手机如何直连卫星？ - 通信人家园

不久前，工信部向中国移动颁发卫星移动通信业务经营许可。至此，中国电信、中国移动和中国联通都获得了卫星移动通信业务资质。这意味着三大运营商均可以开展手机直连卫星等业务了。

大家都知道，手机与基站之间使用无线电波进行交流。基站到手机的信号传输称为下行链路，反之，手机到基站方向称为上行链路。

当我们通过手机上网时，手机通过上行链路将无线信号发送至基站，基站天线接收到信号后，将信号传送到基站主设备进行处理，并通过传输网络传送至核心网，再由核心网传送至互联网。反之，互联网也会通过核心网—传输网—基站—天线—手机将信息传送到本地。

当基站天线从地面“搬”至卫星上后，该天线负责直接向手机发送和接收无线信号。当卫星上的天线接收到来自手机的无线信号后，卫星先将信号传送至地面的网关站（Gateway），再由网关站传送至地面的基站、核心网和互联网。

简而言之，信号传输路径从“手机—基站—传输网—核心网”变成了“手机—卫星—网关站—基站—传输网—核心网”。

在这样的架构中，手机与卫星之间的无线链路称为服务链路（Service link），而卫星与网关站之间的无线链路叫馈线链路（Feeder link）。

由于信号传输需经过服务链路和馈线链路，因此要求手机和网关站都必须在同一颗卫星的覆盖范围内。这与地面移动网络中，只需手机在基站天线覆盖范围内就能实现网络连接不同。

这是不是意味着要建设很多地面网关站？看起来很不灵活？不用担心，还有一种办法可以消除该限制——星间链路（Inter-Satellite-Links）。

星间链路让卫星之间可以转发信息，它不仅能解决单个卫星需同时覆盖手机和网关站的问题，更重要的是，它能将多颗卫星互联在一起，通过星间组网实现广域无缝覆盖。

卫星通信网络包含多个轨道层，由多种类型的卫星组成。根据国际标准组织3GPP的NTN（非地面网络）规范，按照运行轨道不同，主要分为LEO（低轨道地球卫星）、MEO（中轨道地球卫星）、GEO（地球静止轨道卫星）、HAPS（高空平台站）等几种类型。

其中，LEO卫星离地表的高度在300-1500公里之间，MEO卫星在7000-25000公里之间，GEO卫星为35786公里，HAPS约20公里。

不同卫星轨道各有优缺点。离地表的高度越高，意味着单颗卫星能提供的覆盖面积越大，实现全覆盖所需的卫星数量越少，但缺点是，无线信号传输的距离更长，时延更高，吞吐量更低。比如，GEO的RTT（往返时延）约为600ms；高度在1200公里的LEO卫星的RTT为50ms，高度在500公里的LEO卫星的RTT为30ms；而高度为20公里的HAPS的RTT仅需1ms。

我们熟知的“天通一号”为GEO卫星，最早发射于2016年。凭借在轨已商用的GEO卫星的广覆盖优势，通过在手机上增加卫星通信芯片的方式，可快速、低成本规模实现手机直连卫星，解决蜂窝盲区或偏远山区的应急通信需求。正是基于这种“手机+传统卫星”的模式，华为Mate 60 Pro能支持卫星通信，中国电信推出了手机直连卫星通信业务。

当前，全球卫星星座投资热潮主要聚焦于LEO。在海外，SpaceX（星链）、AST SpaceMobile、Lynk、Sateliot、Iridium、GlobalStar等公司均已部署不同数量的LEO卫星，并与运营商开始合作。在国内，鸿雁星座、虹云工程、GW星座、千帆星座等多个卫星星座计划已先后启动，其中，中国星网的“GW星座”、上海垣信卫星的“千帆星座”等均计划发射万颗以上的LEO卫星，目前进入密集组网阶段。

此外，HAPS也是行业攻克的方向。HAPS飞行于平流层，通常采用太阳能供电，可持续盘旋飞行数月，具有时延低、速率高的优势，尤其适用于抢险救灾场景中的远程控制、视频回传和无人机巡检等用例，也可用于海上、空中、偏远山区等光缆难以到达的场景。

值得一提的是，当前无论是“手机+传统卫星”方案，还是支持4G LTE的LEO卫星，都处于“手机直连卫星”的初级阶段。

“手机+传统卫星”方案，顾名思义，仍然是传统卫星通信和蜂窝网络两种技术体系并存，尽管具有商用部署快的优势，但难以做大生态链、形成规模效应，而且受制于传统卫星能力，无法实现高速率数据传输。

目前星链、AST SpaceMobile等卫星厂商与运营商合作，通过在专有的卫星上搭载LTE设备的方式，能实现存量4G手机直连卫星。但由于传统LTE设备只针对地面网络而设计，且传统4G手机能力有限，这要求厂商需各自对卫星上的LTE设备和天线进行改造升级，以解决时频偏移、链路损耗大等技术挑战。因此，这种方式存在建设成本高、互联互通难等问题。

该技术基于全球统一标准，实现卫星通信与地面移动通信系统的全面一体化，包括网络架构协议、空口技术、终端能力以及频谱资源等方面。这将使未来的任何一部5G手机都能无缝接入卫星网络和地面网络，享受更高的网速，从而推动两大产业深度融合，更好地发挥出规模经济效应。

还是先从地面移动网络工作方式说起。在地面移动网络中，基站的覆盖范围通常为几百米至几千米，为确保下行链路有效覆盖，基站侧会通过加大发射功率和配置功率放大器的方式来补偿无线电波的传输衰减。在上行链路，考虑手机的发射功率有限，为了让基站更好地接收到信号，基站侧同样需要放大器以及高增益天线来补偿信号衰减。

在“手机直连卫星”场景中，考虑卫星与手机之间的距离要远得多，无线信号的传输衰减更大，卫星上需配备更大的天线和功率放大器，来确保下行覆盖。同样，在上行方向，考虑手机发射功率有限，卫星上也需要配备更大孔径、更高增益、更窄波束的天线，来增强来自手机的微弱的无线信号。

手机与卫星距离很远，带来的另一个问题是，无线信号的传播时间更长，往返时延更大，会导致手机与基站之间不同步，以及增加信令交互时长，影响用户体验。因此，需设置合适的时间提前量来补偿时延，以及对HARQ等信令流程进行重新优化设计。

更麻烦的是，由于卫星小区的覆盖半径更大，同一小区下的不同手机之间的往返时延差距也较大，比如GEO卫星小区下手机之间的最大往返时延差约16ms，LEO约10ms，远远大于μs级的地面小区，因此，需引入增强的时间同步机制确保手机间同步以避免干扰。

另一个挑战是多普勒频移。与火车经过时轮轨接触发出的声音的音调会随着火车靠近而增大（频率变高），随着火车远离而减小（频率变低）的原理相同，无线信号传播时也会偏离原始传输频率。

多普勒频移与信号发射端和接收端之间的相对速度强相关。针对地面高铁的行驶速度，5G NR最初设计可应对最高500公里/小时的高速移动场景下的多普勒频移。

但从地面看，卫星以每秒数公里的极高速度移动，发生的多普勒频偏比地面通信要大得多。例如，高铁场景下的多普勒频偏仅几KHz，而在LEO卫星下工作频率为2GHz时，多普勒频偏最高可达48KHz。因此，必须在发射端或接收端进行适当的频率补偿。

再一个挑战是移动性管理。由于自由空间损耗、建筑物阻挡等原因，无线电波在传输过程中，信号强度会随着传播距离的增加而降低。所以，我们在使用手机时经常会看到这样的现象：当手机距离基站天线较近时，接收信号很强；而当手机距离基站天线较远时，信号会变弱。

针对这种情况，为了确保服务的连续性，运营商建设了很多基站，每个基站通常部署三面天线。每一面天线覆盖的地理区域称为“小区”，负责连接其覆盖范围内的所有手机。这样一来，所有手机都可以与最近的小区天线之间进行通信。

而当手机移动到小区边缘、手机接收信号变弱时，网络会以手机的信号强度为阈值，触发手机重新连接到另一个距离更近的基站天线（小区），从而确保连接和体验不中断，这称为“切换”。

但在卫星通信网络下，这种机制不再适用了。在卫星天线的波束覆盖范围内，每一部手机与卫星天线的距离相差不大，加之“信号从天而降”，几乎不受障碍物阻挡，这导致手机无论处于小区中心还是小区边缘，接收信号强度都差不多，难以根据信号强度来确定切换时机。因此，需要在切换判决机制中引入位置信息等更多考量因素。

当然，以上所有挑战终将被克服。3GPP正逐步推进NTN技术标准落地和成熟。比如，3GPP Rel-17解决了时频同步、大传输时延、移动性管理等基础问题，Rel-18增强了覆盖能力、移动性和业务连续性，并扩展了频段，还对星间链路进行了研究。

目前3GPP Rel-18已经冻结，我们大胆预测，基于3GPP NTN标准的“手机直连卫星”或将在2026至2027年走进现实。