手机直连卫星是指手机或手持类终端不需要地面中转设备，直接与卫星连接实现数据传输或进行通信的技术。严格来说，直连卫星的手机也包括传统专用卫星手机。由于专用卫星手机往往体积大、重量大且配置外置天线，不便于用户携带，未在消费的人群体中获得大范围的推广应用。近期国内外发展得如火如荼的手机直连卫星技术与传统的卫星电话技术最大的区别是，手机是普通消费级的终端，可将使用最广泛的手机终端与覆盖范围最大的卫星网络紧密结合，具有极大的使用价值和广阔的应用场景，代表了未来手机直连卫星终端形态的发展的新趋势。手机直连卫星作为面向未来的通信技术，已成为卫星互联网之后的又一个全球关注的热点。

  手机直连卫星有关技术并非突然井喷式发展，而是经过了长时间的技术积淀。自 1998 年美国铱星系统开通首个卫星手机业务以来，陆续建设的 Globalstar、Thuraya、海事卫星以及我国的天通一号等卫星通信系统均支持专用卫星手持终端直连卫星进行通话。这些系统发展初期与地面蜂窝系统相互独立，费用较为昂贵，没办法形成与地面蜂窝移动通信相似的规模效应，发展较为缓慢。为了有效拓展地面手机网络的覆盖范围，陆续出现了可供普通手机直接连接卫星的手机壳以及集成卫星通信和蜂窝通信的双模手机。为了能够更好的保证可靠的卫星通信，上述终端均配置了外置卫星天线，体积小、重量较轻，但也未能在消费的人中广泛推广。

  近年来，研究人员开始研究面向未来的手机直连卫星技术。新一代的手机直连卫星系统要求通信速率大，手机终端重量轻、体积小、功耗低、内置天线，并且集成卫星通信和地面蜂窝通信，目前得到卫星运营商、地面移动通信运营商、终端制造商和卫星制造商等各方面的关注。

  目前手机直连卫星有多种技术路线，按照运营商进行分类，分为以卫星运营商为主体的技术路线和以地面移动通信运营商为主体的技术路线；按照终端与卫星体制进行分类，分为使用定制手机终端和传统移动通信卫星、使用现有手机终端和星载基站以及采用3GPP标准的天地融合体制手机终端合一的3种技术路线；按照卫星轨道使用情况做分类，分为使用同步轨道（GSO）卫星和非同步轨道（NGSO）卫星的技术路线。本文重点研究了使用不相同轨道卫星的手机直连卫星系统的组成架构、技术挑战、关键技术与解决方案。

  手机直连卫星涉及传统卫星运营商业务和地面移动通信运营商业务。目前国内外已形成产业链上下游多家公司加强合作的局面，表1展示了典型合作案例。

  基于 GSO 卫星的技术路线较为成熟，也是当前手机直连卫星主流商用路线 月，华为公司发布基于天通一号卫星的Mate60 Pro卫星通信手机，支持卫星语音通话。中国电信积极开展手机直连卫星业务研究：一方面参与天通一号卫星的运营，并开展相关业务系统的研发和推广应用，如与华为、荣耀、小米等手机终端厂商合作，实现普通消费级手机直连卫星语音和低速数据传输业务；另一方面，还积极开展基于 5G 非地面网络（Non-Terrestrial Network, NTN）手机直连卫星相关研究。

  在专用芯片研究方面，联发科技开发的窄带物联网（NB-IoT）芯片通过Inmarsat的Alphasat高轨卫星完成测试，证明通过小幅修改便可让移动通信技术有效地运行于地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星，为卫星和移动通信网络的整合奠定基础。2023 年联发科技开发了MT6825 物联网非地面网络（Internet of Things Non-Terrestrial Network, IoT-NTN）芯片组，可连接GEO卫星，易于转换为3GPP NTN标准卫星网络使用。我国的平台型芯片设计企业紫光展锐于 2023 年 7 月发布了 5G NTN 卫星通信通用系统级芯片（System on Chip, SoC） V8821。V8821基于3GPP NTN R17标准，利用IoT-NTN作为基础设施，易与地面核心网融合。V8821可通过海事卫星或天通一号卫星，提供数据传输、文字消息、通话和位置共享等功能。

  2022 年苹果公司与 Globalstar 合作，利用 Globalstar的卫星为苹果手机提供紧急SOS信息传输服务。Globalstar的定位是一个卫星物联网解决商，其卫星通信主要使用S频段的2.4 GHz频段和n53频段。

  2022年9月AST SpaceMobile发射了BlueWalker-3试验卫星，其目标是无须任何地面设备，为用户手机提供直接的4G和5G互联网接入。如图1所示，为了与地面标准移动电话达到可靠的连接，BlueWalker-3卫星配备了展开面积达 64m2 的超大相控阵天线阵列。基于BlueWalker-3 卫星，2023 年 9 月 ASTS 与电信运营商AT＆T、沃达丰等实现5G通线 BlueWalker-3试验卫星配备的天线

  Lynk Global公司发起的Lynk低轨卫星星座项目计划通过5 000多颗低轨（LEO）卫星为现有手机终端提供直连卫星通信服务，无须用户购买额外的附件。2020年2月，Lynk Global通过试验卫星实现了“使用在轨卫星向地面标准手机发送了世界上第一条短信”。同年 9月Lynk Global公司获得由FCC颁布的卫星到手机通信商业许可。

  SpaceX 公司拟基于星链（Starlink）星座提供手机直连卫星业务。为支持手机直连卫星业务，SpaceX 使用Starlink V2卫星在搭载Ku及Ka频段通信载荷、星间激光链路的基础上，增加一个用于手机直连的面积为 25 m2的阵列天线。Starlink V2卫星的天线单元具有大孔径、高增益、窄波束的特点，能轻松实现对指定区域的精准覆盖，但是单副天线月，SpaceX 发射了首批 6 颗支持手机直连卫星的Starlink V2 Mini卫星，用未经改造的手机测试通信速率约达到17 Mbit/s。

  Omnispace 公司致力于建立一个卫星星座，使各种移动智能设备能够在蜂窝网络和卫星网络之间漫游，有关技术遵循 3GPP NTN 标准规范。为此，其从ICOGlobal购买了ICO-F2卫星和2 GHz S频段的频谱许可。2023年2月，Omnispace和Ligado Networks联手创建最大的许可卫星频谱组合，用于全球直接到设备的语音、文本和数据连接，扩展了Omnispace公司在L频段的通信许可。

  2023年9月，中国移动携手中兴通讯和是德科技完成国内首次运营商NR-NTN LEO卫星宽带业务实验室验证。2024年2月，中国移动发射了搭载星载基站的卫星中国移动 01 星，将在现实条件下进行基于星上再生模式的手机直连 LEO 卫星技术测试，该基站载荷基于 3GPP R17 NR-NTN标准。

  从以上国内外发展现状能够准确的看出，我国目前主要发展的是基于高轨卫星的手机直连卫星技术，这得益于我国天通一号卫星移动通信系统储备的技术基础，能够迅速实现业务的推广应用。近些年国外则更倾向于发展基于中轨（MEO）和LEO卫星的手机直连卫星系统，以提供更高速率的网络体验，该技术路线目前挑战巨大，短时间内难以实现业务的推广应用。我国在基于NGSO卫星的手机直连卫星技术方面仍处于初步探索阶段。

  空间段包括同步轨道或非同步轨道卫星，其中同步轨道卫星一般仅需要配置较少数量，而非同步轨道卫星则由多层不同轨道高度和倾角的卫星构成规模庞大的卫星星座。卫星可采用透明载荷转发或者星上处理后转发的模式，星间采用微波链路或者激光链路转发数据，扩展用户的通信范围。

  用户段主要是指用户终端设备，常常要与所连接卫星系统适配，包括各种经过专门改造的手机终端和普通手机终端。

  地面段包括测控站、运维管理中心、数据中心、地面基站设备和连接核心网的设备。测控站和运维管理中心负责卫星网络、星座、数据、运营等的管理；信关站、地面基站设备和连接核心网的设备负责数据的接入并连接核心网。

  当前从使用卫星的角度来看，手机直连卫星可分为基于GSO卫星和基于NGSO卫星两种技术路线。基于GSO卫星的技术路线源于卫星移动通信，技术相对来说还是比较成熟，只需要克服少量的困难便可快速实现业务拓展、扩大用户群体。基于NGSO卫星的技术路线相对而言面临更多的技术挑战。下面将从空口侧、卫星侧、网络侧和终端侧4个方面，结合GSO和NGSO技术路线的特点分析手机直连卫星有关技术挑战，具体见表2。

  手机直连卫星系统空口侧主要面临信道特性复杂、误码率高和星地精准同步的挑战。基于 LEO 卫星的手机直连卫星系统在信道特性和星地同步方面面临更加大的挑战。

  星地信道面临大尺度衰落和小尺度衰落两种不同的衰落特性。大尺度衰落以大气吸收、雨衰和地物损耗为代表，小尺度衰落以多普勒频移、多径传播、闪烁效应为代表。卫星信号的传播会受到降雨、云雾、大气以及手机终端附近的植被或建筑物等多种因素的影响，一方面造成了信道衰减的增加，另一方面也使得其信道特性更为复杂。此外，卫星信号质量变化相对较快，这对信号的传输和处理带来了巨大的挑战，进而影响星地无线通信系统的性能。

  传统手机终端与地面基站距离近，终端的移动性是产生多普勒频移的重要的因素，因此多普勒频移较小。同理，GSO卫星动态性小，多普勒频移影响也比较小[17]。由于NGSO卫星相对地面高速运动，引起的多普勒频移达几十kHz至MHz级别，因此，手机终端与NGSO卫星网络之间的频率同步存在比较大的困难，尤其是与LEO卫星之间。假设卫星工作在 2 GHz 频段，在距离地面500 km处以约7.6 km/h的速度运动，则卫星运动引起的多普勒频移近48 kHz，远超现有5G通信技术体制的适应范围[18-19]。

  在频率使用方面，当前基于 GSO 卫星的手机直连卫星通常用移动卫星服务（MSS）频段。基于 LEO 卫星的手机直连卫星，有采用传统移动卫星服务频段的方案，也有采用地面移动运营商通信频段的方案。采用地面移动通信的频段，不符合国际电信联盟现行规则[20]。采用这一种评率使用方案，首先，因地面移动通信与手机直连LEO卫星采用相同的频段，如何避免对频段内原有合法用户的有害干扰，该方面的研究较为薄弱；其次，缺乏国际电信联盟统一的频率划分和保护，手机直连卫星之间频率冲突现象突出，频率兼容和频谱共享难度大。当前国际电信联盟已经就手机直连卫星业务可使用的频谱问题开展了研究[21]。

  由于两个方案的星地链路距离的巨大差异，在通信时延方面二者也呈现出明显的区别。基于 GSO 卫星的手机直连卫星方案由于星地距离较远，星地通信时延也相比来说较高，终端-卫星-终端通信时延约为270 ms[22]。基于LEO卫星的时延通常在50 ms以内，如OneWeb星座通信时延约为30 ms，Starlink的通信时延不大于20 ms[6]。

  当前基于 GSO 卫星的手机直连卫星技术大多数都用在满足语音和短消息的需求，相比NGSO卫星实现更高速率通信的代价更大，费效比低。典型代表有Thuraya卫星系统、海事卫星通信系统、天通一号卫星移动通信系统等。由于星地超大链路损耗，在卫星天线和功率受限的条件下，手机直连卫星通信速率为kbit/s级别。如天通一号卫星移动通信系统的外置天线专用卫星手机终端通信速率一般为1.2 kbit/s、2.4 kbit/s、4.0 kbit/s，满足该通信速率要求的星载大天线设计相对较为成熟。与基于 GSO 的卫星相比， NGSO 卫星星座由于可以多颗卫星同时为多个用户更好的提供服务，并且NGSO卫星距离用户终端更近，链路损耗比较小，在天线能力和功耗同等的条件下能提供更高的通信速率。因此基于NGSO卫星的手机直连卫星技术未来大多数都用在满足宽带通信业务的需求。当前NGSO卫星平台承载能力相对较弱，在手机终端能力受限的条件下，存在链路预算不足的问题[23]，必须极大幅度地提高卫星载荷的发射和接收能力[24]。这在某种程度上预示着必须增大天线尺寸和波束数量。这将带来以下挑战：一是天线尺寸增大带来功耗和重量剧增的挑战，需要轻量化、低损耗、高集成的星载射频前端；二是对于超大规模的阵列，模拟波束网络很复杂，特别是在多波束应用中，随着波束数量的上升，网络复杂度飞速增加，大口径相控阵的模拟波束成形网络实现难度非常大。

  手机直连卫星网络侧涉及地面电信运营商通信网络和卫星运营商通信网络。由于前期地面电信运营商与卫星运营商独立发展，二者分别建立的通信网络系统在网络结构、标准体制、特征参数等方面存在比较大差异，因此需要在网络认证鉴权、业务漫游等方面进行新的适配研究。除上述地面电信运营商和卫星运营商独立发展通信网络，通过网络侧技术融合互联的手机直连卫星方式外，还存在基于3GPP NTN标准星地共同演进建设，以及在卫星网络中使用现有地面网络技术的方式。当前3GPP NTN标准规范仍在进一步研究中，而卫星侧采用地面网络的方式的性能仍需进一步测试验证。不管是针对哪种方式，如果卫星不能星间组网，在全球部署时都需要部署大量的信关站，部署和运营成本将急剧增加。

  基于GSO卫星的手机直连卫星系统终端侧主要面临手机终端小型化与链路预算不足的挑战。GSO卫星和NGSO卫星由于星地距离相差巨大，星地空间自由损失也相差很大。在通信信号频率为2 GHz时，GSO卫星到地面的信号损失高达189.54 dB，而LEO卫星（以轨道高度500 km计算）到地面的信号损失约为152.45 dB，链路损耗差约37 dB。在使用超大星载天线后，基于NGSO卫星的手机直连卫星系统终端侧可采用消费者现有普通手机终端，终端侧基本不涉及重大技术挑战。消费者使用的普通手机连接地面基站，信号的传输距离一般是几千米，考虑到电磁和辐射标准、功耗、内部空间大小等因素，内置天线功率并不高；若与 GSO 卫星直连，信号需传输数万千米，链路损耗较大，需考虑在手机内置大功率天线。若基于现有卫星并改造手机终端实现手机直连卫星，需要在手机终端内置卫星通信专用模块。如何在有限的空间内将基带、射频处理、功率放大器、滤波器以及卫星模块高密度集成并降低功耗、增加散热，将是在手机终端小型化中面临的挑战。

  针对手机直连卫星存在的技术挑战，下面将从空口侧、卫星侧、网络侧、终端侧4个方面分别对相应的关键技术进行分析。

  针对星地信道特性复杂、传输误码率高的挑战，可考虑采用混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）技术提高无线通信系统性能。HARQ结合了自动重传请求（ARQ）和前向纠错（Forward Error Correction, FEC）两种技术，在增强数据传输可靠性、提高系统吞吐量的同时降低通信时延。然而，在手机直连卫星技术的应用背景下，星地链路具有更高的传输时延，这增加了HARQ机制的复杂性，可以考虑以下解决方案。

  （1）优化HARQ的重传策略，使其能够有效处理高时延的情况。例如，可以根据信道质量的变化情况自适应调整重传次数，在信道质量较好时减少重传次数，在信道条件较差时增加重传次数。

  （3）混合使用ARQ和FEC技术，在传输过程中先尝试通过FEC进行纠错，如果失败再进行ARQ重传。

  首先利用主同步信号（Primary Synchronization Signal, PSS）序列的时频特性，在本地生成 2N+1 组带有整数倍频偏的PSS时域序列组，每组包含3个不同索引号的PSS时域序列，将所有这些PSS序列分别与接收到的信号进行滑动互相关，估算出PSS序列的起始位置，并且判断出最大相关峰值所对应的本地PSS序列索引号，确定扇区ID。所设计算法检测度量函数如下

  其中，r(n)为接收信号，为本地PSS序列，idx为扇区 ID 值，icfo为整数倍频偏值，L 表示单个子帧内PSS的采样点长度。通过接收序列与2N+1个本地PSS副本组进行滑动相关，当最大相关峰值大于预设判决门限时，得到最大的相关峰值所对应的位置偏移d作为接收到时域数据的定时点，相关性最大的本地PSS序列所对应的扇区ID值和整数倍频偏值即为接收序列的扇区ID值和整数倍频偏值。

  PSS定时偏移估计以及整数倍频偏估计完成后，利用时域的本地 PSS 序列共轭点乘接收到的时域 PSS 符号，再分成两部分分别求和，最后估计频偏大小

  其中，为第i副天线接收到的PSS序列，为本地生成的PSS序列共轭，N为正交频分复用（OFDM）符号FFT样点长度。如果接收为2副天线，相关运算结果合并为C=C1+C2 ，也可以多个 PSS 信号联合估计，由此计算归一化小数倍频偏，从而实现初始同步。

  在星载天线波束成形中采用数字波束成形。采用数字器件，在单元/子阵上对信号数字化，波束的幅度与相位控制在数字域实现。数字波束成形可采用天线本地成形方式，信号通过光纤与舱内基带处理器相连，基带处理器从顶层对全阵多副子天线的波束扫描控制、信号路由进行调度，每副子天线可以在独立扫描、波束汇聚、蜂窝模式、重构窄波束之间切换使用。除了天线本地的波束成形外，通过光纤互联到基带处理器的信号，还可以选择若干副相邻的子天线，乃至全部天线进一步合成，合成以后等同于采用更大口径、更高增益的天线，该合成可在基带处理器上实现。为了提高星地链路预算，可以考虑采用分布式天线阵列，由多颗卫星的天线阵波形叠加，实现分布式波束成形。

  传统手机基站由天线、远端射频模块（Remote Radio Unit, RRU）、光纤、基带处理单元（Base Band Unit, BBU）、机房等部分组成。其中5G基站中，BBU的非实时部分被分离出来，定义为集中式单元（Centralized Unit, CU），负责处理非实时协议和服务，BBU 的其他部分作为分布式单元（Distributed Unit, DU），负责处理物理层协议和实时服务。BBU的部分物理层处理功能与原RRU及无源天线合并为大规模有源天线单元（Active Antenna Unit, AAU）。

  手机直连卫星技术可以考虑将基站部署到卫星上，实现直连卫星用户和地面基站用户接入同一个网络，减少网络时延。可以考虑将实时性要求高的业务接入和信令处理部分部署在卫星载荷上，将网络控制、资源配置部分放置在地面侧。如将5G基站的DU等部分部署在卫星载荷上，将 CU、AAU 部分部署在地面侧。轻量化的载荷可以降造和发射成本，便于手机直连卫星系统的快速推广应用。

  一是星地网络融合：实现卫星核心网络与地面移动网络国际信令节点链路直通。在 No.7 信令国际网间结算（iSTP）节点及其网关侧，优化和配置卫星核心网媒体网关（Media Gateway, MGW）的信令代码、移动交换中心/拜访位置寄存器（MSC/VLR）的GT（Global Title）码，确保漫游用户在被叫场景下正确地路由和寻址。

  二是信令转换：卫星通信系统和地面移动通信系统可能在信令方面存在区别，需要开展信令转换技术研究。例如卫星侧采用 3G 宽带码分多址接入（Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA）移动应用部分（Mobile Application Part, MAP）信令协议，而地面移动通信网络采用 C-MAP 信令协议。此时需研究基于 GC 网关实现G-MAP/C-MAP协议转换，确保异构网络控制信息正确地翻译握手。

  三是业务信令优化：优化手机终端的SIM（eSIM）卡识别流程、入网鉴权流程以及通信业务信令流程。最终实现地面移动网络用户以漫游形式驻留卫星网络，发起和接收卫星语音、短信业务。

  在传统漫游组网方式下，存在漫入网络服务商不能自主掌控漫游用户和运营数据的问题，因此就需要研究卫星网络二次鉴权认证技术，实现对来自地面移动网络用户卫星业务订购权限的管控。通过在卫星核心网增加用户归属方漫游码号权限表，记录用户归属方码号、用户ID（来源于用户归属方用户关系管理系统）和业务权限（语音、短信），并以此数据为基础实现漫游业务二次鉴权。

  星地融合的电路域 IP多媒体子系统（IMS）语音解决方案主要是通过制定新的IMS应用协议栈，实现卫星移动通信网络与全IP化地面移动通信网络的协议转换、信令互通和媒体流互通，完成卫星与地面网络用户的互联互通。

  由于手机的轻薄化设计需求，手机内部各组件高度紧凑、集成化，新增卫星天线将使得手机内部空间更紧张，因此考虑天线共形设计，甚至天线与手机边框结构共形。在设计天线时，极化损耗也是一定要考虑的因素。极化损耗一般发生在收发信号极化不匹配的情况下，如当线性极化天线接收圆极化天线信号时，会发生极化损耗。由于圆极化波可以有实际效果的减少雨雾天气对电磁波传输的影响，因此卫星通信常用的是圆极化波，而地面移动通信手机天线采用线性极化方式。当线性极化天线接收圆极化天线%的信号功率会因为极化损耗而无法传递到接收天线。该损失在手机终端这种小型化、能量受限、功率受限的应用背景下必须克服。因此，提出一种双线性极化天线定向拟合圆极化技术。该技术采用一个3 dB电桥耦合器对内嵌于手机的两个正交双频线性极化天线馈电，同时在高频段和低频段形成两个等幅相位正交的激励，实现多天线圆极化定向拟合，仿线所示。

  手机终端内部板载元器件布局紧凑，增加卫星通信模块势必也会增加空间的大幅度占用。因此需通过改进工艺制程，将多个模块集成到一个SoC上。具体而言，包括如下技术：一是通过提高工艺制程，将基带、射频、存储等集成到一个SoC上，解决芯片小型化问题；二是采用微控制单元+数字信号处理器+专用集成电路（MCU+DSP+ ASIC）的低功耗可重构SoC架构，解决软件可重构问题。

  由于手机终端的高度集成，为了尽最大可能避免在使用的过程中器件发热累积而导致性能直线下降，影响使用者真实的体验，甚至损坏硬件，散热设计也成为一个必须重点考虑的问题。考虑使用更先进、高效、稳定的均热板（Vapor Chamber, VC）液冷散热技术，其散热原理如图5所示。相较于传统的散热方式，VC 液冷散热技术具有更高的散热效率和更快的响应速度。具体解决思路如下。

  （1）手机散热分析：采用红外测温和温度传感器相结合的方式，对手机终端在高负载工作情况下的温度分布做测量和分析，确定实际散热需求和优化效果。

  （4）散热材料研究：研究和开发适合 VC 液冷的材料，提高到热效率和散热效果，确保手机终端长时间稳定工作。

  手机直连卫星作为未来天地一体化融合的典型场景和技术方法，得到了国内外广泛的关注，新的研究和实践不断出现。本文针对基于不同轨道卫星的手机直连卫星系统来进行研究，总结了手机直连卫星系统发展现状，分析了空口侧、卫星侧、网络侧和终端侧面临的技术挑战，提出了相应的关键技术及解决方案，为未来手机直连卫星技术的发展提供了技术支撑。必须要格外注意的是，尽管手机直连卫星技术发展火热且具有广阔的应用前景，但其并不能取代地面移动通信的地位，而仅是作为地面移动通信的有效补充，以实现通信广域覆盖、解决网络覆盖匮乏区域的通信难题。此外，鉴于当前阶段手机直连卫星在技术上仍面临诸多巨大挑战，全面商业化还有一定的距离，产业链上各厂商和科研院所需要逐步推进相关的研究工作，加大有关技术创新，以推动手机直连卫星通信的大规模应用。

  华为使用的mate70pro+图片是金丝银锦，非凡大师陶瓷版很快会看见

  未满月婴儿在月子中心身亡，妈妈：听到她们给孩子换尿布时说“今天你怎么变色了”

  足坛刺激1夜：英格兰5-0升级 哈兰德戴帽挪威5-0 法国3-1意大利

  率队5-0升级！哈兰德起飞：48分钟戴帽 16场19球加冕欧国联射手王

  全美最容易挂科率的大学Top 10！一猜就有它，入学即地狱难度......