手机直连卫星技术综述（下篇）

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。并且，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、手机直连卫星项目进展

1. AST&Science

美国AST&Science（简称AST）公司成立于2017年，专注于开发低轨卫星星座SpaceMobile，利用现有的4G/5G通信频段和标准，实现与智能手机的直接通信，从而为全球智能手机用户提供无缝移动互联网接入服务。SpaceMobile计划由243颗低轨道卫星组成，分布在轨道高度为725至740公里的16个轨道面上，可实现对赤道区域、北美、欧洲、亚洲及全球的信号覆盖[1]。

2022年9月，AST公司发射了BlueWalker 3实验卫星，其配备的超大相控阵天线阵列展开面积达64平方米（693 平方英尺），如图1所示。2023年4月，美国国际电话电报公司（AT&T）和AST SpaceMobile利用三星S22手机直接连接BlueWalker 3卫星，成功实现了双向天基通话，展示了手机直连卫星通信的技术能力。随后，2023年9月，AST公司与电信运营商Vodafone合作进行了全球首个手机直连卫星的5G通话实验[2]。2024年4月25日，AST SpaceMobile宣布成功完成有史以来首次使用未经改造的普通智能手机进行的天基语音通话测试。

图1 ASTS公司BlueWalker 3试验星（左）及其天线（右）

目前，AST SpaceMobile已与全球超过35家移动网络运营商签署了谅解备忘录（MOU），这些运营商共计拥有约20亿现有用户。签署合作协议的运营商包括沃达丰集团、乐天移动、AT&T、加拿大贝尔、Orange、Telefonica、TIM、沙特电信公司、ZainKSA、Etisalat、Indosat Ooredoo、Hutchison、Smart Communications、Globe Telecom、Millicom、Smartfren、阿根廷电信、Telstra、Africell、Liberty Latin America以及其他公司。此外，沃达丰、乐天、美国塔、三星NEXT和加拿大贝尔也是AST SpaceMobile的投资者。

2.Lynk Global

美国Lynk Global（简称 Lynk）公司成立于2017年,该公司计划建设超过5000颗低轨卫星的Lynk卫星星座，旨在为全球移动电话服务覆盖提供“太空蜂窝塔”功能。Lynk星座使用6U立方星，运行在地面运营商网络频段（低于1 GHz），为符合3GPP标准的手机提供全球覆盖的短消息和数据通信服务，通过与地面运营商合作和共享基础设施，可实现地面用户从蜂窝网络到太空网络的无缝漫游[1]。

图2 Lynk运营“太空蜂窝塔”卫星提供直接的标准手机连接

2020 年2月，Lynk 公司使用卫星测试平台向地面普通安卓手机发送一条文本消息，首次实现了地面普通手机与卫星的直接连接，成为历史上第一家在标准移动蜂窝设备和卫星基站之间成功建立双向连接的公司。2022 年 2 月 8 日，Lynk公司的第 5 颗试验卫星“香农”成功与6000台智能手机、平板电脑以及物联网设备等建立了双向连接。同年 9 月 16 日，Lynk 公司获得联邦通信委员会（FCC）的批准，在全球运营其首个由10 颗比萨盒形卫星组成的星座，该授权突破了当前的监管框架，首次同意卫星使用地面移动通信频段。2023年7月25日，Lynk公司发布了通过Lynk在轨卫星连接普通移动电话进行多次语音通话的测试视频，向全世界展现了基于存量普通手机直连卫星技术实现双向卫星语音通话的相关成果[3]。

目前，Lynk公司已与加拿大Rogers、新西兰Spark和2degrees、加纳Telecel Group、澳大利亚Optus、BICS等全球30多个国家的移动通信运营商签订了手机直连卫星服务商业协议,基于合作方的地面移动通信网络为存量手机提供通信服务。

3. SpaceX

美国SpaceX公司成立于2002年，其目标是总共部署7500颗添加直连手机功能的星链V2.0卫星，利用T-Mobile地面频谱资源为4G/5G智能手机用户提供直连卫星双向消息和语音通话服务。新一代的星链卫星V2.0增加了一个边长5-6米、面积达到25平米的中频PCS频谱（mid-band PCS spectrum）天线，每个中频PCS频谱天线可在地面形成一个通信单元格，单元格中的手机可以通过直连卫星实现通信，通信带宽为2-4Mbits，可同时支持1-2千人同时通话。

2022 年 8 月 25 日，T-Mobile 与 Starlink 之间建立了合作伙伴关系，计划通过 Starlink 2.0 为手机提供直连卫星通信服务。然而，受限于载荷等因素，Starlink V2.0卫星目前仍处在试验阶段，现阶段发射的是Starlink V2.0 Mini卫星。2024年1月3日，SpaceX发射了首批6颗具备直到蜂窝（DTC）能力的Starlink V2.0 Mini卫星，该种卫星携带有一个2.7米x 2.3米的大型先进相控阵天线以实现与地面手机的直接通信，如图3所示。同月，SpaceX宣布其成功通过首批DTC星链卫星发送了短信。截至2024年7月31日，SpaceX已部署手机直连卫星超100颗，预计H2推进手机直连的商业化运营。根据SpaceX向FCC提交的文件，该公司将进一步部署840颗卫星，旨在通过T-Mobile的无线电频谱向约2000部智能手机提供4G连线。

图3 Starlink V2.0 Mini DTC卫星所携带天线

目前，SpaceX与美国的T-Mobile、澳大利亚的Optus、加拿大的Rogers、新西兰的One NZ、日本的KDDI、瑞士的SALT、智利的Entel等运营商合作，推出星链直连手机业务[4]。

4.国内公司

在2022年9月，华为推出了Mate 50系列，首次引入了手机直连卫星技术，成为全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机。随后的P60系列、Mate 60系列以及P70系列都进一步加强了卫星通讯功能，包括双向北斗卫星消息、卫星通话和双卫星通信功能。2023年11月，中国电信发布了自主研发的天翼铂顿S9手机，支持手机直连卫星话音和低速数据业务。到了2024年，这项技术逐步普及开来，荣耀的Magic6系列推出了荣耀鸿燕通信，支持手机直连卫星服务，实现了实时语音和双向短信功能。OPPO Find X7 Ultra卫星通讯版提供了听筒/免提双模双向卫星通话功能，用户可以拨打卫星电话和发送卫星信息。中兴Axon 60 Ultra则支持中兴鸿宇卫星通信技术，支持直连天通卫星，提供了实时语音卫星通话、双向卫星短信功能，采用自研的卫星天线波束可控技术并具备自由编辑消息内容功能。

（a）华为mate60 pro （b）天翼铂顿S9
图4 国内典型直连卫星手机终端

二、手机直连卫星面临的挑战

1. 硬件改造问题

地面的智能手机与卫星系统之间存在上百公里的距离，信号需传输数万千米，链路损耗较大。传统的卫星电话通常搭载大型高增益天线，以提高其指向性，实现与卫星的远距离通信。但普通智能手机由于体积和功耗的限制，采用的是低增益全向天线，其天线增益和信号发射功率皆明显低于传统卫星终端，难以直接与卫星通信。若要基于现存手机实现到卫星的直接连接，需要改造传统的卫星系统，一般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，这将对走存量手机直连路线的卫星企业带来巨大挑战。若基于现有卫星并改造手机终端实现手机直连卫星，需要在手机终端内置卫星通信专用模块，如何在有限的空间内将基带、射频处理、 功率放大器、滤波器以及卫星模块高密度集成并降低功耗、增加散热，是走定制终端直连路线卫星企业所将面临的挑战。

2. 频率资源问题

发展天地一体化手机直连卫星系统，最关键的是需要解决频率资源问题。然而，当前手机直连卫星在全球范围内的工作频率还未达成一致，国际规则和标准的制定仍处于初始阶段。在世界无线电通信大会WRC-23举行之前，ITU研究了将1695～3400MHz之间的若干频段划分为卫星移动业务新频段的可行性。但由于WRC-19的第248号决议在窄带卫星移动业务的技术和业务特性方面的措辞含糊不清，无论是频谱需求的研究，还是与现有主要业务之间的潜在共享和兼容性的研究，都没有形成定论。简言之，WRC-23议程未涉及卫星移动业务的新频谱分配或手机直连卫星的频谱议题，但决定授权ITU-R调研手机直连卫星技术，并预定了WRC-27的两个议题（1.12与1.13），旨在后续会议上探讨为手机直连卫星服务分配新频谱的可能性。

三、结 语

随着人们对全球通信覆盖需求的日益增长，卫星互联网将作为地面通信系统的重要补充，与其实现一体化发展。新一代支持手机直连的卫星移动通信将成为当前星地融合系统的重要发展方向。伴随卫星制造和发射成本的降低，以及星载相控阵天线和地面终端通信芯片技术的发展，众多传统通信卫星运营商、新兴通信卫星运营商、地面移动运营商、卫星制造商、IMT(国际移动通信)设备制造商都将涌入这一新的赛道，共同推动天地一体化立体融合网络的构筑。

参考文献

[1] 王达,童建飞,穆飞宇.手机直连卫星通信：发展现状、应用场景和标准演进[J].无线电通信技术,2023,49(05):795-802.

[2] 何元智,肖永伟,张世杰,等.全球泛在连接新模式：手机直连卫星关键技术及挑战[J].电子与信息学报,2024,46(05):1591-1603.

[3] http://www.hljrm.cn/glzs/3941.jhtml

[4] 钱立富.手机直连卫星“内外开花”[N].IT时报,2024-01-12(009).DOI:10.28404/n.cnki.nitsd.2024.000007.Junhyeong Kim, Guido Casati, Nicolas Cassiau. Design of cellular, satellite, and integrated systems for 5G and beyond [J]. ETRI journal.2020,42(5): 669-685

[5] ITU WRC-23 Closing Ceremony[EB/OL], 2023.12.15, online: https://itu.int/en/mediacentre/Pages/PR-2023-12-15-WRC23-closing-ceremony.aspx