手机直连卫星NTN通信初步研究

1、手机直连卫星之序幕

NTN%E5%8F%8A%E5%85%B6%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84-toc" style="margin-left:0px;">2、卫星NTN及其网络架构

NTN-toc" style="margin-left:40px;">2.1 NTN

NTN%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84-toc" style="margin-left:40px;">2.2 NTN网络架构

NTN%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B-toc" style="margin-left:0px;">3、NTN的3GPP标准化进程

NTN%E9%9C%80%E8%A6%81%E9%80%82%E5%BA%94%E7%9A%84%E7%89%B9%E6%80%A7-toc" style="margin-left:40px;">3.1 NTN需要适应的特性

NTN%E9%A2%91%E6%AE%B5%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0%20%C2%A0-toc" style="margin-left:40px;">3.2 NTN频段

NTN%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E6%A6%82%E5%86%B5-toc" style="margin-left:40px;">3.3 NTN的3GPP标准化进程概况

NTN%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E7%9A%84%E8%AF%A6%E6%83%85-toc" style="margin-left:40px;">3.4 NTN的3GPP标准化进程的详情

NTN-toc" style="margin-left:80px;">3.4.1 NR-NTN

NTN%20%E7%9A%84%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0-toc" style="margin-left:120px;">3.4.1.1 NTN 的无线相关 SI/WI

NTN%20%E7%9A%84%E7%B3%BB%E7%BB%9F%2F%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0-toc" style="margin-left:120px;">3.4.1.2 NTN 的系统/核心网络相关 SI/WI：

NTN-toc" style="margin-left:80px;">3.4.2 LTE-NTN

NTN%20%E6%8F%90%E4%BE%9B%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91%E6%94%AF%E6%8C%81%E7%9A%84%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0-toc" style="margin-left:120px;">3.4.2.1 NTN 物联网支持的无线相关 SI/WI

NTN%20%E6%8F%90%E4%BE%9B%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91%E6%94%AF%E6%8C%81%E7%9A%84%E7%B3%BB%E7%BB%9F%2F%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0-toc" style="margin-left:120px;">3.4.2.2 NTN 物联网支持的系统/核心网络相关 SI/WI

4、手机直连卫星的模式及优缺点

5、制约手机直连卫星的关键技术

5.1 频率共用技术

5.2 星载天线技术

5.3 星载基站技术

5.4 手机天线技术

6、全球主要卫星星座规划

6.1 SpaceX 星链

6.1.1 传输速率及收费标准

6.1.2 海洋服务详情介绍

6.2 千帆星座

6.3 GW 星座与 Honghu-3 星座计划

7、手机直连卫星之应用前景分析

缩写

参考资料

1、手机直连卫星之序幕

2022年9月6日，华为发布了Mate 50系列手机，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。这揭开了手机直连卫星通信探索的序幕。

2022年9月8日，苹果发布了iPhone14，可以发送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。

2023年3月23日，华为发布了P60系列手机，利用北斗系统星座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。）

2023年8月29日，华为公司正式推出了Mate 60系列手机，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。

……

手机直连卫星通信探索的序幕已拉开，越来越多的手机厂商会逐步支持卫星短信、卫星语音甚至卫星数据业务。卫星通信在手机侧和卫星侧采用的是什么技术，有什么问题或挑战，下面来研究和探索。

NTN%E5%8F%8A%E5%85%B6%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84">2、卫星NTN及其网络架构

NTN">2.1 NTN

跟地面上的网络相比，这种飘在天上的网络就叫做 “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、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN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。

NTN%E7%BD%91%E7%BB%9C%E6%9E%B6%E6%9E%84">2.2 NTN网络架构

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。基站作为地面网络的一部分部署在网关站的后面。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网关站连起来就好。

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，需部署大量网关站。

可再生载荷，又称作基站上星，相当于把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；卫星和网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。

NTN%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B">3、NTN的3GPP标准化进程

NTN%E9%9C%80%E8%A6%81%E9%80%82%E5%BA%94%E7%9A%84%E7%89%B9%E6%80%A7">3.1 NTN需要适应的特性

与地面网络（TN）相比，非地面网络（NTN）具有许多需要适应的特性（见TR 38.811），包括：

·太空/空中飞行器的运动：只有对于地球静止轨道，卫星才能像在地面网络中一样在地球上保持相当稳定。对于LEO和MEO，卫星高速移动，这导致移动的小区模式，更高的多普勒频移/变化，更快的传播延迟变化 - 需要加强波束管理（基于有关卫星的可预测运动（星历）和UE的位置/运动的信息，卫星网络可以知道哪个波束和卫星最好覆盖UE）。

由于移动网元也可能跨越国家边界或覆盖没有领土主张的地区，因此还需要考虑监管方面（见TR 22.926）。

·高度：卫星在比TN基站高得多的高度运行，这导致了更长的延迟（需要考虑到这一点，例如RACH、定时提前、HARQ、功率控制、MAC/RLC），这是由于较大的传播延迟（TN：通常为<1ms;GEO：最多几 100 毫秒），它还会影响链路预算，尤其是在 UL 中，UE 的发射功率受到限制。

·信元大小：NTN网络具有比TN更大的信元大小，这可能导致传播延迟的更大变化，更强的近远效应。

·对流层撞击：6 GHz以上相关;与吸收一样，特别是与较高频率（>10GHz）和低海拔（对流层是大气层的下部;低于~12km）有关。

·电离层影响：6GHz以下相关，反射和吸收效应（也取决于纬度）;（电离层是大气层的上部;在~80公里以上;其中太阳辐射由于电离而产生等离子体层）。

NTN%E9%A2%91%E6%AE%B5%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0%20%C2%A0">3.2 NTN频段

在3GPP中，表1中的NR频段（以及表2中的LTE频段）是将要定义为UE与卫星的NTN通信。

表 1：3GPP 中定义的 NR NTN 卫星频段（参见 TS 38.101-5）：

* 正在讨论中。

NTN%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E6%A6%82%E5%86%B5">3.3 NTN的3GPP标准化进程概况

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%E7%9A%843GPP%E6%A0%87%E5%87%86%E5%8C%96%E8%BF%9B%E7%A8%8B%E7%9A%84%E8%AF%A6%E6%83%85">3.4 NTN的3GPP标准化进程的详情

NTN">3.4.1 NR-NTN

NTN%20%E7%9A%84%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0">3.4.1.1 NTN 的无线相关 SI/WI

NTN%20%E7%9A%84%E7%B3%BB%E7%BB%9F%2F%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0">3.4.1.2 NTN 的系统/核心网络相关 SI/WI：

NTN">3.4.2 LTE-NTN

NTN%20%E6%8F%90%E4%BE%9B%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91%E6%94%AF%E6%8C%81%E7%9A%84%E6%97%A0%E7%BA%BF%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0">3.4.2.1 NTN 物联网支持的无线相关 SI/WI

NTN%20%E6%8F%90%E4%BE%9B%E7%89%A9%E8%81%94%E7%BD%91%E6%94%AF%E6%8C%81%E7%9A%84%E7%B3%BB%E7%BB%9F%2F%E6%A0%B8%E5%BF%83%E7%BD%91%E7%BB%9C%E7%9B%B8%E5%85%B3%20SI%2FWI%EF%BC%9A%C2%A0%C2%A0">3.4.2.2 NTN 物联网支持的系统/核心网络相关 SI/WI

4、手机直连卫星的模式及优缺点

目前，手机直连卫星的技术路线总体来说可以分为两类。一类是沿用现有标准，关键技术取得突破。当前主要的手机直连卫星应用均属于这类技术路线，便于手机直连业务的快速落地，但其或者采用私有协议而无法迅速做大生态链，或者为适应存量手机而增加星载基站的实现难度。第二类是研究制定新标准，技术取得全面突破。这类技术路线是指3GPP已开展的NTN标准制定工作，该标准可以支持手机直连卫星通信，但其关键技术正处于探索阶段，标准规范也正处于讨论完善阶段。手机直连卫星在两种技术路线的框架下分为以下3种主要实现方式。

（1）改手机直连卫星方式。在手机内增加适应卫星体制协议的芯片，使同一部手机中既有适应地面移动通信体制协议的芯片，又有适应卫星体制协议的芯片。采用此种方式的有华为手机+北斗卫星、华为手机+天通卫星、苹果手机+全球星等。此种方式由手机厂商主导，手机厂商为适应卫星能力和体制协议，加大手机终端相关技术投入，促进了手机的芯片、射频、天线等技术进步。随着技术的突破与成熟，越来越多的手机厂商（特别是中国手机厂商）将加入手机改直连卫星方式的阵营。
（2）改卫星直连卫星方式。将地面基站改动后布置在卫星载荷（星载基站）上，直接使用现有的4G手机接入卫星即可完成手机直连卫星通信。实现此种方式的卫星厂商有SpaceX公司的Starlink-V2 mini卫星和AST公司的BlueWalker3卫星等。此种方式由卫星厂商主导，卫星厂商根据低轨卫星的信道特性、运行特点，对地面移动通信协议进行了适应性研究，并移植到星载基站上，推动星载基站、星载天线等技术的发展。由于该实现方式是面向存量手机的手机直连卫星解决方案，有技术能力的卫星厂商通过此方式可以快速抢占市场，因此这在中期是一种比较好的解决手机直连卫星应用的方式。
（3）基于NTN标准逐步实现手机直连卫星。3GPP在开始制定5G标准之初，就计划将卫星通信与移动通信融合，建立一个NTN，并将NTN作为未来卫星网络的标准，以解决全球90%以上区域缺少通信手段的问题，保证无服务或服务不足地区的互联网服务的可达性和连续性，同时提高地面网络应对自然灾害和人为灾害时的能力。NTN标准经历了Release 15（Rel-15）阶段研究信道场景等需求研究、Rel-16阶段潜在解决方案研究、Rel-17阶段NTN具体技术研究和标准确定。在此期间，中国移动、中兴通讯、中信科移动、紫光展锐等公司开展了基于NTN标准的手机直连卫星在轨验证。

综上所述，手机直连卫星的3种实现方式各有如下优缺点。

（1）手机改直连卫星方式不需要发射卫星，缩短了卫星建设周期，降低了成本，使手机厂商可以根据各自的技术实力自主研发，见效快，但由于通信速率限制，其仅能解决基本通话问题。
（2）卫星改直连卫星方式可以实现目前全球数亿的存量手机直连卫星，对于个人用户来说，不用更换手机即可体验卫星互联网服务。这种实现方式的驱动是卫星厂商，要建设一个手机直连卫星网络需要较高成本和周期，并且有许多复杂的关键技术需要攻关，实现难度较大。同时，采用4G-LTE体制，系统能力受限，不利于后续5G/6G移动通信的发展。
（3）基于NTN标准实现手机直连卫星的优点和缺点同样突出。NTN标准是集全世界行业内公司、专家的智慧而制定的，其技术的可行性、系统的可用性均是经过充分论证和研究的，一旦发布实施，将会是一个合理可行的方案。但是，目前NTN的技术和架构正处在初步研究阶段， NTN网络部署、卫星节点建设、与5G NR整合等方面均存在障碍，从标准的研究制定，到系统的建设、手机终端的研制，整个周期很长，无法快速满足当前偏远地区的通信需求。

因此，由于服务需求不同、商业驱动不同，在未来几年内，手机直连卫星的3种实现方式将会共存，但长期来看，大概率会走向基于NTN标准的技术路线。无论未来手机直连卫星朝哪个方向发展，星地频率共用、星载高增益天线、星载高性能基站、手机终端高增益天线等都是需要解决的关键技术。

5、制约手机直连卫星的关键技术

5.1 频率共用技术

目前，国际上关于星地频率的使用规则均在国际电信联盟（International Telecommunications Union，ITU）《无线电规则》的整体框架下进行。ITU《无线电规则》的“频率划分”章节中将8.3 kHz～300 GHz的频段划分给地面和卫星，有些频段单独给地面/卫星使用，有些频段既划分给地面又划分给了卫星。各个国家使用星地共用频段时，会根据各自国内的需求考虑将这些频段用于地面或者卫星。总体而言，目前星地频段已经按照规则完成分配，且分开使用。
根据现有无线电使用规则，在手机直连卫星的场景下实现全球覆盖必然会对某些地区造成频率干扰，因此需要研究天地频率干扰规避和频率共用相关技术。

（1）卫星适应地面通信频率的频率共用
低轨卫星在移动过程中，会经过多个国家或地区，可以按照各个国家或地区的要求，以地面通信频率为主，通过不断更改卫星的发射和接收频率，避免星地间频率干扰。此种方式的好处是能够服务全球所有地区的用户，可以有效形成与地面运营商的合作关系，缺点是地面通信频率在不同国家或地区分散在600 MHz～2.4 GHz的多个频段，为了能够适应全球的工作范围需要研究600 MHz～2.4 GHz的宽带射频通道和天线，同时还需要研究基于服务对象位置的频率干扰规避策略。

（2）星地间、星星间、系统内频率干扰规避
手机直连卫星时不仅需要考虑卫星和地面之间的频率干扰，还要考虑不同系统卫星之间的频率干扰，同时要考虑系统内不同卫星之间对同一个用户的干扰。由于系统内部的工作频率可以提前规划，借鉴地面频率多色复用规则，研究星地统一频率多色复用策略，可以避免星地间、星星间、系统内的频率干扰。但在用户即将跨星切换时，系统内源卫星和目的卫星对用户同时覆盖可能造成同频干扰，此时应考虑将两颗卫星配置成不同频点，减少干扰，但这样又会引起用户切换的复杂度增加，因此需要针对特殊场景研究频率干扰规避策略。

（3）频率共用技术对星载天线波束成形提出了高要求
由于卫星与地面用户相对位置快速变化，星载天线如果不随着卫星移动而调整波束成形将会导致覆盖区域变大，进而引起对其他卫星或地面设施的干扰。因此，对星载天线的控制策略也是频率干扰需要研究的一部分内容，通过研究手机直连卫星频率共用技术可以促进星载天线技术的发展。

（4）使用非授权频段
使用非授权频段无须授权，但要与其他通信体制共存，共同竞争信道资源。非授权频段分布在5～6 GHz和Ka频段的多个频段，由于5～6 GHz的频率与地面5G通信频率相近，2种信号的星地传输衰减和处理方法大致相同，可以选择5～6 GHz这段频率作为手机直连卫星的天地共用频率。同时借鉴 4G 使用许可证辅助访问（licensed-assisted access，LAA）实现非授权频谱接入，在手机直连卫星场景下，利用授权频谱接入地面网络，之后通过地面网络辅助实现手机利用非授权频谱接入卫星。

（5）与地面电信运营商合作
手机直连卫星的星地频率共用问题单从技术层面无法被有效解决，需要联合地面电信运营商共同规划频率，进行区域内星地频率统一协调。以 SpaceX 公司的手机直连卫星用频为例， SpaceX公司向FCC申请用于手机直连卫星业务的频段（原地面使用频段），同时与地面电信运营商签订合作协议，开展手机直连卫星试验验证。SpaceX公司申请手机直连卫星频段与合作运营商的关系见表1，可以看出，SpaceX公司申请手机直连卫星频段覆盖目前合作的地面电信运营商使用频率，同时也为未来拓展合作奠定了基础。2024年3月14日，FCC批准SpaceX和其他卫星运营商使用有合作关系的地面电信运营商频率资源，极大地推动了星地频率共用的进步。

5.2 星载天线技术

地面4G-LTE通信能够为用户提供100 Mbit/s的峰值速率和10 Mbit/s的体验速率，地面5G通信能够为用户提供1 Gbit/s的峰值速率和100 Mbit/s的体验速率，当前手机直连卫星仅能提供kbit/s量级的数据服务，比地面4G-LTE通信的体验差很多。受手机直连卫星通信场景限制并根据服务能力需求，手机直连卫星要想实现10 Mbit/s量级的数据传输和服务用户最大化，必须增加卫星的收发能力，即星载天线应具备很强的收发能力。手机直连卫星的星载天线需要具备波束高增益、波束数量多、波束覆盖小、波束可成形、波束跳变快、波束带宽大等要素。

（1）波束高增益
星载天线应具备较高的发射等效全向辐射功率（equivalent isotropic radiated power，EIRP）值和接收G/T值。以L/S频段、500 km低地球轨道卫星为参考进行星地链路预算，同时参考SpaceX公司、AST公司公布的天线指标对比与实测结果，星载天线辐射的EIRP值需要达到58 dBW，才能使手机直连卫星的通信速率达到10 Mbit/s量级。由于手机用户更注重下载速率的服务体验，因此上行速率比下行速率的要求低，达到Mbit/s量级即可。以手机发射功率23 dBm为例，星地链路损耗变化相对固定且有一定规律，要实现Mbit/s量级的数据传输，需要卫星具备不小于15 dB/K的G/T值。星载天线在考虑高增益时，也要考虑其功耗和散热能力，确保整星能够为其提供充足能源。

（2）波束数量多
卫星用户侧的星载天线需要灵活调度，多数情况下使用阵列形式，星载阵列天线的使用需考虑指向损失，俯仰角越大，指向损失越大，因此星载阵列天线的俯仰角指向变化最大值不超过60°。以卫星轨道高度500 km为例，当卫星俯仰角为60°时，卫星视场内覆盖面积达到318万平方千米。实现如此大面积区域内的信号覆盖，如果使用宽波束，势必会造成功率浪费和频率干扰，因此应使用点波束进行目标位置覆盖。考虑避免出现与地面频率、其他卫星频率相互干扰的问题，需要将点波束覆盖半径设置为10～50 km，如果使用点波束覆盖卫星视场面积，需要数百至上万个点波束，波束覆盖与波束个数对应关系见表2。星载天线无法实现如此多的点波束，只能采用点波束结合波束跳变功能实现卫星视场全覆盖，由于点波束跳变采用时分复用原理，每跳变一次需要的时间固定，如果全部跳完整个卫星视场，需要的时间为秒级，这个等待时间长度对于用户来说是无法忍受的。因此，需要研究星载天线的点波束数量、跳变位置数量、波束跳变策略等内容，以优化服务等待时间。

（3）波束覆盖小
星载天线的波束覆盖面积小，可以有效减少与地面频率、其他卫星频率的同频干扰问题，由于波束覆盖面积与星载天线的波束角有关，而波束角与天线的面积有关，波束覆盖面积越小，星载天线的面积越大，大口径星载天线工程实现难度越大。因此，需要研究同等天线面积条件下减小波束角的方法。

（4）波束可成形
由于低轨卫星的高速运动，地面目标终端相对卫星基本是静止状态，二者之间位置变化引起星载天线方向图变化，如果改变星载天线方向图，会导致波束覆盖范围的增大与变形，将对周边波束或地面基站造成频率干扰。因此，需要研究星载天线的波束成形技术。

（5）波束跳变快
由于星载天线无法提供大量点波束，需要结合波束跳变实现卫星视场内的覆盖。波束跳变的周期与通信协议中规定的资源调度周期有关，如4G-LTE的资源调度周期为10 ms，5G的资源调度的最小周期为125 μs，如此快速的资源调度给星载天线波束跳波控制带来了挑战。

（6）波束带宽大
当前手机工作的频率分布在700 MHz～2.4 GHz各个频段，要想实现手机直连卫星的全球通信，需要卫星在全球范围内不断切换工作频点以适应所在地区的频率规则，这就要求星载天线具备700 MHz～2.4 GHz的收发能力，而当前手机直连卫星的天线工作频段在几十MHz以内，因此需要研究适应大带宽的星载天线。

5.3 星载基站技术

一直以来，卫星的处理模式分为透明模式和再生模式，对于手机直连卫星来说，也同样存在这两种模式，从服务时延、通信效率、资源调度的实时性等方面考虑，手机直连卫星应该使用再生模式，即通过星载基站完成用户接入、数据信息交互、资源调度等功能，SpaceX公司的手机直连卫星是再生模式，星上实现了4G-LTE的星载基站。由于星载基站的服务范围广、管理用户多、业务种类多，又是卫星的数据面和控制面中心节点，所以需要针对手机直连卫星的应用环境和使用特点，研究多体制高性能星载基站技术。星载基站技术的特点如下。

（1）需适应多种通信体制
手机直连卫星的3种实现方式决定了将会有不同通信体制的手机用户同时接入星载基站的需求，其星载基站不仅需要具备不同用户同时接入、与不同核心网交互等功能，还要能适应4GLTE、5G、NTN-NR、NTN-IoT等多种通信体制协议，这对星载基站提出了很高的要求。在手机直连卫星场景中，分别针对每种通信体制单独存在、多种体制共存等不同情况，开展星载基站研究。

（2）服务范围广、接入用户多
地面4G基站的覆盖范围为1～3 km，地面5G基站的覆盖范围为100～300 m，而低轨卫星星载基站的覆盖范围由卫星轨道高度和星载天线工作仰角决定，其覆盖范围是地面4G、5G基站的上万倍，覆盖范围上的差距，决定了一个星载基站需要接入和管理更多的用户终端，因此需要研究海量用户的资源分配技术、大算力高性能星载基站平台。

（3）移动性管理难度大
由于基站与手机用户间的相对位置不断变化，需要对手机用户进行移动性管理。与地面移动通信系统的基站位置固定不同，手机直连卫星的星载基站自身具有高速移动性，因此星载基站不只要对手机用户进行移动性管理，还要对自身的移动性进行管理和信息上报，这就导致按照地面基站的管理方法无法管理星载基站，造成星载基站的移动性管理难度加大。因此，需要研究星载基站移动性管理策略、手机直连卫星用户的移动性管理策略等。

（4）多波束控制策略复杂
手机直连卫星具备为整星视场内的用户提供服务的能力，要求星载天线形成数十个点波束的同时，还应具备点波束跳变功能，星载基站需要根据手机用户的服务要求和星载天线的使用特点，控制星载天线的波束指向，调度其点波束资源。由于服务的用户数量大、调度的点波束个数多，在调度点波束时不仅要考虑点波束的空间维度（点波束数量），还要考虑点波束的时间维度（点波束跳变时分复用），同时要考虑用户分布特点、用户优先级等用户维度。因此，星载基站的波束控制非常复杂，需要综合考虑多种因素，研究星载基站的多波束控制与调度策略。

5.4 手机天线技术

在手机直连卫星中，卫星与地面通信传输距离长，对卫星的指向要求高，手机与卫星之间的传输链路损耗大，制约了通信速率。传统的卫星电话往往搭载一根体积大、长度长、增益高的卫星天线。但对于一部大众智能手机，天线受制于终端体积和功耗，通常采用的是低增益全向天线，因此一般无法做到连接卫星完成信号同步和系统同步。若需要在大众手机上实现卫星通话，不仅需要提高星载天线收发能力，也需要增强手机天线收发能力，具体需求如下。

（1）增强接收能力
手机的全向辐射灵敏度可衡量手机接收空间信号的能力，在手机直连卫星场景下，星地下行链路传输速率一方面由星载天线的发射EIRP决定，另一方面由手机的接收能力全向辐射灵敏度决定，因此需要研究超表面、透镜等新型天线设计方法。

（2）提高发射增益
手机的辐射功率是200 mW（即23 dBm），在手机直连卫星场景下，为避免引起对其他基站和用户的干扰，此辐射功率不会增大，但可以通过提高手机天线的发射增益，而降低射频通道功放的输出功率，以达到降低整机功耗、增长待机时间的目的。因此，提高手机天线发射增益技术，是解决基础设施缺乏的偏远地区手机超长待机需求的有效措施。

（3）手机天线的方向性需特殊设计
地面移动通信系统的基础设施很完备，手机周围各方向布满了基站，手机可以在各种姿态下进行通信；在手机直连卫星场景下，手机直连卫星星座虽然由成百上千颗卫星构成，但在手机用户上空同时可见、可用的卫星数量较少。由于卫星位置和通信方向既相对固定，又实时快速变化，为适应低轨卫星位置的快速变化，要求手机天线辐射信号是全向的，但同时卫星的移动又会导致星地之间通信链路受到遮挡，引起星地通信中断问题，所以为实现可靠通信需要研究手机直连卫星手机天线的方向性控制方法。

6、全球主要卫星星座规划

全球低轨卫星遵循“先占永得”的规则，因此有极强的竞争属性。卫星绕地球运行需要申请轨道和频段资源，国际电信联盟（ITU）在轨道和频段资源获取上遵循“先登先占、先占永得”的原则。

低轨空间正逐渐成为全球航天发展的战略焦点，随着技术的成熟与需求的激增，低轨星座的批量部署已迈入高峰期。这一趋势可追溯至 20 世纪 80 年代至 2000 年前后，摩托罗拉的“铱星”计划率先提出，通过部署 66 颗低轨卫星，构建全球卫星通信网络的宏伟蓝图。

而今，SpaceX 的“星链”计划将这一愿景推向新高度，计划发射约 4.2 万颗通信卫星，其中1584 颗卫星将部署在近地轨道，旨在创建覆盖全球的高效卫星通信网络，为全球用户带来廉价、快速的宽带互联网服务。全球低轨卫星发展的火热态势吸引了多方参与，SpaceX 的星链计划、OneWeb、亚马逊的 Kuiper、加拿大 Telesat、俄罗斯的 Sphere、德国的 Rivada以及韩国三星等，纷纷规划了宏大的卫星发射计划，共同推动低轨卫星星座的发展。

6.1 SpaceX 星链

SpaceX 星链与发射业务均引领行业发展。截至 24 年 4 月，SpaceX 已经向 LEO 发射了超过 6,000 颗星链卫星，其中大约 400 颗卫星已脱离轨道，有 5600 颗卫星正在运行，占到全球总活跃卫星数量的 50%左右，拥有举足轻重的地位。

6.1.1 传输速率及收费标准

地面普通用户： 2020年10月，SpaceX在美国推出了一项名为“Better Than Nothing Beta”的付费测试服务，购买用户终端需499美元，且每个月的服务费需110美元，预计服务“50 Mbps至150 Mbps，延迟从20 ms至40 ms以上”。从 2021 年 1 月起，付费测试服务扩展到其他大陆，首先是英国。
地面高性能用户： SpaceX 宣布了Starlink Business，这是该服务的更高性能版本。它提供更大的高性能天线，列出的速度在 150 Mbps 到 500 Mbps 之间，天线成本为 2500 美元，每月服务费为 500 美元。
海上用户：此外，马斯克旗下SpaceX正式推出了全新的移动服务Starlink Maritime，为全球船舶提供星链（Starlink）卫星互联网服务。SpaceX表示，包括商船、海上钻井平台、游艇都可以用Starlink Maritime。根据SpaceX的说法，海洋版卫星终端机官方售价10000美元，内含两支高功率天线。月费要价5000美元。在开通了该业务后，用户可以享受最高350Mbps的下载速度，并且所安装的天线还能在遇到恶劣天气的情况下，依旧保持稳定的网络传输。另外，Starlink Maritime 事实上暂时无法真正做到全球海洋覆盖，而是仅限美国本土（不包括阿拉斯加）近海、欧洲（不包括挪威、瑞典、芬兰）近海、澳洲南部近海、新西兰近海及巴西的近海，这应该是因为目前 Starlink 的运作模式其实是在终端机与地面接收站之间转送资料，因此离岸太远，超出地面接收站的范围，就无法使用。Starlink 预计在 2022 年第四季和明年都会持续扩大 Starlink Maritime 的覆盖服务范围。

6.1.2 海洋服务详情介绍

如上图为Starlink官网公开显示的Starlink海上服务范围，浅色为已覆盖的区域，深色为2022年底甚至今后更久将要提供的服务区域。目前Starlink公开提供海上连线服务的海域范围仅限于，北美、欧洲、澳洲及南美地区的海岸及海域，上述区域已经可以使用Starlink海上服务，其他地区要等到今年第4季或更久之后才会提供服务。除了海上外，Starlink也开始提供机上连线的服务，与多家美国的航空公司合作。累计至今，Starlink发射2790颗低轨卫星，提供信号给36个国家。希望在5年内网络范围可以遍布全球。

6.2 千帆星座

中国在低轨卫星互联网领域的雄心壮志正随着“千帆星座”（又名：G60 星链计划）的稳步推进而逐渐显现。这一项目由上海垣信卫星科技有限公司引领，自 2023 年启动以来，便以全频段、多层多轨道的创新设计，以及包含三代卫星系统的规划，吸引了全球目光。

2024 年 8 月 6 日，项目迎来了关键里程碑——首批 18 颗组网卫星通过“一箭 18 星”的壮举成功部署，标志着“千帆星座”的网络构建迈出了坚实的第一步。

按照规划，“千帆星座”将在 2025 年完成一期 648 颗卫星的部署，初步构建全球覆盖的卫星互联网系统。这一阶段的目标是实现区域网络覆盖，为后续的全球连接奠定基础。预计今年内 108 颗卫星将发射升空，而整个一期计划将发射 1296 颗卫星，为打造 1.4 万多颗低轨宽频多媒体卫星组网的宏图铺路。

“千帆星座”的建设将分三步走：至 2025 年底，648 颗卫星将提供区域网络覆盖；到2027 年，相同数量的卫星将实现全球网络覆盖；最终，至 2030 年底，星座将拥有 1.5 万颗卫星，实现手机直连的多业务融合服务，覆盖全球。这一系列目标的实现，将极大地提升中国在全球卫星通信领域的竞争力，为国内乃至全球用户提供更广泛、更高质量的通信服务，标志着中国在低轨卫星互联网技术与应用方面进入了新的阶段。

发射阶段	时间	任务
第一阶段	2025年底	实现648 颗卫星的区域网络覆盖
第二阶段	2027年	实现全球覆盖
第三阶段	2030年底	完成1.5万颗卫星的手机直连多业务融合服务

6.3 GW 星座与 Honghu-3 星座计划

GW 星座又称国网星座，由中国卫星网络集团有限公司牵头，计划发射约 1.3 万颗低轨卫星，旨在构建一个庞大的卫星网络，提供全球范围内的高速互联网服务。该计划的实施将大幅提升中国在全球卫星互联网领域的影响力，并推动相关技术的发展和应用。GW星座的发射计划预计在 2024 年下半年开始，计划在未来 5 年内发射约 10%的卫星，即约1300 颗，并在 2035 年完成全部卫星的发射。星座的轨道规划分为两组：一组是分布在500km 以下的极低轨道的 GW-A59 星座，共 6080 颗卫星；另一组是分布在 1145km 的近地轨道的 GW-A2 星座，共 6912 颗卫星。技术方案上，“国网”星座采用分层设计，包括核心层、中继层和用户层三个层面。

Honghu-3 星座计划，作为上海蓝箭鸿擎科技有限公司的前瞻力作，旨在构建一个由 1万颗卫星组成的巨型太空网络，这些卫星将均匀分布于 160 个轨道平面上，形成密集的通信覆盖层。这一宏伟构想不仅彰显了中国在商业航天领域的战略远见与技术实力，更预示着中国航天业正向着更加广阔和深远的宇宙空间迈进，展现出巨大的发展潜力与市场前景。

Honghu-3 星座与 GW 星座的并驾齐驱，将为中国乃至全球通信领域带来革命性变革。这些星座的部署将显著扩展网络覆盖范围，特别是在偏远区域、海洋等传统通信技术难以触及的“信息孤岛”，提供稳定、高速的通信连接，填补了传统通信网络的盲区。同时，通过推动 6G 通信技术的创新与发展，中国将在全球通信技术格局中占据更加重要的位置，加速国际太空经济的繁荣。随着这两个星座计划的逐步实施，中国将全方位提升其在卫星全产业链中的核心竞争力，包括卫星设计与制造、发射服务、地面设备制造以及运营维护等关键环节，为天地一体化网络的构建提供坚实的科技支撑。这不仅将推动中国航天产业的升级与转型，更将加速全球通信体系的完善与优化，为构建“万物互联”的信息社会奠定坚实基础。

7、手机直连卫星之应用前景分析

通过以上对手机直连卫星NTN通信的初步研究，结合手机直连卫星的三种模式，从数据业务终端的角度来分析该技术的应用前景：

1、基于NTN标准实现手机直连卫星：手机直连卫星的NTN通信会是将来6G通信标准的重要组成部分，需要时间来攻克一系列技术等问题，最终形成统一的NTN-3GPP标准。在这之前都是研究和探索阶段，我们可关注有一定技术实力的公司的进展情况。

2、改手机直连卫星：目前只是实现了卫星短信和卫星通话，主要用于救援等情况，暂不适用于数据业务；随着卫星星座的发展，天线等技术的进步，改手机直连卫星可以实现宽带数据业务时我们再考虑上马该技术，暂时可关注华为等公司的技术进展情况。

3、改卫星直连卫星：对终端来说，这是最容易实现的方式，不需要修改终端，等各星座发展到一定程度推出相关业务，我们就可以选择使用。

缩写

NTN（Non-Terrestrial Network，非地面网络）

UAS（Unmanned Aircraft System，无人机系统）

LAP（Low Altitude Platform，低空平台）

HAP（High Altitude Platform，高空平台）

LEO（Low Earth Orbit，低地球轨道）

MEO（Middle Earth Orbit，中地球轨道）

GEO（Geostationary Orbit，地球静止轨道）

参考资料

https://blog.csdn.net/weixin_43509834/article/details/135498595 手机直连卫星及NTN简介

https://blog.csdn.net/u011376987/article/details/141519311 【深度好文】非地面网络NTN的3GPP研究发展历程

https://www.kinghelm.com.cn/en/technical-exchange/502090.html 孙晨华团队在中电科五十四所的研究：手机直连卫星技术的关键解析与未来展望

https://blog.csdn.net/u011376987/article/details/141530994 【学习笔记】卫星通信发展趋势

https://blog.csdn.net/weixin_43509834/article/details/126180684 卫星星座介绍及系统参数：Starlink星座