“手机直连卫星”发展及关键技术

肖永伟 卢山 宋艳军（中国电子科技集团公司第五十四研究所）

2022 年6 月，非地面网络（NTN）纳入3GPP 规范，是第一个支持“手机直连卫星”的标准；2022 年9 月，华为、苹果先后推出支持“手机直连卫星”的手机终端；2023 年4 月，AST 空间移动公司（ASTS）基于低轨蓝行者-3（BlueWalker-3）卫星和普通智能手机完成第一个双向语音通信测试。“手机直连卫星”瞬间成为卫星通信领域超越卫星互联网的又一个关注热点和发展方向。未来6G 天地融合应用对终端统一的需求，必将为“手机直连卫星”带来数亿量级的用户，“手机直连卫星”成为卫星移动通信进入大众市场的关键。本文对“手机直连卫星”概念内涵、与卫星移动通信的关系进行了解读；结合“手机直连卫星”发展及研究状况，梳理其未来发展趋势；面向“手机直连卫星”系统发展及研制建设，并对几项关键技术进行初步分析。

1 “手机直连卫星”概念及内涵

“手机直连卫星”，顾名思义就是基于手机与卫星直接进行信号传输,并实现通信的卫星通信系统。在卫星通信领域，面向手机或手持类终端的通信，一般称为卫星移动通信系统。为解决手机或手持类终端对星的问题，一般配置宽波束发送和接收天线，好用的频段主要是低频段的UHF、L、S 频段（而不是卫星互联网常用的Ku、Ka 频段），按照无线电规则，该类频段属于卫星移动业务（MSS），所以，“手机直连卫星”本质上是一个卫星移动通信系统。

在“手机直连卫星”这个名词出现以前，“铱星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“海事卫星”（Inmarsat）和我国天通一号卫星移动通信系统等，均支持手机或类手机终端直连卫星进行通信。20 世纪90 年代的Iridium 系统，手机形态、应用支持能力（例如：短消息、低速话音）等方面，与当时地面移动通信差别不大。经过20 年发展，支持手机直连的卫星移动通信发展缓慢，应用支持能力、应用范围均落后于地面移动通信发展。Iridium 系统手机与地面移动手机对比如图1 所示。

图1 Iridium 系统手机与地面移动手机对比

地面移动通信从20 世纪90 年代的2G 短消息、话音业务（每秒传输几千比特）到目前5G 宽带多媒体业务（每秒传输百兆比特量级），手机形态和应用支持能力发生了非常大的变化，人们对“手机直连卫星”的认识也在变化。用户希望不改变使用习惯、不明显增加手机尺寸和重量，就可实现“手机直连卫星”，希望得到像地面移动通信一样的移动互联网体验，不仅仅是短消息和低速话音。对“手机直连卫星”更为准确的理解是基于智能手机与卫星直接进行信号传输，并实现通信的卫星移动通信系统。

当前，大家关注“手机直连卫星”的一个关键原因，就是“手机”内涵的关注重点在变化，主要指大众用户常用的智能手机，该智能手机内嵌卫星移动通信功能，一部手机可以通过地面基站实现地面移动通信，也具备与太空中卫星直接连接实现卫星通信的能力。“手机”内涵的变化，将会给卫星移动通信带来数亿量级用户的增加，为信息通信产业带来一个新的发展机遇。

面向6G 无缝全域覆盖、天地融合组网愿景目标实现，“手机直连卫星”是实现天地融合终端统一最为可行和不可替代的技术途径。6G 终端包括面向个人的智能手机、面向传感器的物联网终端等，该类终端特点是质量轻、体积小、功耗低，对集成卫星通信提出了较高要求。卫星互联网一般使用Ku、Ka 频段，遵循空间隔离的干扰规避规则，终端天线波束比较窄、方向性强，终端天线尺寸相对比较大，天地融合的手机、物联网终端集成该频段实现卫星通信目前不太现实。“手机直连卫星”使用UHF、L、S 频段，与地面移动通信工作频段接近，可以使用宽波束天线收发，支持天地融合的手机、物联网终端的实现。

2 “手机直连卫星”发展现状

国外发展现状

2022 年，北方天空研究所（NSR）将“手机直连卫星”描绘成“卫星通信历史上最大的机会”，预测未来10 年累计收入将会超过以提供宽带接入为主的低轨卫星互联网。

国外卫星通信厂商、地面移动通信厂商等纷纷联手进入该领域：一是基于当前在轨卫星网络，通过手机综合集成实现“手机直连卫星”应用；二是基于卫星网络技术创新，推动“手机直连卫星”与地面网络融合发展；三是面向互操作性及产业发展，推进“手机直连卫星”通信体制标准化工作。国外典型“手机直连卫星”合作案例如表1 所示。

表1 国外典型“手机直连卫星”合作案例

（1）基于现有卫星能力，通过手机综合集成实现“手机直连卫星”应用

基于现有在轨卫星网络，研制“手机直连卫星”专用波形和芯片，通过在手机嵌入专用波形或专用芯片，提供“手机直连卫星”服务。该方式技术相对成熟，可以在较短时间内为用户提供“手机直连卫星”功能，解决全球范围特殊场景下的急需，并快速扩大“手机直连卫星”的市场空间。

2022 年9 月，苹果公司发布在iPhone 14 系列手机嵌入卫星通信功能，支持用户在地面移动通信网络覆盖区域之外通过连接Globalstar 卫星进行应急服务。目前，基于Globalstar 卫星提供的应急SOS服务已在美国和加拿大的iPhone 14 手机上提供；计划到2023 年底，服务区域扩展到法国、德国、爱尔兰和英国。

2023 年初，Iridium 公司宣布与高通公司合作开发卫星兼容芯片，该芯片将通过Iridium 星座在安卓（Android）手机上实现短消息收发。高通公司将该项功能搭载在第二代骁龙8（Snapdragon 8 Gen2）处理器上。在2023 世界移动通信大会（MWC 2023）上，高通公司宣布与荣耀、OPPO、小米等公司合作，开发具备直连卫星功能的智能手机。Iridium 公司表示将于2024 年激活“手机直连卫星”功能。

（2）基于卫星系统重大技术创新，实现天地融合发展

卫星网络运营商与地面移动通信网络运营商合作，通过卫星网络技术创新，构建一个与地面网络融合的卫星移动通信系统，直接为当前地面移动4G/5G 存量手机提供“手机直连卫星”服务。该方式技术复杂、工程实施难度大，目前国外还处于在轨试验状态。ASTS 公司于2016 年创立，目标是把每部智能手机变成一部卫星电话，在世界任何地方都可以宽带上网。2022 年9 月，该公司发射了具有里程碑标志的BlueWalker-3 低轨卫星（见图2），该卫星配置64m2阵列天线，为弯管透明转发，工作在700～900MHz 频段，兼容地面LTE 手机使用。

图2 ASTS 公司BlueWalker-3 试验星

2023 年4 月，基于低轨BlueWalker-3 卫星，地面未经修改的智能手机完成第一个双向语音通信。使用普通4G LTE 手机，在轨测试下载速度可达14Mbit/s。ASTS 公司后续计划部署168 颗“蓝鸟”（Bluebird）卫星，星载天线超过300m2。

ASTS 公司核心的商用模式是向移动网络运营商提供卫星接入服务，频谱和用户均由移动网络运营商提供，新创造的收入按约1 ∶1 比例分成。截至2023年8 月底，ASTS 公司与全球超过35 家移动网络运营商签署合作备忘录。

SpaceX 公司于2022 年8 月宣布将与T-Mobile达成合作，基于T-Mobile 的PCS 频谱、SpaceX 的Starlink V2 卫星，为美国部分地区的移动用户提供网络接入。Starlink V2 卫星将在原Ku 及Ka 通信载荷、星间激光链路的基础上，为支持地面手机直连，增加一个面积25m2阵列天线，工作频段为1910～1915MHz（上行）、1990～1995MHz（下行）。2024 年底为普通手机提供短信、彩信服务；2025 年初实现语音及数据服务，每波束下行速率2～4Mbit/s。

（3）推进“手机直连卫星”通信体制标准化，增强互操作性

目前，国内外投入应用的“手机直连卫星”还是采用专用技术体制，系统之间不具备互操作性。

从2017 年以来，3GPP 就在推进卫星融入地面移动通信的技术规范研究，成立了NTN 工作组。针对卫星信道特点，适应性修改地面移动通信空口协议，支持“手机直连卫星”应用。

2022 年6 月，聚焦物联网和低速率业务，3GPP推出了第一个“手机直连卫星”的5G 标准R17；目前正在开展支持宽带业务的NR NTN 技术研究（过程见图3）。预计支持“手机直连卫星”的卫星通信网络都会逐步从专用体制波形统一到3GPP NTN 天地一体融合波形，增强互操作性。

图3 3GPP NTN 研究过程

国内发展现状

从2022 年以来，国内开展了大量“手机直连卫星”试验验证，并基于现有在轨卫星网络，推出了支持“手机直连卫星”应用的手机，提供短消息和双向低速话音。

2022 年8 月，中国移动、中兴和交通运输通信信息集团等单位合作，基于GEO 通信卫星，完成了基于R17 的NTN 技术验证，支持短消息、语音对讲等业务，从架构、协议、设备等方面验证了“手机直连卫星”技术的落地能力。

2022 年9 月，华为公司推出Mate 50 手机，嵌入北斗卫星短信功能，能够直接通过北斗卫星发送短消息，是我国第一个支持“手机直连卫星”的智能手机。2023 年9 月，华为公司推出Mate 60 Pro 手机，内嵌基于S 频段天通一号卫星的双向短消息和双向话音功能，是全球首个支持“手机直连卫星”双向短消息和双向话音的智能手机。

2023 年4 月，我国IMT-2020（5G）推进组成立NTN 工作组，开展标准规范研究和技术验证，推进产业发展。

2023 年7 月，紫光展锐推出具备“手机直连卫星”能力的手机SoC 芯片。该芯片基于S 频段天通一号卫星（中国电信携手紫光展锐、vivo、中兴等），完成符合IoT-NTN 标准的“手机直连卫星”在轨测试。

3 “手机直连卫星”关键技术

面向系统设计和研制建设，“手机直连卫星”发展还面临很多关键技术亟待研究和解决，包括体系架构、天地融合的通信体制、天地一体用频、星载大口径阵列天线、智能化星座和网络运行管理等。面向“手机直连卫星”系统发展及研制建设，以下对总体设计需重点研究的关键点进行分析探讨。

天地融合频率

频率是“手机直连卫星”系统工程实施的基础，频率选择是否合适会直接影响系统的可行性、可用性及扩展性。“手机直连卫星”可用频率资源主要有两类：一是地面移动网络运营商（MNO）的频率；二是卫星移动通信（MSS）的频率。“手机直连卫星”使用MNO 频率，有利于地面手机接入卫星，不需要修改手机天线及射频模组；但MNO 频率分布比较散，不同区域变化比较大，星载天线实现难度大，全球范围实现兼容困难。MSS 频率分配相对比较集中，有利于全球覆盖的频率统一的工程实现。

天地融合频率需要研究“手机直连卫星”与地面移动通信频段共享共用、有利于降低星载天线工程实现代价的频率使用方案研究；在此基础上，针对天地间同频共用，需要研究天地频率协作的空间隔离及覆盖规则、天地频率非协作的干扰感知及规避规则,以及相关技术。针对我国发展，需要开展3GPP推荐的N256 频段（下行1920～1980MHz，上行2110～2170MHz）的研究，以及该频段使用对天通一号卫星移动通信潜在影响的研究。

接入网架构

在3GPP TR38.821 支持NTN 的NR 解决方案中，给出了三种接入网架构：基于卫星透明转发的接入网架构、gNB 全星上处理的接入网架构、CU/DU分离的接入网架构。

1）基于卫星透明转发的接入网架构，卫星载荷不需要再生处理及上层协议处理，新技术引入及技术体制变化，对卫星影响不大，可以大幅度降低系统运行的风险；但该方式无法实现星间组网，全球服务需要部署大量关口站。

2）基于gNB 全处理的接入网架构，卫星载荷完成gNB 全协议栈处理，有利于星间组网，而且星上部署核心网UPF 功能后，可以支持手机到手机不落地的TtoT 通信，降低业务传输时延；但缺点是星上复杂的空口协议处理，对星载计算性能要求高。

3）针对CU/DU 分离的接入网架构，有利于星间组网，而且可以降低星上处理的复杂度；但业务处理交换需要落地处理，业务传输时延比较大；需要研究CU/DU 分离不同切分方案对星地回传时延、星地回传带宽、ARQ 重传机制等性能的影响。

根据不同方案的优缺点，结合系统需求，研究确定合适的解决方案。

低轨“手机直连卫星”超大阵面多波束天线

受限于卫星发送及接收能力，目前“手机直连卫星”仅能提供低速数据和话音业务。在地面手机能力确定的情况下，“手机直连卫星”具备宽带业务支持能力，星载可展开部署的超大阵面多波束天线是关键。目前国内在轨成熟的L 频段相控阵天线，阵面不超过2m2、功耗超过800W、质量超过80kg。对于“手机直连卫星”，阵面预计不小于50m2，给工程实现带来极大难度和挑战。

首先，为适应发射对卫星包络及环境适应性的要求，需要研究超大平面天线二维高精度展开及收纳压紧装置，支持天线阵面收藏与在轨展开。其次，必须要解决阵面规模扩大带来的功耗和质量剧增的难题：一是开展轻量化、低功耗射频前端高集成设计研究；二是开展可大幅度降低功耗的星载数字波束形成技术研究。

支持随遇接入的波束按需调度

“手机直连卫星”随遇接入的要求就是打开手机可以快速入网，入网后，随时可以进行业务接入。卫星波束全时或近实时覆盖是实现随遇接入的关键。一是要保证卫星波束为手机或地面终端提供近实时的系统消息；二是系统要能够近实时调度波束资源，保证终端与星载基站完成随遇接入的交互过程。面向“手机直连卫星”系统，为支持手机宽带业务，设计上只能采用更窄的点波束，以卫星高度500km、点波束宽带3°为例，点波束覆盖区半径约13km，卫星视场覆盖半径约735km，卫星视场覆盖面积是单点波束覆盖面积的3000 倍，单星点波束配置数量不足以对卫星视场全覆盖。

针对上述存在的难题，根据相控阵波束按需灵活捷变的特点，提出两种解决思路。一是结合随遇接入链路能力、系统广播消息容量、接入时延要求等，研究多点波束分区域轮询扫描的方案；二是结合固定区域波束全时覆盖的优势，研究基于固定区域波束引导、点波束按需调度的随遇接入方式，优化随遇接入时延指标。

承载网星间星地组网技术

对于低轨星座系统，缺乏星间互联组网能力，全球服务需要部署大量关口站。为解决全球布站难度大、低轨星座部署完成到实现全球服务周期长的问题，低轨“手机直连卫星”必须走星间星地组网的技术路线。目前，3GPP NTN 研究的重点是接入网、核心网相关的技术规范，对于连接接入网与核心网的星间星地的承载网还没有相关可供参考的研究成果。

目前，国内针对星间全互联的低轨星座星间星地组网技术开展了很多研究，已经完成单层400 余颗卫星的星间星地组网协议数字化验证，星间星地组网拓扑规律变化下路由不中断，拓扑突变条件下路由重收敛时间优于10s。针对“手机直连卫星”单星业务量不是很大的实际情况，有必要开展更大规模星间非全互联组网方案研究，单星配置两个同轨道星间链路、一个异轨道星间链路，在星间全互联基础上开展组网拓扑设计和组网协议优化设计。低轨星间非全互联的组网示意图如图4 所示。

图4 低轨星间非全互联的组网示意

4 “手机直连卫星”发展趋势分析

3GPP NTN 将成为“手机直连卫星”通信体制标准

从地面移动通信发展来看，3GPP 标准代表了产业发展方向。目前3GPP NTN 工作组包括卫星运营商、芯片供应商、终端设备制造商、应用服务提供商等，正在合作研究和测试各种技术规范，推动NTN 的应用和发展。2022 年6 月，3GPP 推出了第一个“手机直连卫星”的5G 标准R17 后，全球主要卫星运营商和卫星通信设备制造商都在跟进R17 规范，并将其纳入他们的平台或解决方案中。芯片厂家也积极参与进来，包括Qualcomm、Media Tek、紫光展锐等公司，已经推出支持R17 的手机芯片。

“手机直连卫星”采用NTN 标准，有利于增强终端、网络、运营商之间的互操作性，手机可灵活集成“手机直连卫星”功能，移动网络运营商可以提供更为顺畅的端到端服务，这将有助于推动“手机直连卫星”进入大众市场。

新一代“手机直连卫星”将普遍采用星载超大阵面多波束天线

从国外发展来看，星载超大阵面多波束天线是“手机直连卫星”支持宽带业务的必备载荷。ASTS公司BlueWalker-3 试验卫星配置64m2阵列天线，峰值速率可达10Mbit/s；Starlink V2 配置25m2阵列天线，速率可达2～4Mbit/s。

地面手机发送和接收能力确定的情况下，要实现“手机直连卫星”，特别是支持宽带业务的“手机直连卫星”，只能提高卫星星载天线能力。地面移动基站到手机、低轨卫星到手机，空间距离相差几百倍，空间链路损耗差50～60dB。若想达到10Mbit/s 量级的宽带业务支持能力，卫星必须配置超大阵面多波束天线，面向卫星视场多区域多用户服务，具备多波束能力。

“手机直连卫星”系统的构建将会以低轨星座为主

目前，国外新一代“手机直连卫星”发展主要集中在低轨星座。例如：ASTS 公司规划的168 颗卫星的Bluebird 星座，轨道高度为720km；SpaceX公司Starlink V2.0 卫星也是低轨星座，轨道高度500km 左右。

相对GEO 卫星，低轨卫星的星地空间损耗要低30dB 以上，有利于提升链路能力，支持宽带“手机直连卫星”的实现。在为地面手机提供同等业务能力下，GEO 卫星星载天线面积将是低轨卫星的1000 倍。按照Starlink V2 卫星25m2作为参考，GEO 卫星星载天线面积需要达到25000m2，半径达到90m，工程可实现性是个问题。对于支持宽带业务的“手机直连卫星”系统构建，低轨星座是最为可行的方案。

“手机直连卫星”进入大众市场需要地面厂商参与

从国内外发展来看，无论是当前还是未来，若想拓展“手机直连卫星”应用前景，使其融入大众市场、实现可持续发展，地面网络运营商、地面手机/芯片厂商的参与是关键。

苹果公司基于Globalstar 星座的iPhone 14 应急服务，使Globalstar 获得千万量级潜在用户。ASTS 公司与全球超过35 家地面网络运营商（例如：Vodafone、AT&T、乐天等）签署合作备忘录，SpaceX 公司与地面网络运营商T-Mobile 合作，不但获得了可用的频谱资源，也使这些卫星网络获得数亿量级潜在用户。

5 结束语

基于在轨卫星网络的“手机直连卫星”，主要提供低速业务，解决了“手机直连卫星”有无的问题。我国目前处于国际领先地位，如基于天通一号卫星和Mate 60 Pro 手机的“手机直连卫星”。面向支持宽带业务的、以星载超大阵面多波束天线为典型特征的新一代“手机直连卫星”，国外已经推出试验系统，如ASTS 公司基于BlueWalker-3 的试验系统、SpaceX 公司基于Starlink V2 的试验系统等。面向支持宽带业务的新一代“手机直连卫星”发展，国内研究起步较晚，与国外技术发展还存在较大差距，很多瓶颈技术还有待于突破，包括星载超大阵面多波束天线、“手机直连卫星”波形、手机到手机的TtoT通信、融合“手机直连卫星”波形的手机芯片、天地融合的频率干扰协调与规避等。面向6G 天地融合发展，聚焦国际前沿，我国还需加大“手机直连卫星”的创新投入，以系统总体设计为引领，成体系突破系列关键技术，为新一代“手机直连卫星”发展研制建设奠定技术基础。