手機(jī)直連衛(wèi)星通信是指公眾用戶用同一部手機(jī)可以無感知地在地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)間進(jìn)行隨遇接入和無縫切換，能在全球任何范圍內(nèi)享受不間斷通信服務(wù)。
早在20世紀(jì)90年代，摩托羅拉公司基于低軌衛(wèi)星通信的銥星系統(tǒng)就能實(shí)現(xiàn)專用手機(jī)終端直連衛(wèi)星通信，與當(dāng)時(shí)的地面移動(dòng)通信系統(tǒng)（2G/3G）競(jìng)爭(zhēng)，但由于成本高、資費(fèi)貴，沒有普及，在發(fā)展公眾用戶方面輸給了地面移動(dòng)通信系統(tǒng)，只服務(wù)于行業(yè)用戶。
隨著技術(shù)進(jìn)步及人類活動(dòng)拓展，作為星地融合移動(dòng)通信應(yīng)用的典型代表，手機(jī)直連衛(wèi)星通信相較于寬帶衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用，具有受眾廣泛、終端便攜、市場(chǎng)潛力巨大等優(yōu)勢(shì)，自2022年起再度成為業(yè)界新的研究熱點(diǎn)。在國(guó)際上，以AST Space Mobile為代表的美國(guó)初創(chuàng)衛(wèi)星公司積極開展手機(jī)直連衛(wèi)星通信的技術(shù)試驗(yàn)。在國(guó)內(nèi)，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、地面運(yùn)營(yíng)商、系統(tǒng)廠商和終端廠商等，均在積極關(guān)注手機(jī)直連衛(wèi)星通信的需求與技術(shù)發(fā)展。
手機(jī)直連衛(wèi)星通信是5G及未來6G發(fā)展的一個(gè)重要方面，將應(yīng)用最廣的地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與覆蓋范圍最大的衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，衛(wèi)星通信與地面移動(dòng)通信從競(jìng)爭(zhēng)走向了互補(bǔ)。這不僅是增強(qiáng)手機(jī)終端能力與提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋廣度的重要方法，也是對(duì)傳統(tǒng)依靠專用手持終端、以語音及低速率業(yè)務(wù)為主的衛(wèi)星移動(dòng)通信的重新定義，更是面向6G真正實(shí)現(xiàn)隨遇接入、無縫覆蓋的重要舉措。
（1）通信速率
手機(jī)直連衛(wèi)星通信受手機(jī)天線增益、發(fā)射功率等因素的影響，相比地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，手機(jī)通信速率會(huì)有量級(jí)下降。
（2）頻段帶寬
手機(jī)直連衛(wèi)星通信，受無線傳播特性及手機(jī)天線形式等因素的影響，一般工作在低頻段，如L、S或C頻段。按照ITU的規(guī)劃，低頻段可用于衛(wèi)星移動(dòng)通信業(yè)務(wù)的帶寬一般低于20MHz，該帶寬遠(yuǎn)低于5G NR的可用帶寬及傳統(tǒng)衛(wèi)星通信的帶寬。
（3）頻譜效率
由于手機(jī)直連衛(wèi)星的功率受限，低信噪比導(dǎo)致高階調(diào)制難以應(yīng)用，同時(shí)衛(wèi)星距離地面較遠(yuǎn)，傳統(tǒng)的MIMO技術(shù)難以用于單星增容。這些因素都會(huì)限制手機(jī)直連衛(wèi)星通信的頻譜效率。
（4）多普勒頻移
低軌衛(wèi)星由于運(yùn)動(dòng)速度快，會(huì)帶來較大的動(dòng)態(tài)特性。即便是在較低的L和S頻段，低軌衛(wèi)星帶來的多普勒頻移也有數(shù)十kHz，對(duì)頻率同步也會(huì)造成較大的影響。
從手機(jī)所采用的技術(shù)體制來看，手機(jī)直連衛(wèi)星通信主要有3種技術(shù)路線，如表1所示。
（1）技術(shù)路線一：基于現(xiàn)有衛(wèi)星通信體制的手機(jī)直連衛(wèi)星通信
該方案基于在軌衛(wèi)星的現(xiàn)有衛(wèi)星通信體制（如銥星系統(tǒng)、GlobalStar系統(tǒng)或天通一號(hào)衛(wèi)星系統(tǒng)），定制面向公眾用戶的新手機(jī)（是雙模手機(jī)），同時(shí)集成地面移動(dòng)通信終端芯片/模組、專用衛(wèi)星通信終端芯片/模組，由手機(jī)廠商主導(dǎo)，衛(wèi)星側(cè)基本不做改動(dòng)。該方案是“新定制手機(jī)”+“已有星座”，可以通俗稱為“新手機(jī)、舊衛(wèi)星”。
因?yàn)槭褂靡言谲壭l(wèi)星，該方案的優(yōu)勢(shì)是商用部署快；不足是新定制手機(jī)，必須集成衛(wèi)星通信專用芯片，成本高，且面臨終端小型化、衛(wèi)星天線內(nèi)置手機(jī)等挑戰(zhàn)，受制于在軌衛(wèi)星能力和手機(jī)內(nèi)置天線，通信速率十分有限，僅提供kbit/s量級(jí)速率，只能解決基本通信問題，基本上是一種過渡方案。另外采用私有技術(shù)體制，在全球推廣和協(xié)調(diào)受限。典型案例有華為Mate 60 Pro集成天通一號(hào)衛(wèi)星終端模塊，蘋果iPhone 14集成Globalstar衛(wèi)星終端模塊。
需要補(bǔ)充說明的是20世紀(jì)就已經(jīng)出現(xiàn)了專用手機(jī)直連衛(wèi)星通信，其主要以話音為基本業(yè)務(wù)，以行業(yè)用戶為主。典型的衛(wèi)星通信系統(tǒng)包括銥星系統(tǒng)、GlobalStar系統(tǒng)及INMARSAT等。21世紀(jì)初，我國(guó)也建成了支持手持終端接入的天通一號(hào)衛(wèi)星通信系統(tǒng)。傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話主要分為兩類：地球同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)和低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)。其中，INMARSAT和天通一號(hào)屬于地球同步軌道衛(wèi)星通信系統(tǒng)，而銥星系統(tǒng)和GlobalStar系統(tǒng)則屬于低軌衛(wèi)星星座系統(tǒng)。上述系統(tǒng)采用不同的定制化通信體制和協(xié)議，導(dǎo)致不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)的專用手機(jī)/終端無法進(jìn)行漫游和互聯(lián)互通，沒有形成規(guī)模經(jīng)濟(jì)。例如，銥星系統(tǒng)采用類似GSM協(xié)議，GlobalStar系統(tǒng)采用擴(kuò)頻技術(shù)，INMARSAT第四代星采用GMR-1 3G協(xié)議，天通一號(hào)也采用私有的定制化通信協(xié)議。
（2）技術(shù)路線二：基于現(xiàn)有地面移動(dòng)通信體制的手機(jī)直連衛(wèi)星通信
該方案基于現(xiàn)有地面移動(dòng)通信體制（如4G、5G）實(shí)現(xiàn)存量手機(jī)直連衛(wèi)星，用戶既不需要更換4G和5G手機(jī)也不需要對(duì)其進(jìn)行改動(dòng)，由衛(wèi)星和網(wǎng)絡(luò)側(cè)進(jìn)行改動(dòng)和增強(qiáng)實(shí)現(xiàn)，將4G/5G基站改動(dòng)后上星以應(yīng)對(duì)衛(wèi)星通信場(chǎng)景中的深度衰落、大時(shí)延和大頻偏等挑戰(zhàn)。一方面，現(xiàn)有手機(jī)的無線信號(hào)收發(fā)能力難以應(yīng)對(duì)星地鏈路的巨大信號(hào)損耗，只能大幅增強(qiáng)衛(wèi)星側(cè)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備的能力，星上需要配置超大規(guī)模相控陣天線陣列以提升信號(hào)收發(fā)能力。例如，AST SpaceMobile的BlueWalker 3衛(wèi)星使用的相控陣天線在展開后面積達(dá)到約64m2，其衛(wèi)星質(zhì)量約為1500kg，成本高達(dá)上億美元，帶來了功耗、體積、重量、成本等系列新挑戰(zhàn)。另一方面，為了匹配現(xiàn)有手機(jī)所使用的技術(shù)體系，還對(duì)衛(wèi)星的軌道高度、波束成形等有特殊要求，導(dǎo)致用戶速率和系統(tǒng)容量等受限。
該方案是“存量手機(jī)”+“新建星座”，可以通俗稱為“舊手機(jī)、新衛(wèi)星”，優(yōu)勢(shì)在于4G/5G存量手機(jī)就能直連衛(wèi)星，用戶市場(chǎng)基數(shù)龐大，潛在用戶數(shù)量大；其缺點(diǎn)是需新建高性能低軌衛(wèi)星星座，衛(wèi)星部署周期長(zhǎng)，衛(wèi)星復(fù)雜且成本極高，實(shí)現(xiàn)難度大。
自2022年以來，業(yè)界開始關(guān)注存量4G/5G手機(jī)直連衛(wèi)星通信。2023年4月，AST SpaceMobile與AT&T合作，宣布首次實(shí)現(xiàn)了使用普通智能手機(jī)通過衛(wèi)星進(jìn)行雙向音頻通話。2023年7月，Lynk發(fā)布視頻，展示了通過其在軌衛(wèi)星連接普通手機(jī)進(jìn)行多次語音通話的場(chǎng)景。2023年10月，Starlink公布了面向存量手機(jī)用戶提供直連衛(wèi)星通信服務(wù)的時(shí)間計(jì)劃，并于2024年1月發(fā)射了首批6顆具有手機(jī)直連衛(wèi)星能力的試驗(yàn)衛(wèi)星，基于T-Mobile的網(wǎng)絡(luò)支持了短消息服務(wù)。
（3）技術(shù)路線三：基于3GPP NTN體制的手機(jī)直連衛(wèi)星通信
該方案由手機(jī)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)側(cè)根據(jù)3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行改進(jìn)增強(qiáng)，是“新研手機(jī)”+“新建星座”，可以通俗稱為“新手機(jī)、新衛(wèi)星”。
該方案的優(yōu)勢(shì)是手機(jī)和衛(wèi)星間的復(fù)雜度和成本的系統(tǒng)平衡，與支持5G NTN演進(jìn)的智能手機(jī)兼容，新手機(jī)是單模手機(jī)，主要涉及物理層時(shí)序和同步的增強(qiáng)，成本變化不大，且市場(chǎng)開拓容易；其缺點(diǎn)在于需要規(guī)劃新頻率，實(shí)現(xiàn)5G NTN標(biāo)準(zhǔn)的新手機(jī)和新衛(wèi)星，新建衛(wèi)星復(fù)雜度中等，但需要部署周期。依據(jù)手機(jī)的電池壽命等因素，目前業(yè)界換機(jī)的周期大概為3年，該周期內(nèi)5G NTN衛(wèi)星建設(shè)與組網(wǎng)基本成熟，使得公眾用戶換機(jī)時(shí)能直接使用5G NTN的手機(jī)直連衛(wèi)星服務(wù)。愛立信、泰雷茲和高通聯(lián)合聲明將共同研制5G NTN衛(wèi)星系統(tǒng)，還有Omnispace，中國(guó)移動(dòng)、中信科移動(dòng)、中興通訊、柴光展銳等中國(guó)公司也開展了基于NTN標(biāo)準(zhǔn)的直連衛(wèi)星在軌驗(yàn)證。
3GPP從R14開始成立了“NR（新空口）支持NTN的解決方案”工作組，探討NR傳輸技術(shù)用于NTN場(chǎng)景的可行性。在R17階段，針對(duì)透明轉(zhuǎn)發(fā)模式下的NTN技術(shù)進(jìn)行了研究，并于2022年6月，完成了R17版本的NTN標(biāo)準(zhǔn)化工作。在無線空口方面，主要涉及物理層時(shí)序關(guān)系的增強(qiáng)、上行時(shí)頻同步技術(shù)的增強(qiáng)、混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技術(shù)的增強(qiáng)等關(guān)鍵技術(shù)。
·物理層時(shí)序關(guān)系的增強(qiáng)。NTN場(chǎng)景下，相比地面網(wǎng)絡(luò)，衛(wèi)星的覆蓋范圍增大、傳輸時(shí)延增加。因此，原5G標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中定義的時(shí)序關(guān)系及參數(shù)取值均需要增強(qiáng)，使其適應(yīng)衛(wèi)星通信的信道傳輸特點(diǎn)。
·上行時(shí)頻同步技術(shù)的增強(qiáng)。NTN場(chǎng)景下單向傳輸時(shí)延增大，對(duì)于低軌衛(wèi)星通信場(chǎng)景，衛(wèi)星的快速運(yùn)動(dòng)造成嚴(yán)重的多普勒效應(yīng)，影響上行時(shí)頻同步。R17版本標(biāo)準(zhǔn)中，終端需要根據(jù)星地傳輸時(shí)延和頻率變化情況對(duì)上行時(shí)頻進(jìn)行預(yù)補(bǔ)償。
·HARQ技術(shù)的增強(qiáng)。NTN場(chǎng)景的大傳輸時(shí)延導(dǎo)致原NR的HARQ進(jìn)程難以滿足需求，因此需要擴(kuò)展原HARQ進(jìn)程、支持關(guān)閉HARQ進(jìn)程等。
在R18階段，針對(duì)手持終端上/下行鏈路受限的特點(diǎn)，3GPP開展了覆蓋增強(qiáng)項(xiàng)目的研究。在未來的R19階段，3GPP仍將會(huì)持續(xù)開展NTN標(biāo)準(zhǔn)的完善、增強(qiáng)工作。
以上內(nèi)容節(jié)選自《星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)》
第1章：概述
《星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)與關(guān)鍵技術(shù)》
內(nèi)容介紹
陳山枝博士于2018年率先提出“5G體制兼容、6G系統(tǒng)融合”的星地融合移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展路線，帶領(lǐng)中國(guó)信科團(tuán)隊(duì)積極推動(dòng)全球衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定和產(chǎn)業(yè)發(fā)展。本書對(duì)星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)和關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行介紹，以無線信道建模與鏈路預(yù)算分析為系統(tǒng)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，深入剖析星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)的組成及其關(guān)鍵技術(shù)，具體包括網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)、無線傳輸、移動(dòng)性管理、組網(wǎng)與路由、頻率復(fù)用等多個(gè)方面，為廣大讀者深入了解5G增強(qiáng)和6G的星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)提供參考。本書既可作為衛(wèi)星通信系統(tǒng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)、空間互聯(lián)網(wǎng)、地面移動(dòng)通信系統(tǒng)、星地融合移動(dòng)通信系統(tǒng)等領(lǐng)域研究人員和學(xué)生的參考書，又可供相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)人員使用。
作者介紹
陳山枝，北京郵電大學(xué)博士研究生畢業(yè)。正高級(jí)工程師，國(guó)家杰出青年科學(xué)基金獲得者，IEEEFellow，中國(guó)信息通信科技集團(tuán)副總經(jīng)理、總工程師、科技委主任，無線移動(dòng)通信全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室主任。長(zhǎng)期從事無線移動(dòng)通信技術(shù)研究、標(biāo)準(zhǔn)制定及產(chǎn)業(yè)化工作，目前研究方向包括B5G/6G、車聯(lián)網(wǎng)、衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)。曾獲國(guó)家科學(xué)技術(shù)進(jìn)步獎(jiǎng)特等獎(jiǎng)、一等獎(jiǎng)和二等獎(jiǎng)，國(guó)家技術(shù)發(fā)明獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)，何梁何利基金科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新獎(jiǎng)等。 
