【摘 要】隨著衛(wèi)星載荷技術的顯著突破、手機終端技術的持續(xù)創(chuàng)新以及體制標準的制定與驗證，手機直連衛(wèi)星技術正經(jīng)歷著迅猛的發(fā)展。通過分析當前手機直連衛(wèi)星技術的現(xiàn)狀，我們可以清晰地看到兩條主要的技術路線和三種不同的實現(xiàn)方式。然而，在發(fā)展過程中，我們也面臨著星地頻率共用、星載天線設計、星載基站構建等技術瓶頸。為了克服這些挑戰(zhàn)，我們需要結合實際的系統(tǒng)架構和多樣化的應用場景，確定研究的重點方向。展望未來，手機直連衛(wèi)星技術作為5G通信的關鍵組成部分和6G通信的重要基礎，其發(fā)展前景令人期待。
【關鍵詞】 手機直連衛(wèi)星 ; 非地面網(wǎng)絡 ; 頻率共用 ; 星載天線 ; 星載基站
宋艷軍, 肖永偉, 孫晨華. 手機直連衛(wèi)星關鍵技術分析與發(fā)展展望[J]. 電信科學, 2024, 40(4): 1-9.
SONG Y J, XIAO Y W, SUN C H. Analysis and future development of direct-to-handset satellite key technologies[J]. Telecommunications Science, 2024, 40(4): 1-9.
0 引言
在“手機直連衛(wèi)星”這個名詞出現(xiàn)以前，銥星（Iridium）、全球星（Globalstar）、海事衛(wèi)星（Inmarsat）和中國天通衛(wèi)星均支持類手機終端直連衛(wèi)星進行通信。早在20世紀90年代就出現(xiàn)了手機直連衛(wèi)星的應用場景，當時的衛(wèi)星手機終端在形態(tài)和收發(fā)能力上均不同于現(xiàn)在的手機?，F(xiàn)在的手機直連衛(wèi)星場景是使用同一部手機，既能接收地面移動信號，又能接收衛(wèi)星信號，可根據(jù)網(wǎng)絡情況選擇使用地面移動網(wǎng)絡或者衛(wèi)星網(wǎng)絡。
手機直連衛(wèi)星是地面移動通信向天空延伸發(fā)展的必然過程，是實現(xiàn)5G全球覆蓋的有效手段，也是塑造6G物理世界的重要支撐。相比高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星可提供更短的處理時延、更強的信號質(zhì)量，軌道資源也更加豐富，通過星座組網(wǎng)可實現(xiàn)全球覆蓋，這些特點為手機直連衛(wèi)星技術發(fā)展提供了便利條件。隨著衛(wèi)星載荷、用戶終端、火箭發(fā)射等技術的進步，低軌衛(wèi)星星座的部署加快，推動了手機直連衛(wèi)星通信的發(fā)展。
本文從手機直連衛(wèi)星的發(fā)展現(xiàn)狀出發(fā)，分析手機直連衛(wèi)星的技術路線和實現(xiàn)方式；根據(jù)手機直連衛(wèi)星的特點及實現(xiàn)方式，探討手機直連衛(wèi)星星地頻率共用、星載天線、星載基站、手機天線等方面需要解決的關鍵技術，從星地融合、系統(tǒng)化、體系化角度分析提出手機直連衛(wèi)星的發(fā)展趨勢和未來關注的技術方向。
1 手機直連衛(wèi)星發(fā)展現(xiàn)狀
近幾年，手機直連衛(wèi)星發(fā)展迅速，2022年6月，第三代合作伙伴計劃（3rd Generation Partnership Project，3GPP ）發(fā)布了非地面網(wǎng)絡（non-terrestrial network，NTN）的相關標準，將手機連接衛(wèi)星變得有據(jù)可依，間接推動了手機直連衛(wèi)星的發(fā)展；同年9月，華為手機直連北斗衛(wèi)星、蘋果手機直連全球星，支持直連衛(wèi)星手機的推出，實現(xiàn)了手機通過衛(wèi)星網(wǎng)絡發(fā)送短消息，直接推動了手機直連衛(wèi)星的發(fā)展；2023年4月， AST公司基于BlueWalker3衛(wèi)星和普通手機首次完成語音通信測試；同年8月，華為Mate60 Pro手機集成了天通衛(wèi)星體制協(xié)議芯片，實現(xiàn)了直連衛(wèi)星手機的商用化；2024年1月，SpaceX公司發(fā)射6顆搭載了直連手機載荷的衛(wèi)星，并與地面運營商合作，使用普通手機完成短信和數(shù)據(jù)等業(yè)務測試，同時完成了使用天地頻率協(xié)調(diào)的初步探索，計劃年底向全球提供短信服務；2024年3月，美國聯(lián)邦通信委員會（Federal Communications Commission，F(xiàn)CC）通過了太空補充覆蓋監(jiān)管架構，使美國成為星地融合通信落地的國家，極大地促進了手機直連衛(wèi)星及天地頻率融合的發(fā)展。
目前，手機直連衛(wèi)星的技術路線總體來說可以分為兩類。一類是沿用現(xiàn)有標準，關鍵技術取得突破。當前主要的手機直連衛(wèi)星應用均屬于這類技術路線，便于手機直連業(yè)務的快速落地，但其或者采用私有協(xié)議而無法迅速做大生態(tài)鏈，或者為適應存量手機而增加星載基站的實現(xiàn)難度。第二類是研究制定新標準，技術取得全面突破。這類技術路線是指3GPP已開展的NTN標準制定工作，該標準可以支持手機直連衛(wèi)星通信，但其關鍵技術正處于探索階段，標準規(guī)范也正處于討論完善階段。手機直連衛(wèi)星在兩種技術路線的框架下分為以下3種主要實現(xiàn)方式。
（1）手機改直連衛(wèi)星方式。在手機內(nèi)增加適應衛(wèi)星體制協(xié)議的芯片，使同一部手機中既有適應地面移動通信體制協(xié)議的芯片，又有適應衛(wèi)星體制協(xié)議的芯片。采用此種方式的有華為手機+北斗衛(wèi)星、華為手機+天通衛(wèi)星、蘋果手機+全球星等。此種方式由手機廠商主導，手機廠商為適應衛(wèi)星能力和體制協(xié)議，加大手機終端相關技術投入，促進了手機的芯片、射頻、天線等技術進步。隨著技術的突破與成熟，越來越多的手機廠商（特別是中國手機廠商）將加入手機改直連衛(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手機接入衛(wèi)星即可完成手機直連衛(wèi)星通信。實現(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，衛(wèi)星廠商根據(jù)低軌衛(wèi)星的信道特性、運行特點，對地面移動通信協(xié)議進行了適應性研究，并移植到星載基站上，推動星載基站、星載天線等技術的發(fā)展。由于該實現(xiàn)方式是面向存量手機的手機直連衛(wèi)星解決方案，有技術能力的衛(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直連衛(wèi)星應用的方式。
（3）基于NTN標準逐步實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星。3GPP在開始制定5G標準之初，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)絡的標準，以解決全球90%以上區(qū)域缺少通信手段的問題，保證無服務或服務不足地區(qū)的互聯(lián)網(wǎng)服務的可達性和連續(xù)性，同時提高地面網(wǎng)絡應對自然災害和人為災害時的能力。NTN標準經(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具體技術研究和標準確定。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標準的手機直連衛(wèi)星在軌驗證。
綜上所述，手機直連衛(wèi)星的3種實現(xiàn)方式各有如下優(yōu)缺點。
（1）手機改直連衛(wèi)星方式不需要發(fā)射衛(wèi)星，縮短了衛(wèi)星建設周期，降低了成本，使手機廠商可以根據(jù)各自的技術實力自主研發(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)星方式可以實現(xiàn)目前全球數(shù)億的存量手機直連衛(wèi)星，對于個人用戶來說，不用更換手機即可體驗衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)服務。這種實現(xiàn)方式的驅動是衛(wèi)星廠商，要建設一個手機直連衛(wèi)星網(wǎng)絡需要較高成本和周期，并且有許多復雜的關鍵技術需要攻關，實現(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標準實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星的優(yōu)點和缺點同樣突出。NTN標準是集全世界行業(yè)內(nèi)公司、專家的智慧而制定的，其技術的可行性、系統(tǒng)的可用性均是經(jīng)過充分論證和研究的，一旦發(fā)布實施，將會是一個合理可行的方案。但是，目前NTN的技術和架構正處在初步研究階段， NTN網(wǎng)絡部署、衛(wèi)星節(jié)點建設、與5G NR整合等方面均存在障礙，從標準的研究制定，到系統(tǒng)的建設、手機終端的研制，整個周期很長，無法快速滿足當前偏遠地區(qū)的通信需求。
因此，由于服務需求不同、商業(yè)驅動不同，在未來幾年內(nèi)，手機直連衛(wèi)星的3種實現(xiàn)方式將會共存，但長期來看，大概率會走向基于NTN標準的技術路線。無論未來手機直連衛(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、手機終端高增益天線等都是需要解決的關鍵技術。
2 制約發(fā)展的關鍵技術
2.1 頻率共用技術
目前，國際上關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，在手機直連衛(wèi)星的場景下實現(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)避和頻率共用相關技術。
低軌衛(wèi)星在移動過程中，會經(jīng)過多個國家或地區(qū)，可以按照各個國家或地區(qū)的要求，以地面通信頻率為主，通過不斷更改衛(wèi)星的發(fā)射和接收頻率，避免星地間頻率干擾。此種方式的好處是能夠服務全球所有地區(qū)的用戶，可以有效形成與地面運營商的合作關系，缺點是地面通信頻率在不同國家或地區(qū)分散在600 MHz～2.4 GHz的多個頻段，為了能夠適應全球的工作范圍需要研究600 MHz～2.4 GHz的寬帶射頻通道和天線，同時還需要研究基于服務對象位置的頻率干擾規(guī)避策略。
（2）星地間、星星間、系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾規(guī)避
手機直連衛(wèi)星時不僅需要考慮衛(wèi)星和地面之間的頻率干擾，還要考慮不同系統(tǒng)衛(wèi)星之間的頻率干擾，同時要考慮系統(tǒng)內(nèi)不同衛(wèi)星之間對同一個用戶的干擾。由于系統(tǒng)內(nèi)部的工作頻率可以提前規(guī)劃，借鑒地面頻率多色復用規(guī)則，研究星地統(tǒng)一頻率多色復用策略，可以避免星地間、星星間、系統(tǒng)內(nèi)的頻率干擾。但在用戶即將跨星切換時，系統(tǒng)內(nèi)源衛(wèi)星和目的衛(wèi)星對用戶同時覆蓋可能造成同頻干擾，此時應考慮將兩顆衛(wèi)星配置成不同頻點，減少干擾，但這樣又會引起用戶切換的復雜度增加，因此需要針對特殊場景研究頻率干擾規(guī)避策略。
由于衛(wèi)星與地面用戶相對位置快速變化，星載天線如果不隨著衛(wèi)星移動而調(diào)整波束成形將會導致覆蓋區(qū)域變大，進而引起對其他衛(wèi)星或地面設施的干擾。因此，對星載天線的控制策略也是頻率干擾需要研究的一部分內(nèi)容，通過研究手機直連衛(wèi)星頻率共用技術可以促進星載天線技術的發(fā)展。
使用非授權頻段無須授權，但要與其他通信體制共存，共同競爭信道資源。非授權頻段分布在5～6 GHz和Ka頻段的多個頻段，由于5～6 GHz的頻率與地面5G通信頻率相近，2種信號的星地傳輸衰減和處理方法大致相同，可以選擇5～6 GHz這段頻率作為手機直連衛(wèi)星的天地共用頻率。同時借鑒 4G 使用許可證輔助訪問（licensed-assisted access，LAA）實現(xiàn)非授權頻譜接入，在手機直連衛(wèi)星場景下，利用授權頻譜接入地面網(wǎng)絡，之后通過地面網(wǎng)絡輔助實現(xiàn)手機利用非授權頻譜接入衛(wèi)星。
手機直連衛(wèi)星的星地頻率共用問題單從技術層面無法被有效解決，需要聯(lián)合地面電信運營商共同規(guī)劃頻率，進行區(qū)域內(nèi)星地頻率統(tǒng)一協(xié)調(diào)。以 SpaceX 公司的手機直連衛(wèi)星用頻為例， SpaceX公司向FCC申請用于手機直連衛(wèi)星業(yè)務的頻段（原地面使用頻段），同時與地面電信運營商簽訂合作協(xié)議，開展手機直連衛(wèi)星試驗驗證。SpaceX公司申請手機直連衛(wèi)星頻段與合作運營商的關系見表1，可以看出，SpaceX公司申請手機直連衛(wèi)星頻段覆蓋目前合作的地面電信運營商使用頻率，同時也為未來拓展合作奠定了基礎。2024年3月14日，F(xiàn)CC批準SpaceX和其他衛(wèi)星運營商使用有合作關系的地面電信運營商頻率資源，極大地推動了星地頻率共用的進步。
2.2 星載天線技術
地面4G-LTE通信能夠為用戶提供100 Mbit/s的峰值速率和10 Mbit/s的體驗速率，地面5G通信能夠為用戶提供1 Gbit/s的峰值速率和100 Mbit/s的體驗速率，當前手機直連衛(wèi)星僅能提供kbit/s量級的數(shù)據(jù)服務，比地面4G-LTE通信的體驗差很多。受手機直連衛(wèi)星通信場景限制并根據(jù)服務能力需求，手機直連衛(wèi)星要想實現(xiàn)10 Mbit/s量級的數(shù)據(jù)傳輸和服務用戶最大化，必須增加衛(wèi)星的收發(fā)能力，即星載天線應具備很強的收發(fā)能力。手機直連衛(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。
星載天線應具備較高的發(fā)射等效全向輻射功率（equivalent isotropic radiated power，EIRP）值和接收G/T值。以L/S頻段、500 km低地球軌道衛(wèi)星為參考進行星地鏈路預算，同時參考SpaceX公司、AST公司公布的天線指標對比與實測結果，星載天線輻射的EIRP值需要達到58 dBW，才能使手機直連衛(wèi)星的通信速率達到10 Mbit/s量級。由于手機用戶更注重下載速率的服務體驗，因此上行速率比下行速率的要求低，達到Mbit/s量級即可。以手機發(fā)射功率23 dBm為例，星地鏈路損耗變化相對固定且有一定規(guī)律，要實現(xiàn)Mbit/s量級的數(shù)據(jù)傳輸，需要衛(wèi)星具備不小于15 dB/K的G/T值。星載天線在考慮高增益時，也要考慮其功耗和散熱能力，確保整星能夠為其提供充足能源。
衛(wèi)星用戶側的星載天線需要靈活調(diào)度，多數(shù)情況下使用陣列形式，星載陣列天線的使用需考慮指向損失，俯仰角越大，指向損失越大，因此星載陣列天線的俯仰角指向變化最大值不超過60°。以衛(wèi)星軌道高度500 km為例，當衛(wèi)星俯仰角為60°時，衛(wèi)星視場內(nèi)覆蓋面積達到318萬平方千米。實現(xiàn)如此大面積區(qū)域內(nèi)的信號覆蓋，如果使用寬波束，勢必會造成功率浪費和頻率干擾，因此應使用點波束進行目標位置覆蓋?？紤]避免出現(xiàn)與地面頻率、其他衛(wèi)星頻率相互干擾的問題，需要將點波束覆蓋半徑設置為10～50 km，如果使用點波束覆蓋衛(wèi)星視場面積，需要數(shù)百至上萬個點波束，波束覆蓋與波束個數(shù)對應關系見表2。星載天線無法實現(xiàn)如此多的點波束，只能采用點波束結合波束跳變功能實現(xiàn)衛(wèi)星視場全覆蓋，由于點波束跳變采用時分復用原理，每跳變一次需要的時間固定，如果全部跳完整個衛(wèi)星視場，需要的時間為秒級，這個等待時間長度對于用戶來說是無法忍受的。因此，需要研究星載天線的點波束數(shù)量、跳變位置數(shù)量、波束跳變策略等內(nèi)容，以優(yōu)化服務等待時間。
星載天線的波束覆蓋面積小，可以有效減少與地面頻率、其他衛(wèi)星頻率的同頻干擾問題，由于波束覆蓋面積與星載天線的波束角有關，而波束角與天線的面積有關，波束覆蓋面積越小，星載天線的面積越大，大口徑星載天線工程實現(xiàn)難度越大。因此，需要研究同等天線面積條件下減小波束角的方法。
由于低軌衛(wèi)星的高速運動，地面目標終端相對衛(wèi)星基本是靜止狀態(tài)，二者之間位置變化引起星載天線方向圖變化，如果改變星載天線方向圖，會導致波束覆蓋范圍的增大與變形，將對周邊波束或地面基站造成頻率干擾。因此，需要研究星載天線的波束成形技術。
由于星載天線無法提供大量點波束，需要結合波束跳變實現(xiàn)衛(wèi)星視場內(nèi)的覆蓋。波束跳變的周期與通信協(xié)議中規(guī)定的資源調(diào)度周期有關，如4G-LTE的資源調(diào)度周期為10 ms，5G的資源調(diào)度的最小周期為125 μs，如此快速的資源調(diào)度給星載天線波束跳波控制帶來了挑戰(zhàn)。
當前手機工作的頻率分布在700 MHz～2.4 GHz各個頻段，要想實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星的全球通信，需要衛(wèi)星在全球范圍內(nèi)不斷切換工作頻點以適應所在地區(qū)的頻率規(guī)則，這就要求星載天線具備700 MHz～2.4 GHz的收發(fā)能力，而當前手機直連衛(wèi)星的天線工作頻段在幾十MHz以內(nèi)，因此需要研究適應大帶寬的星載天線。
2.3 星載基站技術
一直以來，衛(wèi)星的處理模式分為透明模式和再生模式，對于手機直連衛(wèi)星來說，也同樣存在這兩種模式，從服務時延、通信效率、資源調(diào)度的實時性等方面考慮，手機直連衛(wèi)星應該使用再生模式，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公司的手機直連衛(wèi)星是再生模式，星上實現(xiàn)了4G-LTE的星載基站。由于星載基站的服務范圍廣、管理用戶多、業(yè)務種類多，又是衛(wèi)星的數(shù)據(jù)面和控制面中心節(jié)點，所以需要針對手機直連衛(wèi)星的應用環(huán)境和使用特點，研究多體制高性能星載基站技術。星載基站技術的特點如下。
手機直連衛(wèi)星的3種實現(xiàn)方式?jīng)Q定了將會有不同通信體制的手機用戶同時接入星載基站的需求，其星載基站不僅需要具備不同用戶同時接入、與不同核心網(wǎng)交互等功能，還要能適應4GLTE、5G、NTN-NR、NTN-IoT等多種通信體制協(xié)議，這對星載基站提出了很高的要求。在手機直連衛(wèi)星場景中，分別針對每種通信體制單獨存在、多種體制共存等不同情況，開展星載基站研究。
地面4G基站的覆蓋范圍為1～3 km，地面5G基站的覆蓋范圍為100～300 m，而低軌衛(wèi)星星載基站的覆蓋范圍由衛(wèi)星軌道高度和星載天線工作仰角決定，其覆蓋范圍是地面4G、5G基站的上萬倍，覆蓋范圍上的差距，決定了一個星載基站需要接入和管理更多的用戶終端，因此需要研究海量用戶的資源分配技術、大算力高性能星載基站平臺。
由于基站與手機用戶間的相對位置不斷變化，需要對手機用戶進行移動性管理。與地面移動通信系統(tǒng)的基站位置固定不同，手機直連衛(wèi)星的星載基站自身具有高速移動性，因此星載基站不只要對手機用戶進行移動性管理，還要對自身的移動性進行管理和信息上報，這就導致按照地面基站的管理方法無法管理星載基站，造成星載基站的移動性管理難度加大。因此，需要研究星載基站移動性管理策略、手機直連衛(wèi)星用戶的移動性管理策略等。
手機直連衛(wèi)星具備為整星視場內(nèi)的用戶提供服務的能力，要求星載天線形成數(shù)十個點波束的同時，還應具備點波束跳變功能，星載基站需要根據(jù)手機用戶的服務要求和星載天線的使用特點，控制星載天線的波束指向，調(diào)度其點波束資源。由于服務的用戶數(shù)量大、調(diào)度的點波束個數(shù)多，在調(diào)度點波束時不僅要考慮點波束的空間維度（點波束數(shù)量），還要考慮點波束的時間維度（點波束跳變時分復用），同時要考慮用戶分布特點、用戶優(yōu)先級等用戶維度。因此，星載基站的波束控制非常復雜，需要綜合考慮多種因素，研究星載基站的多波束控制與調(diào)度策略。
2.4 手機天線技術
在手機直連衛(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，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。若需要在大眾手機上實現(xiàn)衛(wèi)星通話，不僅需要提高星載天線收發(fā)能力，也需要增強手機天線收發(fā)能力，具體需求如下。
手機的全向輻射靈敏度可衡量手機接收空間信號的能力，在手機直連衛(wèi)星場景下，星地下行鏈路傳輸速率一方面由星載天線的發(fā)射EIRP決定，另一方面由手機的接收能力全向輻射靈敏度決定，因此需要研究超表面、透鏡等新型天線設計方法。
手機的輻射功率是200 mW（即23 dBm），在手機直連衛(wèi)星場景下，為避免引起對其他基站和用戶的干擾，此輻射功率不會增大，但可以通過提高手機天線的發(fā)射增益，而降低射頻通道功放的輸出功率，以達到降低整機功耗、增長待機時間的目的。因此，提高手機天線發(fā)射增益技術，是解決基礎設施缺乏的偏遠地區(qū)手機超長待機需求的有效措施。
地面移動通信系統(tǒng)的基礎設施很完備，手機周圍各方向布滿了基站，手機可以在各種姿態(tài)下進行通信；在手機直連衛(wèi)星場景下，手機直連衛(wèi)星星座雖然由成百上千顆衛(wèi)星構成，但在手機用戶上空同時可見、可用的衛(wèi)星數(shù)量較少。由于衛(wèi)星位置和通信方向既相對固定，又實時快速變化，為適應低軌衛(wèi)星位置的快速變化，要求手機天線輻射信號是全向的，但同時衛(wèi)星的移動又會導致星地之間通信鏈路受到遮擋，引起星地通信中斷問題，所以為實現(xiàn)可靠通信需要研究手機直連衛(wèi)星手機天線的方向性控制方法。
3 手機直連衛(wèi)星發(fā)展展望
手機直連衛(wèi)星的痛難點需系統(tǒng)化解決。目前，手機直連衛(wèi)星主要有兩個痛難點問題需要盡快解決：一是衛(wèi)星載荷的關鍵技術突破問題，二是星地一體協(xié)調(diào)共用問題。衛(wèi)星載荷需要突破的關鍵技術主要有星載天線技術、星載基站技術。星載天線技術與衛(wèi)星平臺技術、火箭運載能力相關，星載基站技術與地面核心網(wǎng)、用戶終端息息相關，同時星載天線技術和星載基站技術之間也有波束資源控制調(diào)度等技術上的關聯(lián)，因此，對于衛(wèi)星載荷關鍵技術的研究需要以衛(wèi)星載荷為分系統(tǒng)進行整體考慮，以星地系統(tǒng)為參考進行優(yōu)化。星地一體協(xié)調(diào)共用要以星地頻率共用的研究成果為基礎，衛(wèi)星運營商與地面運營商合作，開展手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)網(wǎng)絡的常態(tài)化運營，同時持續(xù)開展手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)優(yōu)化、技術體系等方面的研究，從星地系統(tǒng)層面、面向人機物的服務層面布局研究內(nèi)容。
手機直連衛(wèi)星實現(xiàn)地面與非地面一體化通信。NTN與地面5G網(wǎng)絡本質(zhì)是使用同一設計，由于5G NR的前向兼容性，如果采用NTN標準的手機直連衛(wèi)星技術路線，NTN協(xié)議能夠很好地融合地面5G網(wǎng)絡協(xié)議。手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)可將地面移動通信與衛(wèi)星融合，實現(xiàn)全球覆蓋，即使發(fā)生地震、海嘯等自然災害，通信也能保持較高的可用性和魯棒性。隨著手機直連衛(wèi)星技術的發(fā)展，除了地面移動通信系統(tǒng)會接入手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)，未來極低地球軌道衛(wèi)星、高空平臺、無人機也有可能會接入手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)，因此需要研究支持多樣化異構網(wǎng)絡接入、多星分布式協(xié)同MIMO、多平臺分布式協(xié)同MIMO等技術。
手機直連衛(wèi)星是未來6G物理世界的基礎。6G要實現(xiàn)“人聯(lián)、物聯(lián)、萬物智聯(lián)”，需要一個全球覆蓋的網(wǎng)絡，手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)可實現(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、[敏感詞]定位等能力，成為6G網(wǎng)絡的重要組成部分。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。
4 結束語
隨著衛(wèi)星系統(tǒng)建設成本降低、載荷關鍵技術突破、商業(yè)航天快速發(fā)展的多重作用，手機直連衛(wèi)星變成了現(xiàn)實，SpaceX公司和AST公司均已發(fā)射了能夠實現(xiàn)存量手機直連的衛(wèi)星，華為、蘋果等公司利用手機終端技術創(chuàng)新實現(xiàn)了偏遠地區(qū)的人們能夠隨時發(fā)送短消息或者語音通話，在NTN體制標準上持續(xù)研究促進手機直連衛(wèi)星發(fā)展。手機直連衛(wèi)星將衛(wèi)星系統(tǒng)與地面移動通信系統(tǒng)結合，利用衛(wèi)星系統(tǒng)的全球覆蓋特點，解決地面移動通信系統(tǒng)無法覆蓋偏遠和人口稀少地區(qū)的問題，推動了天、空、地一體化通信的發(fā)展。手機直連衛(wèi)星是未來6G通信的基礎，通過解決立體組網(wǎng)一體化架構、終端一體化、頻率一體化等若干關鍵技術，將實現(xiàn)天、空、地的萬物智聯(lián)。
宋艷軍（1983-），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為低軌衛(wèi)星通信、衛(wèi)星載荷 。
肖永偉（1976-），男，中國電子科技集團公司第五十四研究所高級工程師，主要研究方向為低軌衛(wèi)星通信、低軌體制協(xié)議 。
孫晨華（1964-），女，中國電子科技集團公司第五十四研究所正高級工程師，主要研究方向為衛(wèi)星通信、天基網(wǎng)絡協(xié)議、天基網(wǎng)絡融合 。
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