一、手機直連衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀

近日，華為推出了支持北斗衛(wèi)星短報文的Mate 50旗艦機、P60系列，蘋果也跟Globalstar（全球星）合作推出了支持衛(wèi)星求救的iPhone14，最亮眼的還是華為的。這幾款產(chǎn)品揭開了衛(wèi)星通信探索消費領域的序幕。

• 華為Mate 50可以通過北斗衛(wèi)星給個人定向發(fā)送文字、位置、軌跡圖等信息，但內(nèi)容會被審核，只有跟救援相關的信息才能被發(fā)送，而且是單向通信，收不到回復。

• 華為P60系列，華為提供的北斗短信，則是利用了北斗系統(tǒng)星座GEO地球同步衛(wèi)星承載的區(qū)域短報文功能，支持了北斗雙向報文，可以雙向發(fā)送+接受消息（注：之所以最開始Mate 50只能發(fā)不能接，到P60就可以實現(xiàn)雙向接發(fā)，實非技術原因，而是源自試用初期的限制，運營方擔心用戶突增、承載能力不足造成擁堵。）

• iPhone14可以發(fā)布的內(nèi)容也是預設的求救信號，且自帶定位坐標，但不能定向發(fā)給個人，消息會統(tǒng)一發(fā)送至公立或付費的救援機構，但能收到救援機構的回復。但iPhone衛(wèi)星通訊的合作商是Globalstar（全球星）公司，Globalstar沒有星間通信能力，完全依賴星下視場內(nèi)可用的地面接入中轉(zhuǎn)站，衛(wèi)星純粹只起到一個“反射”轉(zhuǎn)發(fā)的功能。所以這項服務目前只能在北美地區(qū)使用。由于Globalstar是低軌衛(wèi)星，在用戶視野從出現(xiàn)到消失也就10分鐘時間，而且一直在移動。所以iPhone在使用這個功能的時候需要動態(tài)搜尋對準衛(wèi)星位置。實測發(fā)出一條短信常常需要3-5分鐘，并且很不穩(wěn)定。

• 時隔一年，華為Mate 60帶來了集成的衛(wèi)星電話功能，這可是通信史上的重大創(chuàng)舉！華為Mate 60不再仰仗北斗衛(wèi)星，而是與電信的天通一號深度合作。華為采用靈犀天線方案用環(huán)繞機身布局，增強了射頻信號，加上功率放大器、軟件算法和硬件供電、散熱材料的聯(lián)合優(yōu)化，充分挖掘信號潛力。

由此可見，目前在消費領域，手機上的衛(wèi)星通信和地面的4G、5G網(wǎng)絡還是兩套獨立的系統(tǒng)，技術上并沒有進行融合，且衛(wèi)星僅定位于應急通信，這一點跟傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話并沒有本質(zhì)的差別。

二、Starlink的發(fā)展進程（NTN-基站上星）

上面進展都是針對手持終端做出的改善，但終歸是治標不治本！所謂“治本”，應從衛(wèi)星側(cè)入手！

因此，讓衛(wèi)星直接發(fā)送5G信號，讓這衛(wèi)星系統(tǒng)與地面的4G、5G網(wǎng)絡融合起來，成為必經(jīng)之路！如此一來，我們可能連手機都不用換，在荒郊野嶺就直接能通過衛(wèi)星來連上5G了！而Starlink在這方面已經(jīng)走出了第一步。

• Starlink的進展：今年8月25日，SpaceX宣布和T-Mobile將達成頻譜共享，新一代的Starlink V2衛(wèi)星將通過1.9GHz來向現(xiàn)網(wǎng)的手機提供服務。 （現(xiàn)網(wǎng)的手機可不像專用的衛(wèi)星電話一樣有碩大的天線，發(fā)射功率也被協(xié)議定在了很低的水平（一般是0.2瓦）。因此要達成目標只能在衛(wèi)星上下功夫。）

• Starlink V2 衛(wèi)星對信號接收能力進行了增強，將衛(wèi)星天線加長到7米，面板增加到25平米，通信性能達到上一代V1的10倍。這樣一來，現(xiàn)網(wǎng)已有的手機終于可以直連衛(wèi)星上5G了，預計吞吐率可達2~4Mbps。 這速率，雖說跟通常意義上5G動輒幾百兆的速率不能相比，但支持打電話是不在話下的，流暢上網(wǎng)也是可以保證的。

三、NTN簡介及其核心思路

跟地面上的5G網(wǎng)絡相比，這種飄在天上的5G網(wǎng)絡自然就叫做 “非地面網(wǎng)絡（Non-Terrestrial Network）”，簡稱作NTN。

廣義的NTN包含的范圍很廣，有無人機、地對空通信、高空基站、衛(wèi)星網(wǎng)絡等等?；谛l(wèi)星的NTN自然是最受關注的重點，因此在一般情況下，我們說的NTN都是基于衛(wèi)星的。

下圖是3GPP對于NTN技術標準化的進展及計劃。可以看出，在R15和R16，5G NTN還處于研究階段；從R17開始，5G通過NTN的接入技術已開始了標準化，并將在后續(xù)版本不斷向前推進。

NTN的思路是： 衛(wèi)星發(fā)射5G信號，直接和用戶的手機相連，地面上再架設信關站作為網(wǎng)關，最終連接到5G核心網(wǎng)。

其中，衛(wèi)星和用戶之間的鏈路叫做服務鏈路（Service Link）；衛(wèi)星和信關站之間的鏈路叫做饋電鏈路（Feeder Link）；衛(wèi)星之間的鏈路叫做星間鏈路（Inter-Satellite Link，ISL）。

在目前的NTN相關協(xié)議中，定義了兩種實現(xiàn)架構，分別是“透明載荷”和“可再生載荷”。

所謂“透明載荷”，也稱作透明轉(zhuǎn)發(fā)，實際上把衛(wèi)星僅當作信號中繼的鏈路。5G基站作為地面網(wǎng)絡的一部分部署在信關站的后面。衛(wèi)星不關注基站發(fā)了什么，對信號也不做任何處理，只要流暢地把手機和信關站連起來就好。

透明載荷架構可以利用已有衛(wèi)星，技術上實現(xiàn)起來較為容易，成本也低，但衛(wèi)星和基站之間的路徑長，時延大，不支持星間協(xié)作，需部署大量信關站。

可再生載荷，又稱作基站上星，相當于把5G基站部署在了衛(wèi)星上。衛(wèi)星和衛(wèi)星之間的星間鏈路就跟地面基站之間的Xn接口一樣；衛(wèi)星和信關站之間的饋電鏈路，實際就是基站跟核心網(wǎng)之間回傳網(wǎng)絡的一部分。

可再生載荷這種架構必須改造并新發(fā)射衛(wèi)星，技術復雜，成本高。優(yōu)點是手機和衛(wèi)星基站之間的時延短，且由于有星間鏈路的存在，信關站可以少部署一些。

在這兩種架構的基礎上，要實現(xiàn)5G NTN，本質(zhì)上是將衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信這兩種原本涇渭分明的系統(tǒng)進行融合。

然而，蜂窩通信協(xié)議從2G、3G、4G，再到5G，針對地面網(wǎng)絡的場景這么一路演進過來，要和衛(wèi)星通信相融合的挑戰(zhàn)是巨大的，協(xié)議上要進行大量的更新。

1. 高傳輸時延。 GEO衛(wèi)星的傳輸時延可達250毫秒以上（針對透明轉(zhuǎn)發(fā)衛(wèi)星），如此高的時延將極大地影響基站和手機間交互的時效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程。 在這么高的時延下，很可能系統(tǒng)的定時器早都超時重啟了，信令還沒送達。因此，需要對相關協(xié)議流程進行改進或者重新設計。

2. 多普勒頻移。 由于非地球同步軌道衛(wèi)星是相對地球高速運動的，這會導致嚴重的多普勒頻移。地面5G系統(tǒng)在一般場景下要處理的頻偏是非常小的，即使是在高鐵等特殊場景，也僅需考慮數(shù)千赫茲的頻偏補償。然而對于低軌衛(wèi)星系統(tǒng)，不但需要處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移，還有數(shù)十微秒的定時漂移。這些對于5G NTN系統(tǒng)的設計是一個巨大的挑戰(zhàn)。

3. 超大小區(qū)半徑。 地面蜂窩網(wǎng)絡小區(qū)一般就幾百米到幾千米，超遠覆蓋也就到一百多千米，而NTN小區(qū)的覆蓋范圍要大得多，LEO波束可達1000千米，GEO波束可達3500千米。因此，衛(wèi)星小區(qū)中心和邊緣的時延差異等將更加明顯，對系統(tǒng)定時同步也會帶來一定的影響。5G是同步通信系統(tǒng)，因此需要增強同步機制從而避免用戶間干擾。

4. 移動性管理。 由于非地球同步軌道衛(wèi)星相對用戶是高速運動的，這會導致頻繁的小區(qū)切換和重選等移動性問題。一方面，在移動性管理決策中，需要將小區(qū)的移動狀態(tài)信息等納入考量，避免不必要的切換或重選；另一方面，可進一步利用小區(qū)的移動狀態(tài)信息，進行預先的小區(qū)或波束切換，減少信令交互開銷。

這些技術上的挑戰(zhàn)固然棘手，但沒關系，只要有需求，只要市場在，隨著各路專家的不懈努力，技術總會找到出路。

的手機，都可以在杳無人跡的沙漠荒原，在波濤洶涌的茫茫大海，在被自然災害蹂躪下的殘破家園，都能接收到來自衛(wèi)星的滿格信號。

四、全球主要手機直連衛(wèi)星發(fā)展情況

消費電子市場的衛(wèi)星通信功能呈現(xiàn)“跟隨效應”，持續(xù)推動大眾消費終端市場擴容建議重點關注手機直接衛(wèi)星技術變革：

手機直連衛(wèi)星是指利用衛(wèi)星作為通信基站，使用普通智能手機直接與衛(wèi)星建立通信網(wǎng)絡連接，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.通過一部普通智能手機就能實現(xiàn)為任何人、任何時間、任何地點提供無縫覆蓋的通信服務，無論是在偏遠山區(qū)、海上、空中，還是處在自然災害中。手機直連衛(wèi)星有望從根本上解決地面通信網(wǎng)絡覆蓋不足的問題，是實現(xiàn)空天地海一體化通信的關鍵，是構建 6G 星地融合網(wǎng)絡的支柱之一。

手機直連衛(wèi)星不同于傳統(tǒng)的衛(wèi)星移動通信。傳統(tǒng)衛(wèi)星移動通信方式需要定制的手持終端(發(fā)射功率典型值為 2W) ，工作在 L/S 頻段，實現(xiàn)語音和窄帶數(shù)據(jù)服務。而手機直連衛(wèi)星使用的是普通的智能手機實現(xiàn)與衛(wèi)星系統(tǒng)之間的連接，目標是提供語音和寬帶數(shù)據(jù)服務。

手機直連衛(wèi)星的工作頻率在全球范圍內(nèi)還未達成一致，國際規(guī)則和標準的制定仍處于初始階段。按照當前的 TU 規(guī)則，衛(wèi)星移動通信和地面移動通信的頻率是獨立分配和獨占使用。但手機直連衛(wèi)星服務需求在增加，同時又出現(xiàn)了物聯(lián)網(wǎng)設備等衛(wèi)星連接的新需求，因此 ITU 需要為衛(wèi)星移動業(yè)務分配額外的頻譜，并考慮相關技術和監(jiān)管規(guī)則。在世界無線電通信大會 WRC-23 舉行之前，ITU 研究了將 1695~3400MHZ之間的若干頻段劃分為衛(wèi)星移動業(yè)務新頻段的可行性。但由于在 WRC-19 的第 248號決議在窄帶衛(wèi)星移動業(yè)務的技術和業(yè)務特性方面的措辭會糊不清，無論是頻譜需求的研究，還是與現(xiàn)有主要業(yè)務之間的潛在共享和兼容性的研究，都沒有形成定論。但WRC-23 通過決議授權ITU-R 就手機直連衛(wèi)星開展研究，以便在下一屆WRC-27大會上討論為手機直連衛(wèi)星業(yè)務劃分新的頻譜。

其中，使用地面移動業(yè)務頻率的方案下，手機直連衛(wèi)星面臨著嚴重的干擾問題。衛(wèi)星位于幾百公里以上的軌道上，其與用戶手機之間的距離遠遠大于地面通信基站與手機的距離。為了克服信號傳輸鏈路衰減，手機直連衛(wèi)星的收發(fā)兩端都需要較大的發(fā)射功率。由于地面系統(tǒng)的信號和地面到衛(wèi)星的信號在發(fā)射功率上存在較大差異，如果地面和衛(wèi)星系統(tǒng)使用相同的頻譜，可能會產(chǎn)生嚴重的干擾問題。為了解決這一問題，SpaceX 需要發(fā)射新的星鏈衛(wèi)星 V2.0 并進行組網(wǎng)。相比上一代，V2.0 在原先 Ku、Ka 天線和星間激光鏈路的基礎上，增加一個面積達到 25 平方米的天線，以實現(xiàn)與地面手機的直接通信。

參考文獻：

1. 第三章節(jié)摘自： 深度：全面揭秘Mate 60的衛(wèi)星電話功能

2. 第四章節(jié)摘自：上海東方財富證券投資咨詢有限公司-手機直連衛(wèi)星前景分析文章來源地址http://www.zghlxwxcb.cn/news/detail-809436.html

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