手机直连卫星及NTN简介

一、手机直连卫星的发展现状

近日，华为推出了支持北斗卫星短报文的Mate 50旗舰机、P60系列，苹果也跟Globalstar（全球星）合作推出了支持卫星求救的iPhone14，最亮眼的还是华为的。这几款产品揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。

华为Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息，但内容会被审核，只有跟救援相关的信息才能被发送，而且是单向通信，收不到回复。
华为P60系列，华为提供的北斗短信，则是利用了北斗系统星座GEO地球同步卫星承载的区域短报文功能，支持了北斗双向报文，可以双向发送+接受消息（注：之所以最开始Mate 50只能发不能接，到P60就可以实现双向接发，实非技术原因，而是源自试用初期的限制，运营方担心用户突增、承载能力不足造成拥堵。）
iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号，且自带定位坐标，但不能定向发给个人，消息会统一发送至公立或付费的救援机构，但能收到救援机构的回复。但iPhone卫星通讯的合作商是Globalstar（全球星）公司，Globalstar没有星间通信能力，完全依赖星下视场内可用的地面接入中转站，卫星纯粹只起到一个“反射”转发的功能。所以这项服务目前只能在北美地区使用。由于Globalstar是低轨卫星，在用户视野从出现到消失也就10分钟时间，而且一直在移动。所以iPhone在使用这个功能的时候需要动态搜寻对准卫星位置。实测发出一条短信常常需要3-5分钟，并且很不稳定。
时隔一年，华为Mate 60带来了集成的卫星电话功能，这可是通信史上的重大创举！华为Mate 60不再仰仗北斗卫星，而是与电信的天通一号深度合作。华为采用灵犀天线方案用环绕机身布局，增强了射频信号，加上功率放大器、软件算法和硬件供电、散热材料的联合优化，充分挖掘信号潜力。

由此可见，目前在消费领域，手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统，技术上并没有进行融合，且卫星仅定位于应急通信，这一点跟传统的卫星电话并没有本质的差别。

二、Starlink的发展进程（NTN-基站上星）

上面进展都是针对手持终端做出的改善，但终归是治标不治本！所谓“治本”，应从卫星侧入手！

因此，让卫星直接发送5G信号，让这卫星系统与地面的4G、5G网络融合起来，成为必经之路！如此一来，我们可能连手机都不用换，在荒郊野岭就直接能通过卫星来连上5G了！而Starlink在这方面已经走出了第一步。

Starlink的进展：今年8月25日，SpaceX宣布和T-Mobile将达成频谱共享，新一代的Starlink V2卫星将通过1.9GHz来向现网的手机提供服务。 （现网的手机可不像专用的卫星电话一样有硕大的天线，发射功率也被协议定在了很低的水平（一般是0.2瓦）。因此要达成目标只能在卫星上下功夫。）
Starlink V2 卫星对信号接收能力进行了增强，将卫星天线加长到7米，面板增加到25平米，通信性能达到上一代V1的10倍。这样一来，现网已有的手机终于可以直连卫星上5G了，预计吞吐率可达2~4Mbps。这速率，虽说跟通常意义上5G动辄几百兆的速率不能相比，但支持打电话是不在话下的，流畅上网也是可以保证的。

三、NTN简介及其核心思路

跟地面上的5G网络相比，这种飘在天上的5G网络自然就叫做 “非地面网络（Non-Terrestrial Network）”，简称作NTN。

广义的NTN包含的范围很广，有无人机、地对空通信、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN自然是最受关注的重点，因此在一般情况下，我们说的NTN都是基于卫星的。

下图是3GPP对于NTN技术标准化的进展及计划。可以看出，在R15和R16，5G NTN还处于研究阶段；从R17开始，5G通过NTN的接入技术已开始了标准化，并将在后续版本不断向前推进。

NTN的思路是： 卫星发射5G信号，直接和用户的手机相连，地面上再架设信关站作为网关，最终连接到5G核心网。

其中，卫星和用户之间的链路叫做服务链路（Service Link）；卫星和信关站之间的链路叫做馈电链路（Feeder Link）；卫星之间的链路叫做星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）。

在目前的NTN相关协议中，定义了两种实现架构，分别是“透明载荷”和“可再生载荷”。

所谓“透明载荷”，也称作透明转发，实际上把卫星仅当作信号中继的链路。5G基站作为地面网络的一部分部署在信关站的后面。卫星不关注基站发了什么，对信号也不做任何处理，只要流畅地把手机和信关站连起来就好。

透明载荷架构可以利用已有卫星，技术上实现起来较为容易，成本也低，但卫星和基站之间的路径长，时延大，不支持星间协作，需部署大量信关站。

可再生载荷，又称作基站上星，相当于把5G基站部署在了卫星上。卫星和卫星之间的星间链路就跟地面基站之间的Xn接口一样；卫星和信关站之间的馈电链路，实际就是基站跟核心网之间回传网络的一部分。

可再生载荷这种架构必须改造并新发射卫星，技术复杂，成本高。优点是手机和卫星基站之间的时延短，且由于有星间链路的存在，信关站可以少部署一些。

在这两种架构的基础上，要实现5G NTN，本质上是将卫星通信和地面蜂窝通信这两种原本泾渭分明的系统进行融合。

然而，蜂窝通信协议从2G、3G、4G，再到5G，针对地面网络的场景这么一路演进过来，要和卫星通信相融合的挑战是巨大的，协议上要进行大量的更新。

高传输时延。 GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上（针对透明转发卫星），如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性，特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。在这么高的时延下，很可能系统的定时器早都超时重启了，信令还没送达。因此，需要对相关协议流程进行改进或者重新设计。

多普勒频移。 由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的，这会导致严重的多普勒频移。地面5G系统在一般场景下要处理的频偏是非常小的，即使是在高铁等特殊场景，也仅需考虑数千赫兹的频偏补偿。然而对于低轨卫星系统，不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移，还有数十微秒的定时漂移。这些对于5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战。

超大小区半径。 地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米，而NTN小区的覆盖范围要大得多，LEO波束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。因此，卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显，对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统，因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。

移动性管理。 由于非地球同步轨道卫星相对用户是高速运动的，这会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。一方面，在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选；另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，进行预先的小区或波束切换，减少信令交互开销。

这些技术上的挑战固然棘手，但没关系，只要有需求，只要市场在，随着各路专家的不懈努力，技术总会找到出路。

的手机，都可以在杳无人迹的沙漠荒原，在波涛汹涌的茫茫大海，在被自然灾害蹂躏下的残破家园，都能接收到来自卫星的满格信号。

四、全球主要手机直连卫星发展情况

消费电子市场的卫星通信功能呈现“跟随效应”，持续推动大众消费终端市场扩容建议重点关注手机直接卫星技术变革：

手机直连卫星是指利用卫星作为通信基站，使用普通智能手机直接与卫星建立通信网络连接，而无需通过地面基站和卫星地球站中转。借助卫星系统提供的全球网络.通过一部普通智能手机就能实现为任何人、任何时间、任何地点提供无缝覆盖的通信服务，无论是在偏远山区、海上、空中，还是处在自然灾害中。手机直连卫星有望从根本上解决地面通信网络覆盖不足的问题，是实现空天地海一体化通信的关键，是构建 6G 星地融合网络的支柱之一。

手机直连卫星不同于传统的卫星移动通信。传统卫星移动通信方式需要定制的手持终端(发射功率典型值为 2W) ，工作在 L/S 频段，实现语音和窄带数据服务。而手机直连卫星使用的是普通的智能手机实现与卫星系统之间的连接，目标是提供语音和宽带数据服务。

手机直连卫星的工作频率在全球范围内还未达成一致，国际规则和标准的制定仍处于初始阶段。按照当前的 TU 规则，卫星移动通信和地面移动通信的频率是独立分配和独占使用。但手机直连卫星服务需求在增加，同时又出现了物联网设备等卫星连接的新需求，因此 ITU 需要为卫星移动业务分配额外的频谱，并考虑相关技术和监管规则。在世界无线电通信大会 WRC-23 举行之前，ITU 研究了将 1695~3400MHZ之间的若干频段划分为卫星移动业务新频段的可行性。但由于在 WRC-19 的第 248号决议在窄带卫星移动业务的技术和业务特性方面的措辞会糊不清，无论是频谱需求的研究，还是与现有主要业务之间的潜在共享和兼容性的研究，都没有形成定论。但WRC-23 通过决议授权ITU-R 就手机直连卫星开展研究，以便在下一届WRC-27大会上讨论为手机直连卫星业务划分新的频谱。

其中，使用地面移动业务频率的方案下，手机直连卫星面临着严重的干扰问题。卫星位于几百公里以上的轨道上，其与用户手机之间的距离远远大于地面通信基站与手机的距离。为了克服信号传输链路衰减，手机直连卫星的收发两端都需要较大的发射功率。由于地面系统的信号和地面到卫星的信号在发射功率上存在较大差异，如果地面和卫星系统使用相同的频谱，可能会产生严重的干扰问题。为了解决这一问题，SpaceX 需要发射新的星链卫星 V2.0 并进行组网。相比上一代，V2.0 在原先 Ku、Ka 天线和星间激光链路的基础上，增加一个面积达到 25 平方米的天线，以实现与地面手机的直接通信。