01

手機直連衛星發展現狀

手機直連衛星是指手機與衛星之間能夠直接發送和接收無線信號，進行數據傳輸和數據交換，能夠支持話音、短消息和中低速數據業務。目前，國際上已經有多個衛星互聯網星座支持手機直連衛星業務的應用，還有大量的衛星互聯網星座正在加速開展測試與試驗。

1.1 我國手機直連衛星系統發展現狀

我國已經有兩個衛星通信系統支持手機直連衛星的相關業務。

一是北斗短報文系統。2022年9月，支持北斗三號短報文通信服務的華為Mate50系列手機正式發布。在亞太地區，當用戶身處荒漠戈壁、出海遠洋、地震救援等無地面網絡信號覆蓋環境下，可通過該款手機將文字和位置信息向外發出，與外界保持聯系，及時獲取救援。北斗短報文技術主要通過北斗三號中的3顆地球靜止軌道衛星提供的L頻段和S頻段的射頻信號進行數據傳輸。其單次通信最大長度可以達到1 000漢字，并且支持語音和圖片等多種類型的數據傳輸。

二是天通一號移動通信系統。2023年8月29日，支持天通一號移動通信系統的華為Mate 60 Pro手機正式發布，成為全球首款支持衛星通話的大眾智能手機。用戶可以通過開通中國電信的相關業務來使用這一功能，中國電信用戶無需更換卡號即可使用，非中國電信用戶則需要新辦一張中國電信的電話卡。天通一號移動通信系統是我國自主研制的衛星移動通信系統，目前在軌3顆地球靜止軌道衛星。系統已覆蓋我國國土、領海、西太平洋和東南亞地區，采用S頻段組網，可以提供全天候的語音、短信、數據通信服務。

1.2 歐美手機直連衛星系統發展現狀

歐美等國家正在加速布局多個低軌衛星互聯網系統，積極與地面移動通信網絡運營商合作，加速推動手機直連衛星業務快速發展。

一是全球星衛星通信系統。2022年9月，支持全球星系統的蘋果IPhone 14正式發布。用戶可以在無地面網絡覆蓋的區域，通過IPhone 14發送短信和iMessage與外界保持聯系。全球星系統是由美國勞拉公司和高通公司倡導發起的衛星移動通信系統，由48顆繞地球運行的低軌衛星向全球范圍的用戶提供衛星移動通信業務，業務類型包括話音、傳真、數據、短信息、定位等。

二是星鏈計劃。2023年10月，美國太空探索技術(SpaceX)公司官方網站推出了手機直連星鏈衛星業務，預計在2024年實現短信發送，2025年分階段實現語音通話、上網業務和物聯網業務。2023年12月，SpaceX獲得FCC正式批準，計劃與T-Mobile合作，使用地面業務頻率通過星鏈衛星和普通手機進行6個月的直接通信測試，將涉及約2 000臺測試設備和840顆衛星。截至2024 年6月，SpaceX公司已經發射超100顆支持手機直連的星鏈衛星，成功測試了與涵蓋三大主流操作系統的三星、蘋果、谷歌4G手機的直連通信測試，實現短信、推特和WhatsApp等方式通信。同時，支持手機直連的星鏈衛星已開通星間的激光回程鏈路功能，可實現將用戶終端數據不落地回傳至指定的地面信關站。

三是Lynk公司的Lynk Tower星座。2022年9月，美國FCC授予Lynk公司手機直連衛星服務的許可。因此，Lynk成為首家獲得商業化手機直連衛星服務許可的衛星公司。Lynk已經發射了多顆試驗衛星，并完成了上千部智能手機的接入測試，進一步驗證了其技術的可行性和可靠性。四是AST公司的藍鳥星座。2023年4月，AST公司宣布打通了世界第一個天基蜂窩語音通話，這標志著其在衛星通信領域的重大突破。此外，AST公司還與AT&T合作，在夏威夷進行了多個智能手機的下載速度測試，初步速度達到10.3Mb/s，達到了4G水平。

02

手機直連衛星技術路線

隨著全球用戶對移動通信全域覆蓋的需求不斷提升，手機直連衛星作為衛星互聯網的首要發展階段，重點解決個人通信問題。目前國際上手機直連衛星主要分為三大技術路線：基于傳統衛星移動通信系統、存量手機直連衛星和3GPP NTN手機直連衛星。

2.1 基于傳統衛星

移動通信系統技術路線

“基于傳統衛星移動通信系統”的技術路線是指基于已經在軌且商用的衛星移動通信系統，衛星系統不做任何的修改，手機需要定制化的開發。手機側需要增加或修改射頻模塊和天線來匹配相應衛星移動通信系統的頻段，并開發相應協議來適配相應衛星移動通信系統的私有協議。網絡側需要打通衛星信關站與地面移動通信系統的互通網關，實現手機的相應短信和語音功能。北斗短報文系統、天通一號移動通信系統和全球星系統均采用該種技術路線，來支持手機直連衛星業務。該技術路線是基于在軌且商用的衛星移動通信系統，衛星系統容量無法拓展，用戶承載數量有限，且性能較差，適合在短時間內解決急需，屬于手機直連衛星發展初期階段。

2.2 存量手機直連衛星技術路線

“存量手機直連衛星”的技術路線主要是基于正在部署的低軌衛星移動通信系統，對手機不作任何的修改，衛星需要定制化開發。手機側可以采用4G或5G地面移動通信技術體制協議，衛星側采用地面4G或5G移動通信頻段并開發相應的協議棧，網絡側需要研制支持地面通信協議的信關站。星鏈計劃、Lynk Tower星座和藍鳥星座均采用該種技術路線，需要研制高性能的衛星以及地面信關站，且需要獲得落地國家的頻率主管部門許可，目前還處于測試驗證階段。該技術路線是基于正在部署的衛星系統，可以根據用戶數量來調整衛星星座的大小，目前已在網手機可以無縫接入，用戶體驗感較好，但是衛星技術難度較大，有一定的風險。

2.3 3GPP NTN

手機直連衛星技術路線

“3GPP NTN手機直連衛星”的技術路線是基于正在部署或已經在軌商用的高軌或低軌衛星移動通信系統，采用非地面網絡(NTN)的技術體制。目前第三代合作伙伴(3GPP)、國際電信聯通(ITU)和中國通信標準化協會(CCSA)等國內外標準化組織正在積極推進NTN技術標準研制。NTN的網絡架構分為透明轉發和星上再生兩種模式。

對于透明轉發的網絡架構，NTN技術體制可以適配已經在軌商用的高軌或低軌衛星移動通信系統，衛星側不用作任何修改，手機側需要增加或修改射頻模塊和天線來匹配相應衛星系統的頻段并支持NTN協議。

對于星上再生的網絡架構，NTN技術體制需要適配正在部署的高軌或低軌衛星移動通信系統，衛星側需要支 持 全 部 或 部分的5G基站功能并支持星間鏈路功能，手機側要根據衛星系統所用的頻段來調整射頻模塊并支持NTN協議。

目前已經有多家芯片和設備廠商推出相關產品，產業界正在開展相關的試驗驗證。

03

手機直連衛星鏈路預算分析

在手機直連衛星應用中，衛星到手機的距離遠超地面基站到手機的距離，顯著提高了傳輸鏈路的損耗。手機直連衛星的網絡架構如圖1所示。

圖1 手機直連衛星網絡架構圖

在手機直連衛星應用場景中，手機通過衛星業務鏈路 (Service Link) 與饋線鏈路 (Feeder Link)，經由信關站完成與數據網絡的信息交互。手機天線為全向天線，無法隨時跟蹤衛星的位置，導致天線增益較低，且手機的發射功率受限。因此，需要針對手機直連衛星的鏈路預算進行詳細分析，研究提出適應性的解決方案。

3.1 手機直連衛星的傳輸速率

按照 3GPP TS 22.261 V18.0.0中的規定，手機用戶的傳輸速率應達到 1Mb/s。根據香農定理，最大傳輸速率取決于信道帶寬和信噪比，如式 (1) 所示。

式中，C為傳輸速率，B為信道帶寬，SNR為信噪比。按照3GPP TS 38.821 V16.0.0中的規定，子載波信道帶寬可以為60KHz，此時SNR至少應達到5dB，則相應的載噪比也應大于5dB。

3.2 手機直連衛星的載噪比

手機直連衛星中，載噪比是衡量通信質量的一個重要參數，它表示信號功率與噪聲功率密度之比，如式 (2)所示。

式中，EIRP是有效全向輻射功率，單位為dBm，為地球站或衛星的天線發送出的功率與該天線增益的乘積，在上行鏈路中EIRP是有效全向輻射功率是指手機發射側的EIRP是有效全向輻射功率，一般為23dBm。

G/T是品質因數，單位為dB/K，為天線增益(G)與噪聲溫度(T)的比值，用于評估接收天線的靈敏度和整個接收系統總噪聲溫度之間的關系，在上行鏈路中是指衛星接收側的G/T。

K是玻爾茲曼常數，即-228.6dBW/K/Hz。

PLFS是自由空間損耗，單位為dB，具體計算方式如式 (3) 所示。

式中，d為自由空間傳播距離，具體由星下點與目標經緯度計算，單位為m；λ為載波的波長，單位為m。手機直連衛星場景考慮在600km高度的低軌衛星下。

PLA是大氣路徑損耗，單位為dB，主要為雨衰和大氣吸收。雨衰是影響Ku及以上頻段衛星通信系統性能的重要因素，雨衰減的統計分布是鏈路可靠性和系統余量設計的重要依據。大氣吸收是指大氣氣體引起的衰減，主要與頻率、仰角、水平面上的高度以及絕對濕度等有關。大氣路徑損耗在3GHz以下可以忽略不計。

PLSM是陰影損耗，單位為dB，3GHz以下時可以近似為3dB。PLSL為閃爍損耗，單位為dB，是指對流層閃爍引起的小尺度快衰落，對流層折射指數小尺度不規則變化則會導致電磁波幅度和相位的快速起伏，與頻率、對流層長度、濕度以及波束寬度等成正比。

PLAD為額外損耗，單位為dB，是指指向誤差和極化損耗等，可以忽略不計。

B是載波頻率，考慮在2GHz左右。

綜上，按照CNR為5dB進行計算，衛星接收天線增益應至少達到34dBi。

3.3 手機直連衛星的天線增益

手機直連衛星中，由于手機側的發射EIRP受限且天線增益較低，因此如果想提高數據的傳輸速度，需要提高衛星側的天線增益。衛星天線增益是衡量其性能的重要指標之一，它表示了天線將電磁信號從空間中收集到的總能量與相同功率的點源天線輻射的能量之比。一般來說，天線增益與通信頻段、天線口徑面積、波束對齊等因素相關。以圓口拋物面反射天線為例，其天線增益計算如式 (4) 所示。

式中，D為拋物面天線直徑，單位為m；f為載波的頻率，頻率為Hz，c為光速，即299 792 458m/s。

綜上，按照衛星天線增益為34dBi計算，則天線面積至少為30m2。

04

結語

根據前面的理論分析，在手機直連衛星應用場景中，如果用戶想達到1Mb/s的傳輸速率，低軌衛星的天線面積就要達到30m2。以目前的衛星天線制造水平，該類低軌衛星的制造成本較高，且還需要攻克天線的折疊展開技術等問題，不利于后續手機直連衛星的業務快速發展。因此，手機直連衛星需要首先研究如何在不過多增加天線尺寸的情況下，顯著提高衛星天線的增益。

提高天線增益可以考慮采用相控陣天線并采用多波束成形天線技術。衛星相控陣天線是一種通過控制陣列中輻射單元的饋電相位來改變方向圖形狀的天線，具有高精度指向、多波束、自適應波束形成等技術特點。多波束成形天線技術是一種能夠同時在多個方向上發射和接收信號的天線系統，可以實現高增益、低旁瓣的特性。目前，國內外的主流低軌衛星互聯網星座都在不斷探索相控陣天線和多波束成形技術，是未來手機直連衛星大規模商用的技術前提，亟需加快研究與突破，推進手機直連衛星加速發展。

劉碩, 錢夢媛, 萬軍, 等. 手機直連低軌衛星鏈路預算分析[J]. 信息通信技術, 2024, 18(05):4-11

>End

本文轉載自“信息通信技術”，原標題《手機直連低軌衛星鏈路預算分析》。

為分享前沿資訊及有價值的觀點，太空與網絡微信公眾號轉載此文，并經過編輯。

未按照規范轉載及引用者，我們保留追究相應責任的權利

部分圖片難以找到原始出處，故文中未加以標注，如若侵犯了您的權益，請第一時間聯系我們。

HISTORY/往期推薦

充滿激情的新時代，

充滿挑戰的新疆域，

與踔厲奮發的引領者，

卓爾不群的企業家，

一起開拓，

一起體驗，

一起感悟，

共同打造更真品質，

共同實現更高價值，

共同見證商業航天更大的跨越！

——《太空與網絡》，觀察，記錄，傳播，引領。

·《衛星與網絡》編輯委員會：王國玉、劉程、童旭東、相振華、王志義、楊烈

·《衛星與網絡》創始人：劉雨菲

·《衛星與網絡》副社長：王俊峰

·微信公眾號（ID：satnetdy）團隊

編輯：艷玲、哈玫，周泳、邱莉、黃榕、娜娜

主筆記者：李剛、魏興、張雪松、霍劍、樂瑜、稻子、趙棟

策劃部：楊艷、若?、李真子

視覺總監：董濘

專業攝影：馮小京、宋偉

設計部：顧錳、潘希峎、楊小明

行政部：姜河、林紫

業務部：王錦熙、瑾怡

原創文章轉載授權、轉載文章侵權、投稿等事宜，請加微信：15910858067

商務合作；展覽展廳設計、企業VI/CI及室內設計、企業文化建設及品牌推廣；企業口碑傳播及整體營銷傳播等，請加微信：13811260603

雜志訂閱，請加微信：wangxiaoyu9960

·衛星與網絡各分部：

成都分部負責人：沈淮

長沙分部負責人：賓鴻浦

西安分部負責人：郭朝暉

青島分部負責人：江偉

·衛星與網絡總部負責人：農燕

·會議活動部負責人：喬顥益、許克新、董今福

· 投融資及戰略層面合作：劉雨菲

·本平臺簽約設計公司：一畫開天（北京）文化創意設計有限公司

· 航天加（深圳）股權投資基金管理負責人：楊艷