手機(jī)直連衛(wèi)星是指手機(jī)或手持類終端不需要地面中轉(zhuǎn)設(shè)備，直接與衛(wèi)星連接實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或進(jìn)行通信的技術(shù)。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，直連衛(wèi)星的手機(jī)也包括傳統(tǒng)專用衛(wèi)星手機(jī)。由于專用衛(wèi)星手機(jī)往往體積大、重量大且配置外置天線，不便于用戶攜帶，未在消費(fèi)者群體中獲得大范圍的推廣應(yīng)用。近期國(guó)內(nèi)外發(fā)展得如火如荼的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)與傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話技術(shù)最大的區(qū)別是，手機(jī)是普通消費(fèi)級(jí)的終端，可將使用最廣泛的手機(jī)終端與覆蓋范圍最大的衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)緊密結(jié)合，具有極大的使用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用場(chǎng)景，代表了未來(lái)手機(jī)直連衛(wèi)星終端形態(tài)的發(fā)展趨勢(shì)。手機(jī)直連衛(wèi)星作為面向未來(lái)的通信技術(shù)，已成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)之后的又一個(gè)全球關(guān)注的熱點(diǎn)。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)并非突然井噴式發(fā)展，而是經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)時(shí)間的技術(shù)積淀。自 1998 年美國(guó)銥星系統(tǒng)開通首個(gè)衛(wèi)星手機(jī)業(yè)務(wù)以來(lái)，陸續(xù)建設(shè)的 Globalstar、Thuraya、海事衛(wèi)星以及我國(guó)的天通一號(hào)等衛(wèi)星通信系統(tǒng)均支持專用衛(wèi)星手持終端直連衛(wèi)星進(jìn)行通話。這些系統(tǒng)發(fā)展初期與地面蜂窩系統(tǒng)相互獨(dú)立，費(fèi)用較為昂貴，無(wú)法形成與地面蜂窩移動(dòng)通信相似的規(guī)模效應(yīng)，發(fā)展較為緩慢。為了有效拓展地面手機(jī)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍，陸續(xù)出現(xiàn)了可供普通手機(jī)直接連接衛(wèi)星的手機(jī)殼以及集成衛(wèi)星通信和蜂窩通信的雙模手機(jī)。為了保證可靠的衛(wèi)星通信，上述終端均配置了外置衛(wèi)星天線，體積小、重量較輕，但也未能在消費(fèi)者中廣泛推廣。

　　近年來(lái)，研究人員開始研究面向未來(lái)的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)。新一代的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)要求通信速率大，手機(jī)終端重量輕、體積小、功耗低、內(nèi)置天線，并且集成衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信，目前得到衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商、地面移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商、終端制造商和衛(wèi)星制造商等各方面的關(guān)注。

　　目前手機(jī)直連衛(wèi)星有多種技術(shù)路線，按照運(yùn)營(yíng)商進(jìn)行分類，分為以衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商為主體的技術(shù)路線和以地面移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商為主體的技術(shù)路線；按照終端與衛(wèi)星體制進(jìn)行分類，分為使用定制手機(jī)終端和傳統(tǒng)移動(dòng)通信衛(wèi)星、使用現(xiàn)有手機(jī)終端和星載基站以及采用3GPP標(biāo)準(zhǔn)的天地融合體制手機(jī)終端合一的3種技術(shù)路線；按照衛(wèi)星軌道使用情況進(jìn)行分類，分為使用同步軌道（GSO）衛(wèi)星和非同步軌道（NGSO）衛(wèi)星的技術(shù)路線。本文重點(diǎn)研究了使用不同軌道衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的組成架構(gòu)、技術(shù)挑戰(zhàn)、關(guān)鍵技術(shù)與解決方案。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星涉及傳統(tǒng)衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)和地面移動(dòng)通信運(yùn)營(yíng)商業(yè)務(wù)。目前國(guó)內(nèi)外已形成產(chǎn)業(yè)鏈上下游多家公司加強(qiáng)合作的局面，表1展示了典型合作案例。

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　　基于 GSO 衛(wèi)星的技術(shù)路線較為成熟，也是當(dāng)前手機(jī)直連衛(wèi)星主流商用路線 月，華為公司發(fā)布基于天通一號(hào)衛(wèi)星的Mate60 Pro衛(wèi)星通信手機(jī)，支持衛(wèi)星語(yǔ)音通話。中國(guó)電信積極開展手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)研究：一方面參與天通一號(hào)衛(wèi)星的運(yùn)營(yíng)，并開展相關(guān)業(yè)務(wù)系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應(yīng)用，如與華為、榮耀、小米等手機(jī)終端廠商合作，實(shí)現(xiàn)普通消費(fèi)級(jí)手機(jī)直連衛(wèi)星語(yǔ)音和低速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)；另一方面，還積極開展基于 5G 非地面網(wǎng)絡(luò)（Non-Terrestrial Network, NTN）手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)研究。

　　在專用芯片研究方面，聯(lián)發(fā)科技開發(fā)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）芯片通過(guò)Inmarsat的Alphasat高軌衛(wèi)星完成測(cè)試，證明通過(guò)小幅修改便可讓移動(dòng)通信技術(shù)有效地運(yùn)行于地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛(wèi)星，為衛(wèi)星和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的整合奠定基礎(chǔ)。2023 年聯(lián)發(fā)科技開發(fā)了MT6825 物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡(luò)（Internet of Things Non-Terrestrial Network, IoT-NTN）芯片組，可連接GEO衛(wèi)星，易于轉(zhuǎn)換為3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)使用。我國(guó)的平臺(tái)型芯片設(shè)計(jì)公司紫光展銳于 2023 年 7 月發(fā)布了 5G NTN 衛(wèi)星通信通用系統(tǒng)級(jí)芯片（System on Chip, SoC） V8821。V8821基于3GPP NTN R17標(biāo)準(zhǔn)，利用IoT-NTN作為基礎(chǔ)設(shè)施，易與地面核心網(wǎng)融合。V8821可通過(guò)海事衛(wèi)星或天通一號(hào)衛(wèi)星，提供數(shù)據(jù)傳輸、文字消息、通話和位置共享等功能。

　　2022 年蘋果公司與 Globalstar 合作，利用 Globalstar的衛(wèi)星為蘋果手機(jī)提供緊急SOS信息傳輸服務(wù)。Globalstar的定位是一個(gè)衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)解決商，其衛(wèi)星通信主要使用S頻段的2.4 GHz頻段和n53頻段。

　　2022年9月AST SpaceMobile發(fā)射了BlueWalker-3試驗(yàn)衛(wèi)星，其目標(biāo)是無(wú)須任何地面設(shè)備，為用戶手機(jī)提供直接的4G和5G互聯(lián)網(wǎng)接入。如圖1所示，為了與地面標(biāo)準(zhǔn)移動(dòng)電話達(dá)到可靠的連接，BlueWalker-3衛(wèi)星配備了展開面積達(dá) 64m2 的超大相控陣天線陣列?；贐lueWalker-3 衛(wèi)星，2023 年 9 月 ASTS 與電信運(yùn)營(yíng)商AT＆T、沃達(dá)豐等實(shí)現(xiàn)5G通線 BlueWalker-3試驗(yàn)衛(wèi)星配備的天線

　　Lynk Global公司發(fā)起的Lynk低軌衛(wèi)星星座項(xiàng)目計(jì)劃通過(guò)5 000多顆低軌（LEO）衛(wèi)星為現(xiàn)有手機(jī)終端提供直連衛(wèi)星通信服務(wù)，無(wú)須用戶購(gòu)買額外的附件。2020年2月，Lynk Global通過(guò)試驗(yàn)衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)了“使用在軌衛(wèi)星向地面標(biāo)準(zhǔn)手機(jī)發(fā)送了世界上第一條短信”。同年 9月Lynk Global公司獲得由FCC頒布的衛(wèi)星到手機(jī)通信商業(yè)許可。

　　SpaceX 公司擬基于星鏈（Starlink）星座提供手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)。為支持手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)，SpaceX 使用Starlink V2衛(wèi)星在搭載Ku及Ka頻段通信載荷、星間激光鏈路的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)用于手機(jī)直連的面積為 25 m2的陣列天線。Starlink V2衛(wèi)星的天線單元具有大孔徑、高增益、窄波束的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)指定區(qū)域的精準(zhǔn)覆蓋，但是單副天線月，SpaceX 發(fā)射了首批 6 顆支持手機(jī)直連衛(wèi)星的Starlink V2 Mini衛(wèi)星，用未經(jīng)改造的手機(jī)測(cè)試通信速率約達(dá)到17 Mbit/s。

　　Omnispace 公司致力于建立一個(gè)衛(wèi)星星座，使各種移動(dòng)智能設(shè)備能夠在蜂窩網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間漫游，相關(guān)技術(shù)遵循 3GPP NTN 標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。為此，其從ICOGlobal購(gòu)買了ICO-F2衛(wèi)星和2 GHz S頻段的頻譜許可。2023年2月，Omnispace和Ligado Networks聯(lián)手創(chuàng)建最大的許可衛(wèi)星頻譜組合，用于全球直接到設(shè)備的語(yǔ)音、文本和數(shù)據(jù)連接，擴(kuò)展了Omnispace公司在L頻段的通信許可。

　　“九游娛樂(lè)的游戲攻略有哪些？”

　　2023年9月，中國(guó)移動(dòng)攜手中興通訊和是德科技完成國(guó)內(nèi)首次運(yùn)營(yíng)商N(yùn)R-NTN LEO衛(wèi)星寬帶業(yè)務(wù)實(shí)驗(yàn)室驗(yàn)證。2024年2月，中國(guó)移動(dòng)發(fā)射了搭載星載基站的衛(wèi)星中國(guó)移動(dòng) 01 星，將在現(xiàn)實(shí)條件下進(jìn)行基于星上再生模式的手機(jī)直連 LEO 衛(wèi)星技術(shù)測(cè)試，該基站載荷基于 3GPP R17 NR-NTN標(biāo)準(zhǔn)。

　　從以上國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，我國(guó)目前主要發(fā)展的是基于高軌衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)，這得益于我國(guó)天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)儲(chǔ)備的技術(shù)基礎(chǔ)，可以快速實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的推廣應(yīng)用。近些年國(guó)外則更傾向于發(fā)展基于中軌（MEO）和LEO衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)，以提供更高速率的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)，該技術(shù)路線目前挑戰(zhàn)巨大，短時(shí)間內(nèi)難以實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)的推廣應(yīng)用。我國(guó)在基于NGSO衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)方面仍處于初步探索階段。

　　空間段包括同步軌道或非同步軌道衛(wèi)星，其中同步軌道衛(wèi)星一般僅需要配置較少數(shù)量，而非同步軌道衛(wèi)星則由多層不同軌道高度和傾角的衛(wèi)星構(gòu)成規(guī)模龐大的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星可采用透明載荷轉(zhuǎn)發(fā)或者星上處理后轉(zhuǎn)發(fā)的模式，星間采用微波鏈路或者激光鏈路轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，擴(kuò)展用戶的通信范圍。

　　用戶段主要是指用戶終端設(shè)備，通常需要與所連接衛(wèi)星系統(tǒng)適配，包括各種經(jīng)過(guò)專門改造的手機(jī)終端和普通手機(jī)終端。

　　地面段包括測(cè)控站、運(yùn)維管理中心、數(shù)據(jù)中心、地面基站設(shè)備以及連接核心網(wǎng)的設(shè)備。測(cè)控站和運(yùn)維管理中心負(fù)責(zé)衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)、星座、數(shù)據(jù)、運(yùn)營(yíng)等的管理；信關(guān)站、地面基站設(shè)備以及連接核心網(wǎng)的設(shè)備負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)的接入并連接核心網(wǎng)。

　　當(dāng)前從使用衛(wèi)星的角度來(lái)看，手機(jī)直連衛(wèi)星可分為基于GSO衛(wèi)星和基于NGSO衛(wèi)星兩種技術(shù)路線?；贕SO衛(wèi)星的技術(shù)路線源于衛(wèi)星移動(dòng)通信，技術(shù)相對(duì)比較成熟，只需要克服少量的困難便可快速實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)拓展、擴(kuò)大用戶群體。基于NGSO衛(wèi)星的技術(shù)路線相對(duì)而言面臨更多的技術(shù)挑戰(zhàn)。下面將從空口側(cè)、衛(wèi)星側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)4個(gè)方面，結(jié)合GSO和NGSO技術(shù)路線的特點(diǎn)分析手機(jī)直連衛(wèi)星相關(guān)技術(shù)挑戰(zhàn)，具體見表2。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)空口側(cè)主要面臨信道特性復(fù)雜、誤碼率高和星地精準(zhǔn)同步的挑戰(zhàn)?；?LEO 衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)在信道特性和星地同步方面面臨更大的挑戰(zhàn)。

　　星地信道面臨大尺度衰落和小尺度衰落兩種不同的衰落特性。大尺度衰落以大氣吸收、雨衰和地物損耗為代表，小尺度衰落以多普勒頻移、多徑傳播、閃爍效應(yīng)為代表。衛(wèi)星信號(hào)的傳播會(huì)受到降雨、云霧、大氣以及手機(jī)終端附近的植被或建筑物等多種因素的影響，一方面造成了信道衰減的增加，另一方面也使得其信道特性更加復(fù)雜。此外，衛(wèi)星信號(hào)質(zhì)量變化相對(duì)較快，這對(duì)信號(hào)的傳輸和處理帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)，進(jìn)而影響星地?zé)o線通信系統(tǒng)的性能。

　　傳統(tǒng)手機(jī)終端與地面基站距離近，終端的移動(dòng)性是產(chǎn)生多普勒頻移的主要因素，因此多普勒頻移較小。同理，GSO衛(wèi)星動(dòng)態(tài)性小，多普勒頻移影響也相對(duì)較小[17]。由于NGSO衛(wèi)星相對(duì)地面高速運(yùn)動(dòng)，引起的多普勒頻移達(dá)幾十kHz至MHz級(jí)別，因此，手機(jī)終端與NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)之間的頻率同步存在較大的困難，尤其是與LEO衛(wèi)星之間。假設(shè)衛(wèi)星工作在 2 GHz 頻段，在距離地面500 km處以約7.6 km/h的速度運(yùn)動(dòng)，則衛(wèi)星運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移近48 kHz，遠(yuǎn)超現(xiàn)有5G通信技術(shù)體制的適應(yīng)范圍[18-19]。

　　在頻率使用方面，當(dāng)前基于 GSO 衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星一般使用移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)（MSS）頻段?；?LEO 衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星，有采用傳統(tǒng)移動(dòng)衛(wèi)星服務(wù)頻段的方案，也有采用地面移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商通信頻段的方案。采用地面移動(dòng)通信的頻段，不符合國(guó)際電信聯(lián)盟現(xiàn)行規(guī)則[20]。采用這種頻率使用方案，首先，因地面移動(dòng)通信與手機(jī)直連LEO衛(wèi)星采用相同的頻段，如何避免對(duì)頻段內(nèi)原有合法用戶的有害干擾，該方面的研究較為薄弱；其次，缺乏國(guó)際電信聯(lián)盟統(tǒng)一的頻率劃分和保護(hù)，手機(jī)直連衛(wèi)星之間頻率沖突現(xiàn)象突出，頻率兼容和頻譜共享難度大。當(dāng)前國(guó)際電信聯(lián)盟已經(jīng)就手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)可使用的頻譜問(wèn)題開展了研究[21]。

　　由于兩個(gè)方案的星地鏈路距離的巨大差異，在通信時(shí)延方面二者也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別。基于 GSO 衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星方案由于星地距離較遠(yuǎn)，星地通信時(shí)延也相對(duì)較高，終端-衛(wèi)星-終端通信時(shí)延約為270 ms[22]。基于LEO衛(wèi)星的時(shí)延通常在50 ms以內(nèi)，如OneWeb星座通信時(shí)延約為30 ms，Starlink的通信時(shí)延不大于20 ms[6]。

　　當(dāng)前基于 GSO 衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)主要用于滿足語(yǔ)音和短消息的需求，相比NGSO衛(wèi)星實(shí)現(xiàn)更高速率通信的代價(jià)更大，費(fèi)效比低。典型代表有Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)等。由于星地超大鏈路損耗，在衛(wèi)星天線和功率受限的條件下，手機(jī)直連衛(wèi)星通信速率為kbit/s級(jí)別。如天通一號(hào)衛(wèi)星移動(dòng)通信系統(tǒng)的外置天線專用衛(wèi)星手機(jī)終端通信速率一般為1.2 kbit/s、2.4 kbit/s、4.0 kbit/s，滿足該通信速率要求的星載大天線設(shè)計(jì)相對(duì)較為成熟。與基于 GSO 的衛(wèi)星相比， NGSO 衛(wèi)星星座由于可以多顆衛(wèi)星同時(shí)為多個(gè)用戶提供服務(wù)，并且NGSO衛(wèi)星距離用戶終端更近，鏈路損耗相對(duì)較小，在天線能力和功耗同等的條件下能提供更高的通信速率。因此基于NGSO衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)未來(lái)主要用于滿足寬帶通信業(yè)務(wù)的需求。當(dāng)前NGSO衛(wèi)星平臺(tái)承載能力相對(duì)較弱，在手機(jī)終端能力受限的條件下，存在鏈路預(yù)算不足的問(wèn)題[23]，必須極大幅度地提高衛(wèi)星載荷的發(fā)射和接收能力[24]。這意味著必須增大天線尺寸和波束數(shù)量。這將帶來(lái)以下挑戰(zhàn)：一是天線尺寸增大帶來(lái)功耗和重量劇增的挑戰(zhàn)，需要輕量化、低損耗、高集成的星載射頻前端；二是對(duì)于超大規(guī)模的陣列，模擬波束網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，特別是在多波束應(yīng)用中，隨著波束數(shù)量的上升，網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度急劇增加，大口徑相控陣的模擬波束成形網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)難度非常大。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)側(cè)涉及地面電信運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商通信網(wǎng)絡(luò)。由于前期地面電信運(yùn)營(yíng)商與衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商獨(dú)立發(fā)展，二者分別建立的通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、標(biāo)準(zhǔn)體制、特征參數(shù)等方面存在較大差異，因此需要在網(wǎng)絡(luò)認(rèn)證鑒權(quán)、業(yè)務(wù)漫游等方面進(jìn)行新的適配研究。除上述地面電信運(yùn)營(yíng)商和衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商獨(dú)立發(fā)展通信網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)側(cè)技術(shù)融合互聯(lián)的手機(jī)直連衛(wèi)星方式外，還存在基于3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)星地共同演進(jìn)建設(shè)，以及在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中使用現(xiàn)有地面網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的方式。當(dāng)前3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范仍在進(jìn)一步研究中，而衛(wèi)星側(cè)采用地面網(wǎng)絡(luò)的方式的性能仍需進(jìn)一步測(cè)試驗(yàn)證。不管是針對(duì)哪種方式，如果衛(wèi)星不能星間組網(wǎng)，在全球部署時(shí)都需要部署大量的信關(guān)站，部署和運(yùn)營(yíng)成本將急劇增加。

　　基于GSO衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)終端側(cè)主要面臨手機(jī)終端小型化與鏈路預(yù)算不足的挑戰(zhàn)。GSO衛(wèi)星和NGSO衛(wèi)星由于星地距離相差巨大，星地空間自由損失也相差很大。在通信信號(hào)頻率為2 GHz時(shí)，GSO衛(wèi)星到地面的信號(hào)損失高達(dá)189.54 dB，而LEO衛(wèi)星（以軌道高度500 km計(jì)算）到地面的信號(hào)損失約為152.45 dB，鏈路損耗差約37 dB。在使用超大星載天線后，基于NGSO衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)終端側(cè)可采用消費(fèi)者現(xiàn)有普通手機(jī)終端，終端側(cè)基本不涉及重大技術(shù)挑戰(zhàn)。消費(fèi)者使用的普通手機(jī)連接地面基站，信號(hào)的傳輸距離一般是幾千米，考慮到電磁和輻射標(biāo)準(zhǔn)、功耗、內(nèi)部空間大小等因素，內(nèi)置天線功率并不高；若與 GSO 衛(wèi)星直連，信號(hào)需傳輸數(shù)萬(wàn)千米，鏈路損耗較大，需考慮在手機(jī)內(nèi)置大功率天線。若基于現(xiàn)有衛(wèi)星并改造手機(jī)終端實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星，需要在手機(jī)終端內(nèi)置衛(wèi)星通信專用模塊。如何在有限的空間內(nèi)將基帶、射頻處理、功率放大器、濾波器以及衛(wèi)星模塊高密度集成并降低功耗、增加散熱，將是在手機(jī)終端小型化中面臨的挑戰(zhàn)。

　　針對(duì)手機(jī)直連衛(wèi)星存在的技術(shù)挑戰(zhàn)，下面將從空口側(cè)、衛(wèi)星側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)、終端側(cè)4個(gè)方面分別對(duì)相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

　　針對(duì)星地信道特性復(fù)雜、傳輸誤碼率高的挑戰(zhàn)，可考慮采用混合自動(dòng)重傳請(qǐng)求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）技術(shù)提高無(wú)線通信系統(tǒng)性能。HARQ結(jié)合了自動(dòng)重傳請(qǐng)求（ARQ）和前向糾錯(cuò)（Forward Error Correction, FEC）兩種技術(shù)，在增強(qiáng)數(shù)據(jù)傳輸可靠性、提高系統(tǒng)吞吐量的同時(shí)降低通信時(shí)延。然而，在手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)的應(yīng)用背景下，星地鏈路具有更高的傳輸時(shí)延，這增加了HARQ機(jī)制的復(fù)雜性，可以考慮以下解決方案。

　?。?）優(yōu)化HARQ的重傳策略，使其能夠有效處理高時(shí)延的情況。例如，可以根據(jù)信道質(zhì)量的變化情況自適應(yīng)調(diào)整重傳次數(shù)，在信道質(zhì)量較好時(shí)減少重傳次數(shù)，在信道條件較差時(shí)增加重傳次數(shù)。

　?。?）混合使用ARQ和FEC技術(shù)，在傳輸過(guò)程中先嘗試通過(guò)FEC進(jìn)行糾錯(cuò)，如果失敗再進(jìn)行ARQ重傳。

　　首先利用主同步信號(hào)（Primary Synchronization Signal, PSS）序列的時(shí)頻特性，在本地生成 2N+1 組帶有整數(shù)倍頻偏的PSS時(shí)域序列組，每組包含3個(gè)不同索引號(hào)的PSS時(shí)域序列，將所有這些PSS序列分別與接收到的信號(hào)進(jìn)行滑動(dòng)互相關(guān)，估算出PSS序列的起始位置，并且判斷出最大相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的本地PSS序列索引號(hào)，確定扇區(qū)ID。所設(shè)計(jì)算法檢測(cè)度量函數(shù)如下

　　其中，r(n)為接收信號(hào)，為本地PSS序列，idx為扇區(qū) ID 值，icfo為整數(shù)倍頻偏值，L 表示單個(gè)子幀內(nèi)PSS的采樣點(diǎn)長(zhǎng)度。通過(guò)接收序列與2N+1個(gè)本地PSS副本組進(jìn)行滑動(dòng)相關(guān)，當(dāng)最大相關(guān)峰值大于預(yù)設(shè)判決門限時(shí)，得到最大的相關(guān)峰值所對(duì)應(yīng)的位置偏移d作為接收到時(shí)域數(shù)據(jù)的定時(shí)點(diǎn)，相關(guān)性最大的本地PSS序列所對(duì)應(yīng)的扇區(qū)ID值和整數(shù)倍頻偏值即為接收序列的扇區(qū)ID值和整數(shù)倍頻偏值。

　　PSS定時(shí)偏移估計(jì)以及整數(shù)倍頻偏估計(jì)完成后，利用時(shí)域的本地 PSS 序列共軛點(diǎn)乘接收到的時(shí)域 PSS 符號(hào)，再分成兩部分分別求和，最后估計(jì)頻偏大小

　　其中，為第i副天線接收到的PSS序列，為本地生成的PSS序列共軛，N為正交頻分復(fù)用（OFDM）符號(hào)FFT樣點(diǎn)長(zhǎng)度。如果接收為2副天線，相關(guān)運(yùn)算結(jié)果合并為C=C1+C2 ，也可以多個(gè) PSS 信號(hào)聯(lián)合估計(jì)，由此計(jì)算歸一化小數(shù)倍頻偏，從而實(shí)現(xiàn)初始同步。

　　在星載天線波束成形中采用數(shù)字波束成形。采用數(shù)字器件，在單元/子陣上對(duì)信號(hào)數(shù)字化，波束的幅度與相位控制在數(shù)字域?qū)崿F(xiàn)。數(shù)字波束成形可采用天線本地成形方式，信號(hào)通過(guò)光纖與艙內(nèi)基帶處理器相連，基帶處理器從頂層對(duì)全陣多副子天線的波束掃描控制、信號(hào)路由進(jìn)行調(diào)度，每副子天線可以在獨(dú)立掃描、波束匯聚、蜂窩模式、重構(gòu)窄波束之間切換使用。除了天線本地的波束成形外，通過(guò)光纖互聯(lián)到基帶處理器的信號(hào)，還可以選擇若干副相鄰的子天線，乃至全部天線進(jìn)一步合成，合成以后等同于采用更大口徑、更高增益的天線，該合成可在基帶處理器上實(shí)現(xiàn)。為了提高星地鏈路預(yù)算，可以考慮采用分布式天線陣列，由多顆衛(wèi)星的天線陣波形疊加，實(shí)現(xiàn)分布式波束成形。

　　傳統(tǒng)手機(jī)基站由天線、遠(yuǎn)端射頻模塊（Remote Radio Unit, RRU）、光纖、基帶處理單元（Base Band Unit, BBU）、機(jī)房等部分組成。其中5G基站中，BBU的非實(shí)時(shí)部分被分離出來(lái)，定義為集中式單元（Centralized Unit, CU），負(fù)責(zé)處理非實(shí)時(shí)協(xié)議和服務(wù)，BBU 的其他部分作為分布式單元（Distributed Unit, DU），負(fù)責(zé)處理物理層協(xié)議和實(shí)時(shí)服務(wù)。BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無(wú)源天線合并為大規(guī)模有源天線單元（Active Antenna Unit, AAU）。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)可以考慮將基站部署到衛(wèi)星上，實(shí)現(xiàn)直連衛(wèi)星用戶和地面基站用戶接入同一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，減少網(wǎng)絡(luò)時(shí)延?？梢钥紤]將實(shí)時(shí)性要求高的業(yè)務(wù)接入和信令處理部分部署在衛(wèi)星載荷上，將網(wǎng)絡(luò)控制、資源配置部分放置在地面?zhèn)?。如?G基站的DU等部分部署在衛(wèi)星載荷上，將 CU、AAU 部分部署在地面?zhèn)取］p量化的載荷可以降低制造和發(fā)射成本，便于手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)的快速推廣應(yīng)用。

　　一是星地網(wǎng)絡(luò)融合：實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星核心網(wǎng)絡(luò)與地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)國(guó)際信令節(jié)點(diǎn)鏈路直通。在 No.7 信令國(guó)際網(wǎng)間結(jié)算（iSTP）節(jié)點(diǎn)及其網(wǎng)關(guān)側(cè)，優(yōu)化和配置衛(wèi)星核心網(wǎng)媒體網(wǎng)關(guān)（Media Gateway, MGW）的信令代碼、移動(dòng)交換中心/拜訪位置寄存器（MSC/VLR）的GT（Global Title）碼，確保漫游用戶在被叫場(chǎng)景下正確地路由和尋址。

　　二是信令轉(zhuǎn)換：衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動(dòng)通信系統(tǒng)可能在信令方面存在區(qū)別，需要開展信令轉(zhuǎn)換技術(shù)研究。例如衛(wèi)星側(cè)采用 3G 寬帶碼分多址接入（Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA）移動(dòng)應(yīng)用部分（Mobile Application Part, MAP）信令協(xié)議，而地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用 C-MAP 信令協(xié)議。此時(shí)需研究基于 GC 網(wǎng)關(guān)實(shí)現(xiàn)G-MAP/C-MAP協(xié)議轉(zhuǎn)換，確保異構(gòu)網(wǎng)絡(luò)控制信息正確地翻譯握手。

　　三是業(yè)務(wù)信令優(yōu)化：優(yōu)化手機(jī)終端的SIM（eSIM）卡識(shí)別流程、入網(wǎng)鑒權(quán)流程以及通信業(yè)務(wù)信令流程。最終實(shí)現(xiàn)地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶以漫游形式駐留衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)，發(fā)起和接收衛(wèi)星語(yǔ)音、短信業(yè)務(wù)。

　　在傳統(tǒng)漫游組網(wǎng)方式下，存在漫入網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商不能自主掌控漫游用戶和運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)的問(wèn)題，因此需要研究衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)二次鑒權(quán)認(rèn)證技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)來(lái)自地面移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)用戶衛(wèi)星業(yè)務(wù)訂購(gòu)權(quán)限的管控。通過(guò)在衛(wèi)星核心網(wǎng)增加用戶歸屬方漫游碼號(hào)權(quán)限表，記錄用戶歸屬方碼號(hào)、用戶ID（來(lái)源于用戶歸屬方用戶關(guān)系管理系統(tǒng)）和業(yè)務(wù)權(quán)限（語(yǔ)音、短信），并以此數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)實(shí)現(xiàn)漫游業(yè)務(wù)二次鑒權(quán)。

　　星地融合的電路域 IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）語(yǔ)音解決方案主要是通過(guò)制定新的IMS應(yīng)用協(xié)議棧，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)與全I(xiàn)P化地面移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的協(xié)議轉(zhuǎn)換、信令互通和媒體流互通，完成衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡(luò)用戶的互聯(lián)互通。

　　由于手機(jī)的輕薄化設(shè)計(jì)需求，手機(jī)內(nèi)部各組件高度緊湊、集成化，新增衛(wèi)星天線將使得手機(jī)內(nèi)部空間更加緊張，因此考慮天線共形設(shè)計(jì)，甚至天線與手機(jī)邊框結(jié)構(gòu)共形。在設(shè)計(jì)天線時(shí)，極化損耗也是必須考慮的因素。極化損耗一般發(fā)生在收發(fā)信號(hào)極化不匹配的情況下，如當(dāng)線性極化天線接收?qǐng)A極化天線信號(hào)時(shí)，會(huì)發(fā)生極化損耗。由于圓極化波可以有效減少雨霧天氣對(duì)電磁波傳輸?shù)挠绊?，因此衛(wèi)星通信常用的是圓極化波，而地面移動(dòng)通信手機(jī)天線采用線性極化方式。當(dāng)線性極化天線接收?qǐng)A極化天線%的信號(hào)功率會(huì)因?yàn)闃O化損耗而無(wú)法傳遞到接收天線。該損失在手機(jī)終端這種小型化、能量受限、功率受限的應(yīng)用背景下必須克服。因此，提出一種雙線性極化天線定向擬合圓極化技術(shù)。該技術(shù)采用一個(gè)3 dB電橋耦合器對(duì)內(nèi)嵌于手機(jī)的兩個(gè)正交雙頻線性極化天線饋電，同時(shí)在高頻段和低頻段形成兩個(gè)等幅相位正交的激勵(lì)，實(shí)現(xiàn)多天線圓極化定向擬合，仿線所示。

　　手機(jī)終端內(nèi)部板載元器件布局緊湊，增加衛(wèi)星通信模塊勢(shì)必也會(huì)增加空間的大幅度占用。因此需通過(guò)改進(jìn)工藝制程，將多個(gè)模塊集成到一個(gè)SoC上。具體而言，包括如下技術(shù)：一是通過(guò)提高工藝制程，將基帶、射頻、存儲(chǔ)等集成到一個(gè)SoC上，解決芯片小型化問(wèn)題；二是采用微控制單元+數(shù)字信號(hào)處理器+專用集成電路（MCU+DSP+ ASIC）的低功耗可重構(gòu)SoC架構(gòu)，解決軟件可重構(gòu)問(wèn)題。

　　由于手機(jī)終端的高度集成，為了避免在使用過(guò)程中器件發(fā)熱累積而導(dǎo)致性能下降，影響用戶體驗(yàn)，甚至損壞硬件，散熱設(shè)計(jì)也成為一個(gè)必須重點(diǎn)考慮的問(wèn)題?？紤]使用更加先進(jìn)、高效、穩(wěn)定的均熱板（Vapor Chamber, VC）液冷散熱技術(shù)，其散熱原理如圖5所示。相較于傳統(tǒng)的散熱方式，VC 液冷散熱技術(shù)具有更高的散熱效率和更快的響應(yīng)速度。具體解決思路如下。

　?。?）手機(jī)散熱分析：采用紅外測(cè)溫和溫度傳感器相結(jié)合的方式，對(duì)手機(jī)終端在高負(fù)載工作情況下的溫度分布進(jìn)行測(cè)量和分析，確定實(shí)際散熱需求和優(yōu)化效果。

　?。?）散熱材料研究：研究和開發(fā)適合 VC 液冷的材料，提高到熱效率和散熱效果，確保手機(jī)終端長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作。

　　手機(jī)直連衛(wèi)星作為未來(lái)天地一體化融合的典型場(chǎng)景和技術(shù)手段，得到了國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注，新的研究和實(shí)踐不斷出現(xiàn)。本文針對(duì)基于不同軌道衛(wèi)星的手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)進(jìn)行研究，總結(jié)了手機(jī)直連衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了空口側(cè)、衛(wèi)星側(cè)、網(wǎng)絡(luò)側(cè)和終端側(cè)面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)，提出了相應(yīng)的關(guān)鍵技術(shù)及解決方案，為未來(lái)手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展提供了技術(shù)支撐。需要注意的是，盡管手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展火熱且具有廣闊的應(yīng)用前景，但其并不能取代地面移動(dòng)通信的地位，而僅是作為地面移動(dòng)通信的有效補(bǔ)充，以實(shí)現(xiàn)通信廣域覆蓋、解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋匱乏區(qū)域的通信難題。此外，鑒于當(dāng)前階段手機(jī)直連衛(wèi)星在技術(shù)上仍面臨諸多巨大挑戰(zhàn)，全面商業(yè)化還有一定的距離，產(chǎn)業(yè)鏈上各廠商和科研院所需要逐步推進(jìn)相關(guān)的研究工作，加大相關(guān)技術(shù)創(chuàng)新，以推動(dòng)手機(jī)直連衛(wèi)星通信的大規(guī)模應(yīng)用。