肖永偉 盧山 宋艷軍（中國電子科技集團(tuán)公司第五十四研究所）

2022 年6 月，非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）納入3GPP 規(guī)范，是第一個(gè)支持“手機(jī)直連衛(wèi)星”的標(biāo)準(zhǔn)；2022 年9 月，華為、蘋果先后推出支持“手機(jī)直連衛(wèi)星”的手機(jī)終端；2023 年4 月，AST 空間移動(dòng)公司（ASTS）基于低軌藍(lán)行者-3（BlueWalker-3）衛(wèi)星和普通智能手機(jī)完成第一個(gè)雙向語音通信測(cè)試?！笆謾C(jī)直連衛(wèi)星”瞬間成為衛(wèi)星通信領(lǐng)域超越衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的又一個(gè)關(guān)注熱點(diǎn)和發(fā)展方向。未來6G 天地融合應(yīng)用對(duì)終端統(tǒng)一的需求，必將為“手機(jī)直連衛(wèi)星”帶來數(shù)億量級(jí)的用戶，“手機(jī)直連衛(wèi)星”成為衛(wèi)星移動(dòng)通信進(jìn)入大眾市場(chǎng)的關(guān)鍵。本文對(duì)“手機(jī)直連衛(wèi)星”概念內(nèi)涵、與衛(wèi)星移動(dòng)通信的關(guān)系進(jìn)行了解讀；結(jié)合“手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展及研究狀況，梳理其未來發(fā)展趨勢(shì)；面向“手機(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)發(fā)展及研制建設(shè)，并對(duì)幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行初步分析。

1 “手機(jī)直連衛(wèi)星”概念及內(nèi)涵

“手機(jī)直連衛(wèi)星”，顧名思義就是基于手機(jī)與衛(wèi)星直接進(jìn)行信號(hào)傳輸,并實(shí)現(xiàn)通信的衛(wèi)星通信系統(tǒng)。在衛(wèi)星通信領(lǐng)域，面向手機(jī)或手持類終端的通信，一般稱為衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。為解決手機(jī)或手持類終端對(duì)星的問題，一般配置寬波束發(fā)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(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)常用的Ku、Ka 頻段），按照無線電規(guī)則，該類頻段屬于衛(wèi)星移動(dòng)業(yè)務(wù)（MSS），所以，“手機(jī)直連衛(wèi)星”本質(zhì)上是一個(gè)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

在“手機(jī)直連衛(wèi)星”這個(gè)名詞出現(xiàn)以前，“銥星”（Iridium）、“全球星”（Globalstar）、“海事衛(wèi)星”（Inmarsat）和我國天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)等，均支持手機(jī)或類手機(jī)終端直連衛(wèi)星進(jìn)行通信。20 世紀(jì)90 年代的Iridium 系統(tǒng)，手機(jī)形態(tài)、應(yīng)用支持能力（例如：短消息、低速話音）等方面，與當(dāng)時(shí)地面移動(dòng)通信差別不大。經(jīng)過20 年發(fā)展，支持手機(jī)直連的衛(wèi)星移動(dòng)通信發(fā)展緩慢，應(yīng)用支持能力、應(yīng)用范圍均落后于地面移動(dòng)通信發(fā)展。Iridium 系統(tǒng)手機(jī)與地面移動(dòng)手機(jī)對(duì)比如圖1 所示。

圖1 Iridium 系統(tǒng)手機(jī)與地面移動(dòng)手機(jī)對(duì)比

地面移動(dòng)通信從20 世紀(jì)90 年代的2G 短消息、話音業(yè)務(wù)（每秒傳輸幾千比特）到目前5G 寬帶多媒體業(yè)務(wù)（每秒傳輸百兆比特量級(jí)），手機(jī)形態(tài)和應(yīng)用支持能力發(fā)生了非常大的變化，人們對(duì)“手機(jī)直連衛(wèi)星”的認(rèn)識(shí)也在變化。用戶希望不改變使用習(xí)慣、不明顯增加手機(jī)尺寸和重量，就可實(shí)現(xiàn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”，希望得到像地面移動(dòng)通信一樣的移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)體驗(yàn)，不僅僅是短消息和低速話音。對(duì)“手機(jī)直連衛(wèi)星”更為準(zhǔn)確的理解是基于智能手機(jī)與衛(wèi)星直接進(jìn)行信號(hào)傳輸，并實(shí)現(xiàn)通信的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)。

當(dāng)前，大家關(guān)注“手機(jī)直連衛(wèi)星”的一個(gè)關(guān)鍵原因，就是“手機(jī)”內(nèi)涵的關(guān)注重點(diǎn)在變化，主要指大眾用戶常用的智能手機(jī)，該智能手機(jī)內(nèi)嵌衛(wèi)星移動(dòng)通信功能，一部手機(jī)可以通過地面基站實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)通信，也具備與太空中衛(wèi)星直接連接實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信的能力?！笆謾C(jī)”內(nèi)涵的變化，將會(huì)給衛(wèi)星移動(dòng)通信帶來數(shù)億量級(jí)用戶的增加，為信息通信產(chǎn)業(yè)帶來一個(gè)新的發(fā)展機(jī)遇。

面向6G 無縫全域覆蓋、天地融合組網(wǎng)愿景目標(biāo)實(shí)現(xiàn)，“手機(jī)直連衛(wèi)星”是實(shí)現(xiàn)天地融合終端統(tǒng)一最為可行和不可替代的技術(shù)途徑。6G 終端包括面向個(gè)人的智能手機(jī)、面向傳感器的物聯(lián)網(wǎng)終端等，該類終端特點(diǎn)是質(zhì)量輕、體積小、功耗低，對(duì)集成衛(wèi)星通信提出了較高要求。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)一般使用Ku、Ka 頻段，遵循空間隔離的干擾規(guī)避規(guī)則，終端天線波束比較窄、方向性強(qiáng)，終端天線尺寸相對(duì)比較大，天地融合的手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)終端集成該頻段實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通信目前不太現(xiàn)實(shí)?！笆謾C(jī)直連衛(wèi)星”使用UHF、L、S 頻段，與地面移動(dòng)通信工作頻段接近，可以使用寬波束天線收發(fā)，支持天地融合的手機(jī)、物聯(lián)網(wǎng)終端的實(shí)現(xiàn)。

2 “手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展現(xiàn)狀

國外發(fā)展現(xiàn)狀

2022 年，北方天空研究所（NSR）將“手機(jī)直連衛(wèi)星”描繪成“衛(wèi)星通信歷史上最大的機(jī)會(huì)”，預(yù)測(cè)未來10 年累計(jì)收入將會(huì)超過以提供寬帶接入為主的低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。

國外衛(wèi)星通信廠商、地面移動(dòng)通信廠商等紛紛聯(lián)手進(jìn)入該領(lǐng)域：一是基于當(dāng)前在軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，通過手機(jī)綜合集成實(shí)現(xiàn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”應(yīng)用；二是基于衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新，推動(dòng)“手機(jī)直連衛(wèi)星”與地面網(wǎng)絡(luò)融合發(fā)展；三是面向互操作性及產(chǎn)業(yè)發(fā)展，推進(jìn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”通信體制標(biāo)準(zhǔn)化工作。國外典型“手機(jī)直連衛(wèi)星”合作案例如表1 所示。

表1 國外典型“手機(jī)直連衛(wèi)星”合作案例

（1）基于現(xiàn)有衛(wèi)星能力，通過手機(jī)綜合集成實(shí)現(xiàn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”應(yīng)用

基于現(xiàn)有在軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，研制“手機(jī)直連衛(wèi)星”專用波形和芯片，通過在手機(jī)嵌入專用波形或?qū)Ｓ眯酒?，提供“手機(jī)直連衛(wèi)星”服務(wù)。該方式技術(shù)相對(duì)成熟，可以在較短時(shí)間內(nèi)為用戶提供“手機(jī)直連衛(wèi)星”功能，解決全球范圍特殊場(chǎng)景下的急需，并快速擴(kuò)大“手機(jī)直連衛(wèi)星”的市場(chǎng)空間。

2022 年9 月，蘋果公司發(fā)布在iPhone 14 系列手機(jī)嵌入衛(wèi)星通信功能，支持用戶在地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域之外通過連接Globalstar 衛(wèi)星進(jìn)行應(yīng)急服務(wù)。目前，基于Globalstar 衛(wèi)星提供的應(yīng)急SOS服務(wù)已在美國和加拿大的iPhone 14 手機(jī)上提供；計(jì)劃到2023 年底，服務(wù)區(qū)域擴(kuò)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(fā)衛(wèi)星兼容芯片，該芯片將通過Iridium 星座在安卓（Android）手機(jī)上實(shí)現(xiàn)短消息收發(fā)。高通公司將該項(xiàng)功能搭載在第二代驍龍8（Snapdragon 8 Gen2）處理器上。在2023 世界移動(dòng)通信大會(huì)（MWC 2023）上，高通公司宣布與榮耀、OPPO、小米等公司合作，開發(fā)具備直連衛(wèi)星功能的智能手機(jī)。Iridium 公司表示將于2024 年激活“手機(jī)直連衛(wèi)星”功能。

（2）基于衛(wèi)星系統(tǒng)重大技術(shù)創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)天地融合發(fā)展

衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商與地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商合作，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)技術(shù)創(chuàng)新，構(gòu)建一個(gè)與地面網(wǎng)絡(luò)融合的衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)，直接為當(dāng)前地面移動(dòng)4G/5G 存量手機(jī)提供“手機(jī)直連衛(wèi)星”服務(wù)。該方式技術(shù)復(fù)雜、工程實(shí)施難度大，目前國外還處于在軌試驗(yàn)狀態(tài)。ASTS 公司于2016 年創(chuàng)立，目標(biāo)是把每部智能手機(jī)變成一部衛(wèi)星電話，在世界任何地方都可以寬帶上網(wǎng)。2022 年9 月，該公司發(fā)射了具有里程碑標(biāo)志的BlueWalker-3 低軌衛(wèi)星（見圖2），該衛(wèi)星配置64m2陣列天線，為彎管透明轉(zhuǎn)發(fā)，工作在700～900MHz 頻段，兼容地面LTE 手機(jī)使用。

圖2 ASTS 公司BlueWalker-3 試驗(yàn)星

2023 年4 月，基于低軌BlueWalker-3 衛(wèi)星，地面未經(jīng)修改的智能手機(jī)完成第一個(gè)雙向語音通信。使用普通4G LTE 手機(jī)，在軌測(cè)試下載速度可達(dá)14Mbit/s。ASTS 公司后續(xù)計(jì)劃部署168 顆“藍(lán)鳥”（Bluebird）衛(wèi)星，星載天線超過300m2。

ASTS 公司核心的商用模式是向移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供衛(wèi)星接入服務(wù)，頻譜和用戶均由移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商提供，新創(chuàng)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(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商簽署合作備忘錄。

SpaceX 公司于2022 年8 月宣布將與T-Mobile達(dá)成合作，基于T-Mobile 的PCS 頻譜、SpaceX 的Starlink V2 衛(wèi)星，為美國部分地區(qū)的移動(dòng)用戶提供網(wǎng)絡(luò)接入。Starlink V2 衛(wèi)星將在原Ku 及Ka 通信載荷、星間激光鏈路的基礎(chǔ)上，為支持地面手機(jī)直連，增加一個(gè)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(jī)提供短信、彩信服務(wù)；2025 年初實(shí)現(xiàn)語音及數(shù)據(jù)服務(wù)，每波束下行速率2～4Mbit/s。

（3）推進(jìn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”通信體制標(biāo)準(zhǔn)化，增強(qiáng)互操作性

目前，國內(nèi)外投入應(yīng)用的“手機(jī)直連衛(wèi)星”還是采用專用技術(shù)體制，系統(tǒng)之間不具備互操作性。

從2017 年以來，3GPP 就在推進(jìn)衛(wèi)星融入地面移動(dòng)通信的技術(shù)規(guī)范研究，成立了NTN 工作組。針對(duì)衛(wèi)星信道特點(diǎn)，適應(yīng)性修改地面移動(dòng)通信空口協(xié)議，支持“手機(jī)直連衛(wèi)星”應(yīng)用。

2022 年6 月，聚焦物聯(lián)網(wǎng)和低速率業(yè)務(wù)，3GPP推出了第一個(gè)“手機(jī)直連衛(wèi)星”的5G 標(biāo)準(zhǔn)R17；目前正在開展支持寬帶業(yè)務(wù)的NR NTN 技術(shù)研究（過程見圖3）。預(yù)計(jì)支持“手機(jī)直連衛(wèi)星”的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)都會(huì)逐步從專用體制波形統(tǒng)一到3GPP NTN 天地一體融合波形，增強(qiáng)互操作性。

圖3 3GPP NTN 研究過程

國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

從2022 年以來，國內(nèi)開展了大量“手機(jī)直連衛(wèi)星”試驗(yàn)驗(yàn)證，并基于現(xiàn)有在軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，推出了支持“手機(jī)直連衛(wèi)星”應(yīng)用的手機(jī)，提供短消息和雙向低速話音。

2022 年8 月，中國移動(dòng)、中興和交通運(yùn)輸通信信息集團(tuán)等單位合作，基于GEO 通信衛(wèi)星，完成了基于R17 的NTN 技術(shù)驗(yàn)證，支持短消息、語音對(duì)講等業(yè)務(wù)，從架構(gòu)、協(xié)議、設(shè)備等方面驗(yàn)證了“手機(jī)直連衛(wèi)星”技術(shù)的落地能力。

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

2023 年4 月，我國IMT-2020（5G）推進(jìn)組成立NTN 工作組，開展標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范研究和技術(shù)驗(yàn)證，推進(jìn)產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

2023 年7 月，紫光展銳推出具備“手機(jī)直連衛(wèi)星”能力的手機(jī)SoC 芯片。該芯片基于S 頻段天通一號(hào)衛(wèi)星（中國電信攜手紫光展銳、vivo、中興等），完成符合IoT-NTN 標(biāo)準(zhǔn)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”在軌測(cè)試。

3 “手機(jī)直連衛(wèi)星”關(guān)鍵技術(shù)

面向系統(tǒng)設(shè)計(jì)和研制建設(shè)，“手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展還面臨很多關(guān)鍵技術(shù)亟待研究和解決，包括體系架構(gòu)、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(wǎng)絡(luò)運(yùn)行管理等。面向“手機(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)發(fā)展及研制建設(shè)，以下對(duì)總體設(shè)計(jì)需重點(diǎn)研究的關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行分析探討。

天地融合頻率

頻率是“手機(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)工程實(shí)施的基礎(chǔ)，頻率選擇是否合適會(huì)直接影響系統(tǒng)的可行性、可用性及擴(kuò)展性?！笆謾C(jī)直連衛(wèi)星”可用頻率資源主要有兩類：一是地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（MNO）的頻率；二是衛(wèi)星移動(dòng)通信（MSS）的頻率。“手機(jī)直連衛(wèi)星”使用MNO 頻率，有利于地面手機(jī)接入衛(wèi)星，不需要修改手機(jī)天線及射頻模組；但MNO 頻率分布比較散，不同區(qū)域變化比較大，星載天線實(shí)現(xiàn)難度大，全球范圍實(shí)現(xiàn)兼容困難。MSS 頻率分配相對(duì)比較集中，有利于全球覆蓋的頻率統(tǒng)一的工程實(shí)現(xiàn)。

天地融合頻率需要研究“手機(jī)直連衛(wèi)星”與地面移動(dòng)通信頻段共享共用、有利于降低星載天線工程實(shí)現(xiàn)代價(jià)的頻率使用方案研究；在此基礎(chǔ)上，針對(duì)天地間同頻共用，需要研究天地頻率協(xié)作的空間隔離及覆蓋規(guī)則、天地頻率非協(xié)作的干擾感知及規(guī)避規(guī)則,以及相關(guān)技術(shù)。針對(duì)我國發(fā)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(duì)天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信潛在影響的研究。

接入網(wǎng)架構(gòu)

在3GPP TR38.821 支持NTN 的NR 解決方案中，給出了三種接入網(wǎng)架構(gòu)：基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的接入網(wǎng)架構(gòu)、gNB 全星上處理的接入網(wǎng)架構(gòu)、CU/DU分離的接入網(wǎng)架構(gòu)。

1）基于衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的接入網(wǎng)架構(gòu)，衛(wèi)星載荷不需要再生處理及上層協(xié)議處理，新技術(shù)引入及技術(shù)體制變化，對(duì)衛(wèi)星影響不大，可以大幅度降低系統(tǒng)運(yùn)行的風(fēng)險(xiǎn)；但該方式無法實(shí)現(xiàn)星間組網(wǎng)，全球服務(wù)需要部署大量關(guān)口站。

2）基于gNB 全處理的接入網(wǎng)架構(gòu)，衛(wèi)星載荷完成gNB 全協(xié)議棧處理，有利于星間組網(wǎng)，而且星上部署核心網(wǎng)UPF 功能后，可以支持手機(jī)到手機(jī)不落地的TtoT 通信，降低業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延；但缺點(diǎn)是星上復(fù)雜的空口協(xié)議處理，對(duì)星載計(jì)算性能要求高。

3）針對(duì)CU/DU 分離的接入網(wǎng)架構(gòu)，有利于星間組網(wǎng)，而且可以降低星上處理的復(fù)雜度；但業(yè)務(wù)處理交換需要落地處理，業(yè)務(wù)傳輸時(shí)延比較大；需要研究CU/DU 分離不同切分方案對(duì)星地回傳時(shí)延、星地回傳帶寬、ARQ 重傳機(jī)制等性能的影響。

根據(jù)不同方案的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合系統(tǒng)需求，研究確定合適的解決方案。

低軌“手機(jī)直連衛(wèi)星”超大陣面多波束天線

受限于衛(wèi)星發(fā)送及接收能力，目前“手機(jī)直連衛(wèi)星”僅能提供低速數(shù)據(jù)和話音業(yè)務(wù)。在地面手機(jī)能力確定的情況下，“手機(jī)直連衛(wèi)星”具備寬帶業(yè)務(wù)支持能力，星載可展開部署的超大陣面多波束天線是關(guān)鍵。目前國內(nèi)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(zhì)量超過80kg。對(duì)于“手機(jī)直連衛(wèi)星”，陣面預(yù)計(jì)不小于50m2，給工程實(shí)現(xiàn)帶來極大難度和挑戰(zhàn)。

首先，為適應(yīng)發(fā)射對(duì)衛(wèi)星包絡(luò)及環(huán)境適應(yīng)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(guī)模擴(kuò)大帶來的功耗和質(zhì)量劇增的難題：一是開展輕量化、低功耗射頻前端高集成設(shè)計(jì)研究；二是開展可大幅度降低功耗的星載數(shù)字波束形成技術(shù)研究。

支持隨遇接入的波束按需調(diào)度

“手機(jī)直連衛(wèi)星”隨遇接入的要求就是打開手機(jī)可以快速入網(wǎng)，入網(wǎng)后，隨時(shí)可以進(jìn)行業(yè)務(wù)接入。衛(wèi)星波束全時(shí)或近實(shí)時(shí)覆蓋是實(shí)現(xiàn)隨遇接入的關(guān)鍵。一是要保證衛(wèi)星波束為手機(jī)或地面終端提供近實(shí)時(shí)的系統(tǒng)消息；二是系統(tǒng)要能夠近實(shí)時(shí)調(diào)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(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)，為支持手機(jī)寬帶業(yè)務(wù)，設(shè)計(jì)上只能采用更窄的點(diǎn)波束，以衛(wèi)星高度500km、點(diǎn)波束寬帶3°為例，點(diǎn)波束覆蓋區(qū)半徑約13km，衛(wèi)星視場(chǎng)覆蓋半徑約735km，衛(wèi)星視場(chǎng)覆蓋面積是單點(diǎn)波束覆蓋面積的3000 倍，單星點(diǎn)波束配置數(shù)量不足以對(duì)衛(wèi)星視場(chǎng)全覆蓋。

針對(duì)上述存在的難題，根據(jù)相控陣波束按需靈活捷變的特點(diǎn)，提出兩種解決思路。一是結(jié)合隨遇接入鏈路能力、系統(tǒng)廣播消息容量、接入時(shí)延要求等，研究多點(diǎn)波束分區(qū)域輪詢掃描的方案；二是結(jié)合固定區(qū)域波束全時(shí)覆蓋的優(yōu)勢(shì)，研究基于固定區(qū)域波束引導(dǎo)、點(diǎn)波束按需調(diào)度的隨遇接入方式，優(yōu)化隨遇接入時(shí)延指標(biāo)。

承載網(wǎng)星間星地組網(wǎng)技術(shù)

對(duì)于低軌星座系統(tǒng)，缺乏星間互聯(lián)組網(wǎng)能力，全球服務(wù)需要部署大量關(guān)口站。為解決全球布站難度大、低軌星座部署完成到實(shí)現(xiàn)全球服務(wù)周期長的問題，低軌“手機(jī)直連衛(wèi)星”必須走星間星地組網(wǎng)的技術(shù)路線。目前，3GPP NTN 研究的重點(diǎn)是接入網(wǎng)、核心網(wǎng)相關(guān)的技術(shù)規(guī)范，對(duì)于連接接入網(wǎng)與核心網(wǎng)的星間星地的承載網(wǎng)還沒有相關(guān)可供參考的研究成果。

目前，國內(nèi)針對(duì)星間全互聯(lián)的低軌星座星間星地組網(wǎng)技術(shù)開展了很多研究，已經(jīng)完成單層400 余顆衛(wèi)星的星間星地組網(wǎng)協(xié)議數(shù)字化驗(yàn)證，星間星地組網(wǎng)拓?fù)湟?guī)律變化下路由不中斷，拓?fù)渫蛔儣l件下路由重收斂時(shí)間優(yōu)于10s。針對(duì)“手機(jī)直連衛(wèi)星”單星業(yè)務(wù)量不是很大的實(shí)際情況，有必要開展更大規(guī)模星間非全互聯(lián)組網(wǎng)方案研究，單星配置兩個(gè)同軌道星間鏈路、一個(gè)異軌道星間鏈路，在星間全互聯(lián)基礎(chǔ)上開展組網(wǎng)拓?fù)湓O(shè)計(jì)和組網(wǎng)協(xié)議優(yōu)化設(shè)計(jì)。低軌星間非全互聯(lián)的組網(wǎng)示意圖如圖4 所示。

圖4 低軌星間非全互聯(lián)的組網(wǎng)示意

4 “手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展趨勢(shì)分析

3GPP NTN 將成為“手機(jī)直連衛(wèi)星”通信體制標(biāo)準(zhǔn)

從地面移動(dòng)通信發(fā)展來看，3GPP 標(biāo)準(zhǔn)代表了產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。目前3GPP NTN 工作組包括衛(wèi)星運(yùn)營商、芯片供應(yīng)商、終端設(shè)備制造商、應(yīng)用服務(wù)提供商等，正在合作研究和測(cè)試各種技術(shù)規(guī)范，推動(dòng)NTN 的應(yīng)用和發(fā)展。2022 年6 月，3GPP 推出了第一個(gè)“手機(jī)直連衛(wèi)星”的5G 標(biāo)準(zhǔn)R17 后，全球主要衛(wèi)星運(yùn)營商和衛(wèi)星通信設(shè)備制造商都在跟進(jìn)R17 規(guī)范，并將其納入他們的平臺(tái)或解決方案中。芯片廠家也積極參與進(jìn)來，包括Qualcomm、Media Tek、紫光展銳等公司，已經(jīng)推出支持R17 的手機(jī)芯片。

“手機(jī)直連衛(wèi)星”采用NTN 標(biāo)準(zhǔn)，有利于增強(qiáng)終端、網(wǎng)絡(luò)、運(yùn)營商之間的互操作性，手機(jī)可靈活集成“手機(jī)直連衛(wèi)星”功能，移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商可以提供更為順暢的端到端服務(wù)，這將有助于推動(dòng)“手機(jī)直連衛(wèi)星”進(jìn)入大眾市場(chǎng)。

新一代“手機(jī)直連衛(wèi)星”將普遍采用星載超大陣面多波束天線

從國外發(fā)展來看，星載超大陣面多波束天線是“手機(jī)直連衛(wèi)星”支持寬帶業(yè)務(wù)的必備載荷。ASTS公司BlueWalker-3 試驗(yàn)衛(wèi)星配置64m2陣列天線，峰值速率可達(dá)10Mbit/s；Starlink V2 配置25m2陣列天線，速率可達(dá)2～4Mbit/s。

地面手機(jī)發(fā)送和接收能力確定的情況下，要實(shí)現(xiàn)“手機(jī)直連衛(wèi)星”，特別是支持寬帶業(yè)務(wù)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”，只能提高衛(wèi)星星載天線能力。地面移動(dòng)基站到手機(jī)、低軌衛(wèi)星到手機(jī)，空間距離相差幾百倍，空間鏈路損耗差50～60dB。若想達(dá)到10Mbit/s 量級(jí)的寬帶業(yè)務(wù)支持能力，衛(wèi)星必須配置超大陣面多波束天線，面向衛(wèi)星視場(chǎng)多區(qū)域多用戶服務(wù)，具備多波束能力。

“手機(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)的構(gòu)建將會(huì)以低軌星座為主

目前，國外新一代“手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展主要集中在低軌星座。例如：ASTS 公司規(guī)劃的168 顆衛(wèi)星的Bluebird 星座，軌道高度為720km；SpaceX公司Starlink V2.0 衛(wèi)星也是低軌星座，軌道高度500km 左右。

相對(duì)GEO 衛(wèi)星，低軌衛(wèi)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(jī)直連衛(wèi)星”的實(shí)現(xiàn)。在為地面手機(jī)提供同等業(yè)務(wù)能力下，GEO 衛(wèi)星星載天線面積將是低軌衛(wèi)星的1000 倍。按照Starlink V2 衛(wèi)星25m2作為參考，GEO 衛(wèi)星星載天線面積需要達(dá)到25000m2，半徑達(dá)到90m，工程可實(shí)現(xiàn)性是個(gè)問題。對(duì)于支持寬帶業(yè)務(wù)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”系統(tǒng)構(gòu)建，低軌星座是最為可行的方案。

“手機(jī)直連衛(wèi)星”進(jìn)入大眾市場(chǎng)需要地面廠商參與

從國內(nèi)外發(fā)展來看，無論是當(dāng)前還是未來，若想拓展“手機(jī)直連衛(wèi)星”應(yīng)用前景，使其融入大眾市場(chǎng)、實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展，地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商、地面手機(jī)/芯片廠商的參與是關(guān)鍵。

蘋果公司基于Globalstar 星座的iPhone 14 應(yīng)急服務(wù)，使Globalstar 獲得千萬量級(jí)潛在用戶。ASTS 公司與全球超過35 家地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商（例如：Vodafone、AT&T、樂天等）簽署合作備忘錄，SpaceX 公司與地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營商T-Mobile 合作，不但獲得了可用的頻譜資源，也使這些衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)獲得數(shù)億量級(jí)潛在用戶。

5 結(jié)束語

基于在軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”，主要提供低速業(yè)務(wù)，解決了“手機(jī)直連衛(wèi)星”有無的問題。我國目前處于國際領(lǐng)先地位，如基于天通一號(hào)衛(wèi)星和Mate 60 Pro 手機(jī)的“手機(jī)直連衛(wèi)星”。面向支持寬帶業(yè)務(wù)的、以星載超大陣面多波束天線為典型特征的新一代“手機(jī)直連衛(wèi)星”，國外已經(jīng)推出試驗(yàn)系統(tǒng)，如ASTS 公司基于BlueWalker-3 的試驗(yàn)系統(tǒng)、SpaceX 公司基于Starlink V2 的試驗(yàn)系統(tǒng)等。面向支持寬帶業(yè)務(wù)的新一代“手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展，國內(nèi)研究起步較晚，與國外技術(shù)發(fā)展還存在較大差距，很多瓶頸技術(shù)還有待于突破，包括星載超大陣面多波束天線、“手機(jī)直連衛(wèi)星”波形、手機(jī)到手機(jī)的TtoT通信、融合“手機(jī)直連衛(wèi)星”波形的手機(jī)芯片、天地融合的頻率干擾協(xié)調(diào)與規(guī)避等。面向6G 天地融合發(fā)展，聚焦國際前沿，我國還需加大“手機(jī)直連衛(wèi)星”的創(chuàng)新投入，以系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)為引領(lǐng)，成體系突破系列關(guān)鍵技術(shù)，為新一代“手機(jī)直連衛(wèi)星”發(fā)展研制建設(shè)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。