現狀

大佬紛紛下場，角逐“向上捅破天”市場

今年8月下旬，SpaceX與美國無線運營商T-Mobile聯合宣布，將通過星鏈衛星為美國部分用戶提供手機直連衛星的服務。9月10日，AST公司的藍色行者3試驗衛星成功發射入軌，未來系統成功部署后可從太空直接向手機提供衛星移動通信服務。

在手機市場端，9月6日和7日, 國內外兩家主流手機終端廠商各自發布了一款可直連衛星的旗艦手機，分別可支持北斗短報文服務和全球星的衛星緊急救援功能, 揭開了衛星通信探索消費領域的序幕。

疑惑

為什么需要手機直連衛星?

目前實現難在哪兒?

5G已然如此強大，為什么還需要手機直連衛星互聯網?帶著這個問題我們先看看全球移動網絡現狀。

目前，移動通信網絡僅僅覆蓋了地球約20%的陸地面積，而對占地球表面71%的海洋的網絡覆蓋率只有5%。總體算下來，移動通信網絡只覆蓋了全球不到10%的面積。

沙漠，叢林，冰原等人跡罕至的地方，海洋上各種各樣的船只，這些邊緣地帶的通信需求如何滿足?洪水、地震、海嘯等自然災害導致斷電、斷網、斷路，使救援工作困難重重。危急時刻如何打通救援的生命線?這些場景對手機直連衛星有迫切的剛性需求。我們需要建設一張覆蓋全球，不受地面環境限制的通信網絡。

從手機產業角度來看，目前市場競爭激烈，急需新形態的技術幫助產業破局。多家廠商開始把新的競爭賽道定位到手機直連衛星通信技術，這是面向未來布局的重要一環，對實現網絡+終端+場景全方位融合意義重大。然而實際情況是：推出的新手機在直連衛星上還處于比較初級的階段，功能上非常受限。

手機直連衛星的難度到底在哪兒?

基于3GPP的蜂窩通信協議從2G、3G、4G，再到5G，針對地面網絡場景一路演進過來，要實現衛星通信的挑戰難度很大，主要面對以下幾項挑戰：

1、高傳輸時延。GEO(高軌道)衛星的單向傳輸時延可達250毫秒以上(RTT時延可達500毫秒以上)，極大地影響基站和手機間交互的時效性，特別是接入和切換等需要多次信令交互的過程。即使是低軌衛星(LEO)， 單向時延也可能超過25毫秒(UE-衛星-信關站)。因此，需要對相關協議流程進行改進或者重新設計。

2、多普勒頻移等因素造成的通信性能不穩定。對于非地球同步軌道衛星(例如低軌衛星)，相對地球是高速運動的，這會導致嚴重的多普勒頻移。對于這樣的衛星系統，不但需要處理幾十千赫茲甚至兆赫茲級別的多普勒偏移還有數十微秒的定時漂移，同時還存在覆蓋不均勻的情況，導致目前通信質量很不穩定，SpaceX交付各個國家的地面終端通信速率存在較大的波動。

圖：美國加州Grass Valley用戶的下行速率測試結果，最高速率接近299Mbps，最低速率僅1.23Mbps

3、超大半徑的小區管理。地面蜂窩網絡小區一般幾百米到幾千米，超遠覆蓋也就到一百多千米，而LEO(低軌道衛星)波束可達1000千米，GEO波束可達3500千米。因此，衛星小區中心和邊緣的時延差異等將更加明顯，對系統定時同步也會帶來一定的影響，此需要增強同步機制從而避免用戶間干擾。另外，小區半徑較大，也意味著需要管理的用戶較多，可能會經常發生資源不夠用的情況。需要設計相應的小區管理和資源調度機制。

4、移動性管理。非地球同步軌道類型的衛星相對用戶高速運動，會導致頻繁的小區切換和重選等移動性問題。一方面，在移動性管理決策中，需要將小區的移動狀態信息等納入考量，避免不必要的切換或重選;另一方面，可進一步利用小區的移動狀態信息，進行預先的小區或波束切換，減少信令交互開銷，此外，隨著用戶數量的增加，必然存在同一時間用戶數量增多而服務速率下降的情況，當更多用戶爭搶同一個地面關口站的帶寬時，必然發生擁擠降速的尷尬狀況。

5. 終端的復雜度和功耗。手機等終端要同時支持地面網絡和衛星網絡，實現的復雜度會大幅增加。對于物聯網類型的終端，支持衛星通信可能會比普通的地面通信消耗更多的功率。另外，要實現手機直連衛星，還需要部署地面網關(信關站)、基站和核心網。這些設備如何和傳統的地面網絡進行融合也需要相關的設計。總體來說，要實現手機直連衛星需要從終端、衛星、地面網絡等多個維度進行設計，是一項高難度的系統性的工程，會影響通信產業的多個層面。

目前手機直連衛星的標準化程度和產業發展水平如何?

在標準化方面，目前3GPP Rel.17的空口標準已經凍結，在標準中正式引入了面向NTN(非地面網絡)的5G 空口功能，支持包括NTN NR和支持eMTC和NB-IoT的NTN IoT兩種衛星通信方式。目前Rel.18還在持續增強NTN的空口功能。除了空口標準的制定，系統架構和核心網協議(例如3GPP SA1，SA2, CT1, CT3和CT4)和網管協議也進行了相關的增強，以支持NTN的通信。

在產業發展方面，經過多年的努力，NTN已經取得很大進展。今年年中，展銳、聯發科、中興等廠家紛紛報道完成了5G NTN終端芯片在衛星或衛星信道模擬環境下的測試。若僅從技術的角度來看，5G NTN標準化和終端芯片化有望在近兩三年內出現可落地的產品。

如上述介紹，手機直連衛星通信是一項系統工程，需要產業鏈的多方參與，其中重要的一環就是技術驗證工作。測試廠商(例如羅德與施瓦茨)在這方面扮演著重要角色。可以通過其提供的各種測試設備和方案加快技術驗證，保證各種指標滿足通信的需求，例如在射頻方面需要針對手機終端的發射機和接收機的射頻指標進行測試，優化硬件參數。在協議方面針對其一致性進行測試。可以通過各種測試儀表的組合去搭建和模擬不同的測試環境，針對特定測試目標進行相關的技術驗證。也需要針對衛星的載荷，進行相關的射頻參數測試，例如下圖：

暢想

未來衛星通信還有更多可能

衛星通信包含多種場景，包括寬帶互聯網服務和手機直連衛星服務等。目前的星鏈業務就屬于前者，而“手機直連衛星”則是后者。未來，衛星通信和地面移動通信、固定寬帶通信和手機移動通信，無縫融合、互為補充。當我們在城市的辦公室或家中時，主要使用光纖寬帶;出門或開車時，主要使用5G網絡;到戶外，手機自動切換為直連衛星;坐上輪船、飛機，或開車到郊外，則通過衛星終端和WIFI熱點，自動接入衛星寬帶業務。

未來的通信必然朝著天地融合、無處不在的方向發展。實現這一愿景，需要把衛星通信和地面5G或未來的6G網絡融為一體。以SpaceX為代表的全球科技巨頭都在積極搶占不可再生軌道資源。手機直連衛星成為風口，標志著下一代互聯網激烈競爭拉開帷幕。

審核編輯：湯梓紅