手机直连卫星火了，下一代互联网激烈竞争拉开帷幕

现状

大佬纷纷下场，角逐“向上捅破天”市场

今年8月下旬，SpaceX与美国无线运营商T-Mobile联合宣布，将通过星链卫星为美国部分用户提供手机直连卫星的服务。9月10日，AST公司的蓝色行者3试验卫星成功发射入轨，未来系统成功部署后可从太空直接向手机提供卫星移动通信服务。

在手机市场端，9月6日和7日, 国内外两家主流手机终端厂商各自发布了一款可直连卫星的旗舰手机，分别可支持北斗短报文服务和全球星的卫星紧急救援功能, 揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。

疑惑

为什么需要手机直连卫星?

目前实现难在哪儿?

5G已然如此强大，为什么还需要手机直连卫星互联网?带着这个问题我们先看看全球移动网络现状。

目前，移动通信网络仅仅覆盖了地球约20%的陆地面积，而对占地球表面71%的海洋的网络覆盖率只有5%。总体算下来，移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积。

沙漠，丛林，冰原等人迹罕至的地方，海洋上各种各样的船只，这些边缘地带的通信需求如何满足?洪水、地震、海啸等自然灾害导致断电、断网、断路，使救援工作困难重重。危急时刻如何打通救援的生命线?这些场景对手机直连卫星有迫切的刚性需求。我们需要建设一张覆盖全球，不受地面环境限制的通信网络。

从手机产业角度来看，目前市场竞争激烈，急需新形态的技术帮助产业破局。多家厂商开始把新的竞争赛道定位到手机直连卫星通信技术，这是面向未来布局的重要一环，对实现网络+终端+场景全方位融合意义重大。然而实际情况是：推出的新手机在直连卫星上还处于比较初级的阶段，功能上非常受限。

手机直连卫星的难度到底在哪儿?

基于3GPP的蜂窝通信协议从2G、3G、4G，再到5G，针对地面网络场景一路演进过来，要实现卫星通信的挑战难度很大，主要面对以下几项挑战：

1、高传输时延。GEO(高轨道)卫星的单向传输时延可达250毫秒以上(RTT时延可达500毫秒以上)，极大地影响基站和手机间交互的时效性，特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。即使是低轨卫星(LEO)， 单向时延也可能超过25毫秒(UE-卫星-信关站)。因此，需要对相关协议流程进行改进或者重新设计。

2、多普勒频移等因素造成的通信性能不稳定。对于非地球同步轨道卫星(例如低轨卫星)，相对地球是高速运动的，这会导致严重的多普勒频移。对于这样的卫星系统，不但需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移还有数十微秒的定时漂移，同时还存在覆盖不均匀的情况，导致目前通信质量很不稳定，SpaceX交付各个国家的地面终端通信速率存在较大的波动。

图：美国加州Grass Valley用户的下行速率测试结果，最高速率接近299Mbps，最低速率仅1.23Mbps

3、超大半径的小区管理。地面蜂窝网络小区一般几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米，而LEO(低轨道卫星)波束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。因此，卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显，对系统定时同步也会带来一定的影响，此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。另外，小区半径较大，也意味着需要管理的用户较多，可能会经常发生资源不够用的情况。需要设计相应的小区管理和资源调度机制。

4、移动性管理。非地球同步轨道类型的卫星相对用户高速运动，会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。一方面，在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选;另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，进行预先的小区或波束切换，减少信令交互开销，此外，随着用户数量的增加，必然存在同一时间用户数量增多而服务速率下降的情况，当更多用户争抢同一个地面关口站的带宽时，必然发生拥挤降速的尴尬状况。

5. 终端的复杂度和功耗。手机等终端要同时支持地面网络和卫星网络，实现的复杂度会大幅增加。对于物联网类型的终端，支持卫星通信可能会比普通的地面通信消耗更多的功率。另外，要实现手机直连卫星，还需要部署地面网关(信关站)、基站和核心网。这些设备如何和传统的地面网络进行融合也需要相关的设计。总体来说，要实现手机直连卫星需要从终端、卫星、地面网络等多个维度进行设计，是一项高难度的系统性的工程，会影响通信产业的多个层面。

目前手机直连卫星的标准化程度和产业发展水平如何?

在标准化方面，目前3GPP Rel.17的空口标准已经冻结，在标准中正式引入了面向NTN(非地面网络)的5G 空口功能，支持包括NTN NR和支持eMTC和NB-IoT的NTN IoT两种卫星通信方式。目前Rel.18还在持续增强NTN的空口功能。除了空口标准的制定，系统架构和核心网协议(例如3GPP SA1，SA2, CT1, CT3和CT4)和网管协议也进行了相关的增强，以支持NTN的通信。

在产业发展方面，经过多年的努力，NTN已经取得很大进展。今年年中，展锐、联发科、中兴等厂家纷纷报道完成了5G NTN终端芯片在卫星或卫星信道模拟环境下的测试。若仅从技术的角度来看，5G NTN标准化和终端芯片化有望在近两三年内出现可落地的产品。

如上述介绍，手机直连卫星通信是一项系统工程，需要产业链的多方参与，其中重要的一环就是技术验证工作。测试厂商(例如罗德与施瓦茨)在这方面扮演着重要角色。可以通过其提供的各种测试设备和方案加快技术验证，保证各种指标满足通信的需求，例如在射频方面需要针对手机终端的发射机和接收机的射频指标进行测试，优化硬件参数。在协议方面针对其一致性进行测试。可以通过各种测试仪表的组合去搭建和模拟不同的测试环境，针对特定测试目标进行相关的技术验证。也需要针对卫星的载荷，进行相关的射频参数测试，例如下图：

畅想

未来卫星通信还有更多可能

卫星通信包含多种场景，包括宽带互联网服务和手机直连卫星服务等。目前的星链业务就属于前者，而“手机直连卫星”则是后者。未来，卫星通信和地面移动通信、固定宽带通信和手机移动通信，无缝融合、互为补充。当我们在城市的办公室或家中时，主要使用光纤宽带;出门或开车时，主要使用5G网络;到户外，手机自动切换为直连卫星;坐上轮船、飞机，或开车到郊外，则通过卫星终端和WIFI热点，自动接入卫星宽带业务。

未来的通信必然朝着天地融合、无处不在的方向发展。实现这一愿景，需要把卫星通信和地面5G或未来的6G网络融为一体。以SpaceX为代表的全球科技巨头都在积极抢占不可再生轨道资源。手机直连卫星成为风口，标志着下一代互联网激烈竞争拉开帷幕。

审核编辑：汤梓红