的試驗系統等。面向支持寬帶業務的新一代“手機直連衛星”發展，國內研究起步較晚，與國外技術發展還存在較大差距，很多瓶頸技術還有待于突破，包括星載超大陣面多波束天線、“手機直連衛星”波形、手機到手機的TtoT通信、融合“手機直連衛星”波形的手機芯片、天地融合的頻率干擾協調與規避等。面向6G 天地融合發展，聚焦國際前沿，我國還需加大“手機直連衛星”的創新投入，以系統總體設計為引領，成體系突破系列關鍵技術，為新一代“手機直連衛星”發展研制建設奠定技術基礎。