隨著SpaceX星鏈已經(jīng)開始成規(guī)模地將手機(jī)直連衛(wèi)星送往低空軌道，并且已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了基于視頻通話的測試，可以想見手機(jī)直連衛(wèi)星將加速走向應(yīng)用。

本文旨在解答手機(jī)直連衛(wèi)星的一些常見的問題，以便一般性意義上的公眾對這項(xiàng)前沿技術(shù)有所了解。文章參考了宋艷軍、肖永偉、孫晨華的相關(guān)論文[1]，在此表示感謝。

問題1：手機(jī)直連衛(wèi)星是什么？

手機(jī)直連衛(wèi)星（Direct To Cell）是指利用衛(wèi)星作為通信基站，使用普通智能手機(jī)直接與衛(wèi)星建立通信網(wǎng)絡(luò)連接，而無需通過地面基站和衛(wèi)星地球站中轉(zhuǎn)。借助衛(wèi)星系統(tǒng)提供的全球網(wǎng)絡(luò)，通過一部普通智能手機(jī)就能實(shí)現(xiàn)為任何人、任何時間、任何地點(diǎn)提供無縫覆蓋的通信服務(wù)，無論是在偏遠(yuǎn)山區(qū)、海上、空中，還是處在自然災(zāi)害中。

在“手機(jī)直連衛(wèi)星”這個名詞出現(xiàn)以前，早在20世紀(jì)90年代就出現(xiàn)了手機(jī)直連衛(wèi)星的應(yīng)用場景，銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、海事衛(wèi)星（Inmarsat）和中國天通衛(wèi)星均支持類手機(jī)終端直連衛(wèi)星進(jìn)行通信。只是當(dāng)時的衛(wèi)星手機(jī)終端在形態(tài)和收發(fā)能力上均不同于現(xiàn)在的手機(jī)?，F(xiàn)在的手機(jī)直連衛(wèi)星場景是使用同一部手機(jī)，既能接收地面移動信號，又能收衛(wèi)星信號，可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)情況選擇使用地面移動網(wǎng)絡(luò)或者衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。

問題2:為什么現(xiàn)在轉(zhuǎn)向低軌部署手機(jī)直連衛(wèi)星

隨著衛(wèi)星載荷、用戶終端、火箭發(fā)射等技術(shù)的進(jìn)步，低軌衛(wèi)星星座的部署加快，推動了手機(jī)直連衛(wèi)星通信的發(fā)展。相比高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星可提供更短的處理時延、更強(qiáng)的信號質(zhì)量，軌道資源也更加豐富，通過星座組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)全球覆蓋，這些特點(diǎn)為手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展提供了便利條件。

問題3:手機(jī)直連衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀 2022年9月，華為手機(jī)直連北斗衛(wèi)星、蘋果手機(jī)直連全球星，支持直連衛(wèi)星手機(jī)的推出，實(shí)現(xiàn)了手機(jī)通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)發(fā)送短消息，直接推動了手機(jī)直連衛(wèi)星的發(fā)展； 2023年4月， AST公司基于BlueWalker3衛(wèi)星和普通手機(jī)首次完成語音通信測試； 2023年8月，華為Mate60 Pro手機(jī)集成了天通衛(wèi)星體制協(xié)議芯片，實(shí)現(xiàn)了直連衛(wèi)星手機(jī)的商用化； 2024年1月，SpaceX公司發(fā)射6顆搭載了直連手機(jī)載荷的衛(wèi)星，并與地面運(yùn)營商合作，使用普通手機(jī)完成短信和數(shù)據(jù)等業(yè)務(wù)測試； 2024年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）通過了太空補(bǔ)充覆蓋監(jiān)管架構(gòu)，使美國成為星地融合通信落地的國家，極大地促進(jìn)了手機(jī)直連衛(wèi)星及天地頻率融合的發(fā)展； 2024年5月，SpaceX公司完成了通過手機(jī)直連衛(wèi)星進(jìn)行視頻通話的測試；

問題4:手機(jī)直連衛(wèi)星的技術(shù)路線

目前，手機(jī)直連衛(wèi)星的技術(shù)路線總體來說可以分為兩類： 一類是沿用現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)，關(guān)鍵技術(shù)取得突破。當(dāng)前主要的手機(jī)直連衛(wèi)星應(yīng)用均屬于這類技術(shù)路線，便于手機(jī)直連業(yè)務(wù)的快速落地，但其或者采用私有協(xié)議而無法迅速做大生態(tài)鏈，或者為適應(yīng)存量手機(jī)而增加星載基站的實(shí)現(xiàn)難度。 第二類是研究制定新標(biāo)準(zhǔn)，技術(shù)取得全面突破。這類技術(shù)路線是指3GPP已開展的NTN標(biāo)準(zhǔn)制定工作，該標(biāo)準(zhǔn)可以支持手機(jī)直連衛(wèi)星通信，但其關(guān)鍵技術(shù)正處于探索階段，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范也正處于討論完善階段。 手機(jī)直連衛(wèi)星在兩種技術(shù)路線的框架下分為以下3種主要實(shí)現(xiàn)方式： 1）手機(jī)改直連衛(wèi)星方式。在手機(jī)內(nèi)增加適應(yīng)衛(wèi)星體制協(xié)議的芯片，使同一部手機(jī)中既有適應(yīng)地面移動通信體制協(xié)議的芯片，又有適應(yīng)衛(wèi)星體制協(xié)議的芯片。采用此種方式的有華為手機(jī)+北斗衛(wèi)星、華為手機(jī)+天通衛(wèi)星、蘋果手機(jī)+全球星等。此種方式由手機(jī)廠商主導(dǎo)，手機(jī)廠商為適應(yīng)衛(wèi)星能力和體制協(xié)議，加大手機(jī)終端相關(guān)技術(shù)投入，促進(jìn)了手機(jī)的芯片、射頻、天線等技術(shù)進(jìn)步。隨著技術(shù)的突破與成熟，越來越多的手機(jī)廠商（特別是中國手機(jī)廠商）將加入手機(jī)改直連衛(wèi)星方式的陣營。 2）衛(wèi)星改直連衛(wèi)星方式。將地面基站改動后布置在衛(wèi)星載荷（星載基站）上，直接使用現(xiàn)有的4G手機(jī)接入衛(wèi)星即可完成手機(jī)直連衛(wèi)星通信。實(shí)現(xiàn)此種方式的衛(wèi)星廠商有SpaceX公司的Starlink-V2 mini衛(wèi)星和AST公司的BlueWalker3衛(wèi)星等。此種方式由衛(wèi)星廠商主導(dǎo)，衛(wèi)星廠商根據(jù)低軌衛(wèi)星的信道特性、運(yùn)行特點(diǎn)，對地面移動通信協(xié)議進(jìn)行了適應(yīng)性研究，并移植到星載基站上，推動星載基站、星載天線等技術(shù)的發(fā)展。由于該實(shí)現(xiàn)方式是面向存量手機(jī)的手機(jī)直連衛(wèi)星解決方案，有技術(shù)能力的衛(wèi)星廠商通過此方式可以快速搶占市場，因此這在中期是一種比較好的解決手機(jī)直連衛(wèi)星應(yīng)用的方式。 3）基于NTN標(biāo)準(zhǔn)逐步實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星。3GPP在開始制定5G標(biāo)準(zhǔn)之初，就計劃將衛(wèi)星通信與移動通信融合，建立一個NTN，并將NTN作為未來衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)的標(biāo)準(zhǔn)，以解決全球90%以上區(qū)域缺少通信手段的問題，保證無服務(wù)或服務(wù)不足地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)的可達(dá)性和連續(xù)性，同時提高地面網(wǎng)絡(luò)應(yīng)對自然災(zāi)害和人為災(zāi)害時的能力。NTN標(biāo)準(zhǔn)經(jīng)歷了Release 15（Rel-15）階段研究信道場景等需求研究、Rel-16階段潛在解決方案研究、Rel-17階段NTN具體技術(shù)研究和標(biāo)準(zhǔn)確定。在此期間，中國移動、中興通訊、中信科移動、紫光展銳等公司開展了基于NTN標(biāo)準(zhǔn)的手機(jī)直連衛(wèi)星在軌驗(yàn)證。 以上手機(jī)直連衛(wèi)星的3種實(shí)現(xiàn)方式各有如下優(yōu)缺點(diǎn)： 1）手機(jī)改直連衛(wèi)星方式不需要發(fā)射衛(wèi)星，縮短了衛(wèi)星建設(shè)周期，降低了成本，使手機(jī)廠商可以根據(jù)各自的技術(shù)實(shí)力自主研發(fā)，見效快，但由于通信速率限制，其僅能解決基本通話問題。 2）衛(wèi)星改直連衛(wèi)星方式可以實(shí)現(xiàn)目前全球數(shù)億的存量手機(jī)直連衛(wèi)星，對于個人用戶來說，不用更換手機(jī)即可體驗(yàn)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務(wù)。這種實(shí)現(xiàn)方式的驅(qū)動是衛(wèi)星廠商，要建設(shè)一個手機(jī)直連衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)需要較高成本和周期，并且有許多復(fù)雜的關(guān)鍵技術(shù)需要攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)難度較大。同時，采用4G-LTE體制，系統(tǒng)能力受限，不利于后續(xù)5G/6G移動通信的發(fā)展。 3）基于NTN標(biāo)準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)同樣突出。NTN標(biāo)準(zhǔn)是集全世界行業(yè)內(nèi)公司、專家的智慧而制定的，其技術(shù)的可行性、系統(tǒng)的可用性均是經(jīng)過充分論證和研究的，一旦發(fā)布實(shí)施，將會是一個合理可行的方案。但是，目前NTN的技術(shù)和架構(gòu)正處在初步研究階段， NTN網(wǎng)絡(luò)部署、衛(wèi)星節(jié)點(diǎn)建設(shè)、與5G NR整合等方面均存在障礙，從標(biāo)準(zhǔn)的研究制定，到系統(tǒng)的建設(shè)、手機(jī)終端的研制，整個周期很長，無法快速滿足當(dāng)前偏遠(yuǎn)地區(qū)的通信需求。 由于服務(wù)需求不同、商業(yè)驅(qū)動不同，在未來幾年內(nèi)，手機(jī)直連衛(wèi)星的3種實(shí)現(xiàn)方式將會共存。

問題5:手機(jī)直連衛(wèi)星的關(guān)鍵技術(shù)

無論未來手機(jī)直連衛(wèi)星朝哪個方向發(fā)展，星地頻率共用、星載高增益天線、星載高性能基站、手機(jī)終端高增益天線等都是需要解決的關(guān)鍵技術(shù)。 1 頻率共用技術(shù)

目前，國際上關(guān)于星地頻率的使用規(guī)則均在國際電信聯(lián)盟（International Telecommunications Union，ITU）《無線電規(guī)則》的整體框架下進(jìn)行。ITU《無線電規(guī)則》的“頻率劃分”章節(jié)中將8.3 kHz～300 GHz的頻段劃分給地面和衛(wèi)星，有些頻段單獨(dú)給地面/衛(wèi)星使用，有些頻段既劃分給地面又劃分給了衛(wèi)星。各個國家使用星地共用頻段時，會根據(jù)各自國內(nèi)的需求考慮將這些頻段用于地面或者衛(wèi)星?？傮w而言，目前星地頻段已經(jīng)按照規(guī)則完成分配，且分開使用。

根據(jù)現(xiàn)有無線電使用規(guī)則，在手機(jī)直連衛(wèi)星的場景下實(shí)現(xiàn)全球覆蓋必然會對某些地區(qū)造成頻率干擾，因此需要研究天地頻率干擾規(guī)避和頻率共用相關(guān)技術(shù)。其中又包括：1）衛(wèi)星適應(yīng)地面通信頻率的頻率共用；2）星地間、星星間、系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾規(guī)避；3）頻率共用技術(shù)對星載天線波束成形提出了高要求；4）使用非授權(quán)頻段；5）與地面電信運(yùn)營商合作。

2 星載天線技術(shù)

地面4G-LTE通信能夠?yàn)橛脩籼峁?00 Mbit/s的峰值速率和10 Mbit/s的體驗(yàn)速率，地面5G通信能夠?yàn)橛脩籼峁? Gbit/s的峰值速率和100 Mbit/s的體驗(yàn)速率，當(dāng)前手機(jī)直連衛(wèi)星僅能提供kbit/s量級的數(shù)據(jù)服務(wù)，比地面4G-LTE通信的體驗(yàn)差很多。受手機(jī)直連衛(wèi)星通信場景限制并根據(jù)服務(wù)能力需求，手機(jī)直連衛(wèi)星要想實(shí)現(xiàn)10 Mbit/s量級的數(shù)據(jù)傳輸和服務(wù)用戶最大化，必須增加衛(wèi)星的收發(fā)能力，即星載天線應(yīng)具備很強(qiáng)的收發(fā)能力。手機(jī)直連衛(wèi)星的星載天線需要具備波束高增益、波束數(shù)量多、波束覆蓋小、波束可成形、波束跳變快、波束帶寬大等要素。

3 星載基站技術(shù)

一直以來，衛(wèi)星的處理模式分為透明模式和再生模式，對于手機(jī)直連衛(wèi)星來說，也同樣存在這兩種模式，從服務(wù)時延、通信效率、資源調(diào)度的實(shí)時性等方面考慮，手機(jī)直連衛(wèi)星應(yīng)該使用再生模式，即通過星載基站完成用戶接入、數(shù)據(jù)信息交互、資源調(diào)度等功能，SpaceX公司的手機(jī)直連衛(wèi)星是再生模式，星上實(shí)現(xiàn)了4G-LTE的星載基站。由于星載基站的服務(wù)范圍廣、管理用戶多、業(yè)務(wù)種類多，又是衛(wèi)星的數(shù)據(jù)面和控制面中心節(jié)點(diǎn)，所以需要針對手機(jī)直連衛(wèi)星的應(yīng)用環(huán)境和使用特點(diǎn)，研究多體制高性能星載基站技術(shù)。

4 手機(jī)天線技術(shù)

在手機(jī)直連衛(wèi)星中，衛(wèi)星與地面通信傳輸距離長，對衛(wèi)星的指向要求高，手機(jī)與衛(wèi)星之間的傳輸鏈路損耗大，制約了通信速率。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話往往搭載一根體積大、長度長、增益高的衛(wèi)星天線。但對于一部大眾智能手機(jī)，天線受制于終端體積和功耗，通常采用的是低增益全向天線，因此一般無法做到連接衛(wèi)星完成信號同步和系統(tǒng)同步。若需要在大眾手機(jī)上實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星通話，不僅需要提高星載天線收發(fā)能力，也需要增強(qiáng)手機(jī)天線收發(fā)能力。 問題6:SpaceX目前采用的和電信運(yùn)營商合作的模式 手機(jī)直連衛(wèi)星的星地頻率共用問題單從技術(shù)層面無法被有效解決，需要聯(lián)合地面電信運(yùn)營商共同規(guī)劃頻率，進(jìn)行區(qū)域內(nèi)星地頻率統(tǒng)一協(xié)調(diào)。SpaceX公司向FCC申請用于手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)的頻段（原地面使用頻段），同時與地面電信運(yùn)營商簽訂合作協(xié)議，開展手機(jī)直連衛(wèi)星試驗(yàn)驗(yàn)證。SpaceX公司申請手機(jī)直連衛(wèi)星頻段與合作運(yùn)營商的關(guān)系見表1，可以看出，SpaceX公司申請手機(jī)直連衛(wèi)星頻段覆蓋目前合作的地面電信運(yùn)營商使用頻率，同時也為未來拓展合作奠定了基礎(chǔ)。2024年3月14日，F(xiàn)CC批準(zhǔn)SpaceX和其他衛(wèi)星運(yùn)營商使用有合作關(guān)系的地面電信運(yùn)營商頻率資源，極大地推動了星地頻率共用的進(jìn)步。

問題7:手機(jī)直連衛(wèi)星未來展望

手機(jī)直連衛(wèi)星是地面移動通信向天空延伸發(fā)展的必然過程，也是未來6G物理世界的基礎(chǔ)。6G要實(shí)現(xiàn)“人聯(lián)、物聯(lián)、萬物智聯(lián)”，需要一個全球覆蓋的網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)地面與非地面（高軌衛(wèi)星、低軌衛(wèi)星、極低軌衛(wèi)星、高空平臺、無人機(jī)等）一體化通信，能為6G提供全球覆蓋，除此還可以提供低時延、精確定位等能力，成為6G網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分。針對未來6G通信需求，可研究通信感知一體化、超大規(guī)模連接、超高可靠通信、高精度定位等技術(shù)。

[1]宋艷軍, 肖永偉, 孫晨華. 手機(jī)直連衛(wèi)星關(guān)鍵技術(shù)分析與發(fā)展展望[J]. 電信科學(xué), 2024, 40(4): 1-9