手机直连卫星技术综述（上篇）

引 言

随着全球对通信连接需求的不断增长，5G系统已在城市等人口密集地区广泛部署，提供宽带和高速率的通信服务。它不仅能为大量用户提供更高速率、更低延时和更稳定的通信服务，还能承载更多终端连接，显著提升地面通信网络的服务能力，实现了真正的万物互联。然而，尽管地面通信网络在提供覆盖和服务方面取得了显著进步，但其在覆盖均匀性和抗毁性方面仍存在明显的局限，特别是在自然环境恶劣或建设成本过高的偏远地区，地面网络的覆盖能力不足。当遭遇自然灾害时，地面通信网络的设备往往因抗毁性较差而无法保证应急通信的可靠性，这进一步加大了在确保全球通信连通性方面的挑战。

为了满足未来6G全天候、全天时、全地域的通信需求，手机直连卫星技术应运而生。本文将分上下两篇，上半篇主要介绍手机直连卫星的三种模式与不同模式下的网络架构，下半篇主要介绍全球范围内典型手机直连卫星项目的进展情况以及当前面临的挑战。

一、背景介绍

手机直连卫星技术允许智能手机用户无需依靠基站和卫星地面站的中继，就能直接与卫星进行通信，在任何时间、任何地点享受无缝覆盖的通信服务。这与在L频段（1 GHz ~ 2 GHz）和S频段（2 GHz ~ 4 GHz）使用定制卫星手持终端提供窄带数据服务的传统卫星移动通信系统不同，手机直连卫星系统使用通用的智能手机直接与卫星系统连接，目的是实现宽带数据及语音服务。

地面的智能手机同卫星系统之间存在上百公里的距离，加之其天线增益和信号发射功率皆明显低于传统卫星终端，为使卫星提供到手机的直接通信连接，需要改造传统的卫星系统。这要求卫星的轨道更低、数量更多、天线更大、发射功率更高，以适应从卫星到地面的巨大信号传播损耗。

手机直连卫星技术为偏远、沙漠和海洋等区域的个人使用、应急救援及行业拓展等应用提供了新的可能，同时也克服了传统卫星通信因发射与组装成本高、通信容量小、传输时延大等问题而发展缓慢的局限。其广泛的覆盖范围、强大的抗灾抗毁能力和灵活的部署性，为实现全球覆盖和应急通信提供了新的解决方案，进一步增强了通信连接的全面性和稳定性。

二、手机直连卫星模式及架构

手机直连卫星模式包括基于私有协议的定制终端直连模式、存量终端直连模式和3GPP NTN 终端直连模式，以实现分场景覆盖及网络互补[1]。当前，国内外企业为抢占市场先机，正积极开展手机直连业务的技术验证，并加速推动其商业化应用的实现。目前，中国在定制手机直连路线上的进展居于业界领先地位，而存量手机直连路线则由国外新兴低轨卫星公司主导，此外，3GPP国际标准组织主要负责推动5G NTN路线的发展，旨在实现星地网络一体化[2]。

1. 定制终端直连模式

定制终端直连模式下，手机侧集成了卫星移动通信专用芯片，从而具备同时与卫星及地面基站通信的能力，该模式本质上属于卫星移动业务（MSS）。定制双模手机利用已分配给卫星移动运营商的特定频率来实现与卫星的连接，使用ITU为卫星移动业务划分的L和S频段。采用该模式的公司主要是手机制造商和卫星公司的组合，包括苹果公司与全球星、华为公司与天通卫星、三星公司与铱星等组合，如苹果iphone14（5G+Globalstar短消息）、华为Mate50（4G+北斗短消息）、Mate60 Pro（5G+天通语音+短信）等系列终端均内置了卫星通信芯片。

图1 定制终端直连架构

如图1所示，卫星网络与地面蜂窝网络的频率、体制和架构相互独立，核心网之间通过网关互联实现业务互通。这种模式无需申请频率牌照，也不需要对蜂窝基站和核心网进行任何改动，仅通过部署互通网关以及在终端侧进行多模形式升级即可实现，具备部署快的优势，能迅速满足蜂窝盲区应急通信和偏远地区的小型物联网数据采集需求。然而，定制终端直连模式受限于目前在轨卫星的能力，仅能支持短信、语音和窄带业务，难以满足宽带业务需求，并且受限于封闭的通信体制，产业规模较小，成本较高。

2. 存量终端直连模式

存量终端直连模式下，不需要对手机终端进行任何修改，通过定制布设3G/ 4G/ 5G基站的低轨卫星来适配蜂窝终端和空口协议，使得低轨卫星具有与地面存量手机直接通信的能力以实现存量手机终端接入卫星网络的目标[3]。此模式主要面向低轨道卫星系统，卫星通过利用已分配给地面移动通信运营商的频率来实现与手机的连接，采用该模式的卫星操作公司须通过与地面通信运营商合作来获得频率使用权，如AST&SpaceMobile、Lynk和SpaceX等。

图2 存量终端直连架构

此模式目前主要支持4G存量终端，架构如图2所示，其由卫星、普通4G手机终端、信关站、地面核心网、卫星运营商网络和公共数据网组成。其中，低轨卫星采用可再生处理技术，搭载具备完整功能的增强4G基站（eNodeB），通过4G空口与存量手机直接连接。

用户在星地网络间切换的本质是其在两个网络之间的漫游，用户数据经过星间链路传输后会下行到卫星运营商网络，并最终传送至地面运营商网络，反之，低轨卫星也可以从地面核心网中获取终端所需要的数据，并直接传输给地面用户终端。这种模式使用地面蜂窝频率来解决频率许可及牌照问题，仅需卫星即可实现全部通信，在NTN业务渗透率较低的网络建设初期，能快速推广卫星业务，缺点在于需进行定制化星座设计及卫星基站设计，实现难度大且成本高。尽管如此，这种模式因其能简化通信复杂度，目前被国外公司广泛看好和采用。

3. 3GPP NTN 终端直连模式

目前，第三代合作伙伴计划（3GPP）已经把卫星业务纳入其非地面网络（NTN）标准之中，开始制定卫星直连设备的全球标准，并将为其规划新的频段，这代表了一种未来导向的星际与地面融合的通信解决方案[4]。

3GPP NTN 终端直连模式是未来天地一体融合通信的重要组网模式，该模式使用3GPP正在规划的NTN技术体制的专用频率，采用统一的通信协议，严格按照3GPP的非地面网络规范来设计星座的运行模式，并可通过对现有网络终端进行改造以实现各类用户终端的网络接入，建设成本较低，包括基于透明转发和基于再生转发的两种NTN网络架构，采用此模式的企业包括Omnispace、爱立信、高通、三星等。

图3 透明转发NTN网络架构

基于透明转发的NTN网络架构如图3所示，其中，透明转发卫星具有射频滤波、频率转换和信号放大等功能，不同的透传卫星可以连接到同一个地面基站，地面信关站只负责透传信号，和透传卫星共同作为 NTN 基站的远端射频单元，另外，该架构仅在星上实现射频功能，其余接入网功能则均部署在地面[5]。在透明转发模式下，用户设备可以通过直接连接卫星来接入地面基站和核心网，这适用于信关站辐射范围内的无地面覆盖地区补充覆盖、偏远地区个人用户应急通信等场景。由于该架构不存在星间链路，数据转发严重依赖信关站。若受政治或地理因素的影响，部分地区可能无法部署信关站，从而导致无法实现全球覆盖。

图4 再生转发NTN网络架构

基于再生转发的NTN 网络架构如图4所示，其中，卫星具有射频滤波、频率转换、信号放大、调制/编码、星间路由、解调/解码、接入控制、无线资源管理等功能，信关站提供卫星与地面核心网的连接，不同卫星上的基站可以借助星间链路连接到地面上的同一核心网。此外，该架构并不严重依赖地面基础设施，可以通过星间多跳回传实现全球覆盖。由于基站完全上星后，终端到基站的距离显著缩短，可为物理层与MAC层提供更小的传播时延。在再生转发模式下，用户设备可以通过星载基站和星载核心网接入地面网络，在无信号覆盖站区域通过星间链路进行转发，实现全球范围内灵活路由和无缝覆盖。

三、结 语

本篇文章探讨了手机直连卫星技术的潜力，该技术为偏远地区和应急通信提供了新的解决方案。其允许智能手机用户直接与卫星通信，突破传统基站限制，实现无缝覆盖，以应对未来6G通信的需求。文章分析了三种直连模式：通过专用芯片实现双向通信的定制终端直连模式；适配现有手机以简化频率问题的存量终端直连模式；推动天地一体化网络发展的3GPP NTN终端直连模式。下半篇我们将介绍全球范围内典型手机直连卫星项目的进展情况以及当前面临的挑战。

参考文献

[1]中国联通天地一体融合通信愿景白皮书[R].中国联通，2023

[2]中国电信集团卫星通信有限公司.天地一体网络与技术应用专栏：手机直连卫星的技术路线及演进分析[EB/OL].中国通信企业协会,2023,12,17,online: https://www.cace.org.cn/NEWS/COUNT?a=5026

[3] 张世杰,赵祥天,赵亚飞,等.星地融合网络：一体化模式、用频与应用展望[J].无线电通信技术,2023,49(05):775-787.

[4]5G from Space: The final frontier for global connectivity[EB/OL]. 2023.09.27, online: https://qualcomm.com/news/onq/2023/09/5g-from-space-the-final-frontier-for-global-connectivity

[5]5G from Space: The final frontier for global connectivity[EB/OL]. 2023.09.27, online: https://qualcomm.com/news/onq/2023/09/5g-from-space-the-final-frontier-for-global-connectivity