环球财经丨手机直连卫星关键技术及展望97国际游戏app-

　　97国际-至尊品牌,源于信誉-

　　以手机直连卫星为代表的星地融合移动通信成为新一代移动通信技术和产业发展方向。针对手机直连卫星的三种技术路线（基于现有卫星通信体制、基于现有地面移动通信体制、基于3GPP NTN体制），NTN手机直连卫星被业界誉为技术最先进，国内外均在积极开展技术试验。本文基于对5G NTN手机直连卫星关键技术的分析，进一步展望了6G NTN手机直连卫星的设计目标、网络架构和关键技术。

　　类似于地面移动通信十年一代向前演进，卫星通信历经了模拟卫星通信、数字卫星通信、窄带卫星通信网络、高吞吐卫星通信、巨型星座宽带卫星通信网络、星地融合手机直连卫星网络等不同发展阶段。通常，宽带星座卫星互联网解决“团组”通信问题，而手机直连卫星重点解决个人移动通信问题，推动卫星通信从行业应用转向公众消费。

　　手机直连卫星具有三种典型的技术路线。技术路线一基于现有卫星通信体制，被业界称为“新手机、旧卫星”，其特点是手机双模。基于该技术路线，我国已经发展了天通一号移动卫星通信系统和北斗短报文等手机直连卫星通信系统，该类系统全部由高轨卫星组成，主要提供短信、语音等业务。技术路线二基于现有地面移动通信体制，被业界称为“旧手机、新卫星”，其特点是星载天线阵面大。基于该技术路线，美国AST SpaceMobile（以下简称ASTS）、SpaceX在联合地面运营商积极推进，其中SpaceX已发射卫星600余颗，联合T-Mobile于2025年10月正式商用，支持文本、语音和数据传输。技术路线GPP NTN体制，被业界称为“新手机、新卫星”，其特点是手机成本没变化、系统优、综合成本低。基于该技术路线，国内外均在积极开展技术验证。例如，Inmarsat、Thuraya、铱星、天通一号等在轨卫星系统开展基于IoT NTN的技术验证，中国信科、中国移动等自2023年积极开展基于再生处理模式的NR NTN技术验证等。和其他技术路线相比，NTN手机直连卫星在技术、产业、组网等方面均具有明显优势，具体分析见表1。从技术、产业、组网等维度综合来看，NTN手机直连卫星技术路线已成为发展主流，国内外运营商和终端芯片厂家均在积极开展5G NTN 测试。预计2027年后，手机将大比例支持5G NTN。

　　本节分别从新特性和产业实现的角度出发，对5G NTN手机直连卫星的关键技术进行介绍。

　　国际标准化组织3GPP自R15 开始研究5G NTN技术，2022年6月结束的R17形成了第一个透明转发的NTN标准，同时支持NR NTN 和IoT NTN。自R18开始，3GPP 针对5G NTN一直在进行技术增强，涉及低频段和高频段。和地面5G相比，5G NTN引入了时频同步、时序管理、HARQ 机制、移动性管理等基本特性。针对手机直连卫星，5G NTN进一步引入的新特性主要包括跳波束、覆盖增强、容量增强、基于MBS的广播、星上处理模式、星上存储转发、终端-卫星-终端、IoT TDD、高轨语音等。

　　卫星在不断地使用更小的波位划分以提升单位面积的信号功率，通常单颗卫星支持的波位数达到成千上万个。然而，受限于发射功率，卫星支持的波束数目相对有限，意味着每个波束需要在其所管辖的多个波位中按照时分的方式来进行跳变。跳波束技术需要设计合理的跳变图样，以保证每个波位都能被服务到并兼顾波位的容量需求，以及降低同频波束的干扰。

　　面对卫星到手机（即下行用户链路）或手机到卫星（即上行用户链路）的链路预算不足，需要从系统和链路层面去考虑覆盖增强。系统级增强技术主要有控制和业务分离，即采用控制波束来完成用户的同步和接入过程、采用业务波束来完成用户的数据传输。为了合理利用功率，控制波束可以设置成宽波束来形成更广区域的覆盖，业务波束可以设置成窄波束来为用户按需服务。链路级增强技术主要有冗余传输，理论上，每重传一次能获得3dB的链路增益。

　　和地面移动通信的小区覆盖范围相比，卫星通信的单个波束（对应单个小区）覆盖范围远远要大，意味着手机直连卫星业务爆发增长后，卫星通信将面临容量不足问题，因此需要进行容量增强。针对相同的时频资源，常用的扩容手段有正交扩频或者非正交多址接入。考虑到实现的简化以及性能不受影响，目前标准中主要探讨了用低倍数的正交覆盖码（Orthogonal Covering Code, OCC）来实现，并考虑了时隙级OCC、时隙间OCC、符号内OCC、符号间OCC等多种方案。

　　NTN与组播广播服务（Multicast-Broadcast Services, MBS）功能结合，能够实现从传统点对点通信向点对多点广播的扩展，将广泛应用于应急通信（如灾害预警广播）、偏远地区互联网接入、物联网数据分发及公共安全服务。例如，5G NR MBS可复用现有蜂窝网元，终端无需硬件改造即可接收广播信号，实现“泛终端化”覆盖。针对NTN覆盖区域大、MBS服务区域可能比NTN小区小的问题，标准支持了只在特定区域（小于一个小区）广播，以及业务连续性等问题。

　　3GPP在R17、R18阶段的5G NTN标准仅支持卫星透明转发模式，即卫星仅进行无线电信号处理，不处理数据。随着卫星技术的进步，以低轨巨型星座为代表的新一代卫星通信系统均采用星上处理和星间链路技术，即星上处理模式更易于支持大规模星座组网。自R19开始，3GPP针对NR NTN 支持再生处理模式，并优先完成了完整基站（full gNB）上星模式。对于CU-DU分离、UPF上星等更多的灵活网络架构再生处理模式，将在后续版本中持续推进。

　　针对卫星物联网业务，在卫星馈电不可用时（即用户链路和馈电电路不同时存在），可以基于星载基站和轻量级核心网，支持终端数据的星上存储转发操作。星上存储转发的典型用例包括：MO(UE-IoT服务器)业务、MT(IoT服务器-UE)业务、IoT网络的端到端数据传输、应急信息的存储转发。星上存储转发需要考虑的关键功能包括网络架构设计、存储转发的授权、上下行数据的存储和转发等。

　　基于星载基站和轻量级核心网，卫星通信网络可以支持终端之间通过卫星直接通信，以解决数据不落地的问题，并节省馈电资源、降低通信时延。卫星上部署了基站和用户面功能（gNB+UPF），则UE之间能够直接建立用户面通信隧道，完成IMS数据的星上交换。

　　应铱星系统的需求，3GPP在R19针对IoT NTN引入了时分双工（Time Division Duplex, TDD）模式，即NB-IoT/eMTC等物联网终端直连卫星时，上下行链路共享同一频谱，通过时隙划分实现双向传输。IoT TDD的关键在于将星地链路特性与IoT低速率、低功耗、非对称业务需求进行适配，需要进行帧结构优化、资源配置、干扰抑制等关键技术突破。

　　为了解决地球同步轨道（Geostationary Earth Orbit, GEO）卫星如何使用NTN技术实现手机直连卫星，以中国电信为代表的运营商推动了基于NB-IoT的高轨IMS语音核心网增强技术立项，优化SIP信令、低码率传输等。高轨语音的核心痛点是高轨卫星的长时延、低带宽如何与终端适配，涉及的关键技术有专属承载与QoS保障、采用0.4-1.2kbps低码率语音编解码、信令与资源调度优化、终端与核心网适配等。

　　手机直连卫星载荷面临产业化挑战，涉及的关键技术主要包括星载相控阵天线、星间激光通信、载荷一体化等。

　　和传统机械天线的追踪单目标、响应慢、易发生故障等特点相比，星载相控阵天线具备能追踪多目标、响应快、高可靠等特征，越来越多地在手机直连卫星通信系统中应用。从国外来看，以ASTS为代表，其BlueWalker 3卫星采用了“翼阵一体”相控阵，阵元数2368个，展开面积达64平方米，能支持10Mbps 以上的峰值速率。手机直连卫星对星载相控阵天线提出了技术需求：一方面，星载相控阵天线受工作频段及带宽、阵列规模、波束数量、频谱效率等方面的约束，以满足系统性能要求；另一方面，为适配卫星及运载系统，星载相控阵天线需要降低天线重量、体积、功耗等。

　　星载相控阵天线目前存在着波束数量少、赋形能力弱、工作带宽低（平坦度低）、增益低、功耗高、体积/重量大、成本高、规模化弱等系列挑战，为支持手机直连卫星需要攻克系列关键技术，例如数字波束赋形，多子阵/天线，折叠相控阵，扩大阵元规模，芯片化，稀疏阵、体制优化，星载一体化设计，架构优化、工业级器件，高集成度芯片、一体化设计等等。

　　星间链路传统上采用CCSDS 协议，具有如下优点：（1）航天领域非常成熟、可靠，深空探测、测控都在用；（2）标准完备，工程经验丰富，容易互通。CCSDS也存在如下不足：（1）协议偏重，控制过程复杂，在Gbps-Tbps高速处理压力大；（2）更适合“窄带、低速率、少节点”的场景；（3）对大规模星座动态拓扑的优化不足。

　　和CCSDS协议相比，OTN协议具有承载效率高、多业务隔离能力强、加密方案灵活高效、丰富的监测与运维等特征，越来越受到业界青睐。而且，OTN协议已在地面成熟应用多年，标准化程度高，相关产业链发达且开放。

　　随着手机直连卫星面向宽带发展，100G OTN相干星间组网优势明显，具体体现在：（1）长距离、高灵敏度；（2）高可靠性；（3）具备国产化能力；（4）地面运营商大规模应用；（5）组网互通：通过组网规划解决。因此，积极发挥地面光模块产业链优势，打造真正面向“星地一体化、Gbps-Tbps”的下一代星间链路协议。

　　当前卫星载荷各部分采用独立设计，面临有效载荷单机组件数量繁多、组件间耦合性强、整星方案冗余、线缆复杂装配难度大耗时长、整星测试周期长消耗资源等问题。载荷一体化设计及载荷半舱系统解决方案是应对星座规模建设、上下游产业链成熟的一条有效路径。

　　然而，要实现载荷一体化，需要攻克系列关键技术，具体包括：（1）核心载荷充分整合优化，例如遥测遥控、继电器、OC等通用处理部分的整合，基带处理异构实现，基带、路由、激光、QV、AI等SoC芯片整合方案；（2）内外部接口兼顾极简与标准，例如一体化载荷中综合处理部分与射频部分的接口，一体化载荷与综合电子的接口，一体化载荷与平台其他载荷的接口；（3）载荷一体化与卫星联合设计，例如对地舱舱板联合设计满足结构、热控要求，对地舱舱板与对天舱的控制接口联合设计，对地舱舱内及与对天舱的供电方案联合设计；（4）载荷一体化生产流程建设，例如原整星出厂中涉及接入网/承载网协议体制测试可下沉，原整星出厂中可通过真实星上陪测设备完成的测试可下沉。

　　本节基于对6G NTN的设计目标分析，探讨了6G星地融合网络架构及6G NTN系列关键技术。

　　我国在2020年提出的“5G体制兼容、6G系统融合”星地融合技术路线，在业界达成了广泛共识。ITU已明确未来6G标准由地面移动通信和卫星通信融合组网，两者标准完成时间基本同步，目前初步完成了6G卫星未来技术趋势研究。3GPP 强调6G阶段做TN和NTN的融合设计，并将6G NTN列入6G第1 个版本的必要内容，预期R20完成6G NTN研究，R21完成6G NTN 标准制定。

　　6G NTN的典型应用场景。和5G NTN相比，6G NTN一方面将和TN内生融合，克服5G NTN产业链的短板，使得TN和NTN的产业可以同步推进；另一方面将提供比5G NTN更好的用户体验、更大的容量和更多业务的服务能力。

　　6G支持空天地接入统一架构设计，支撑立体全域无缝覆盖，增强网络容量和可靠性，提供业务一致性体验。

　　6G星地融合网络架构。从终端来看，6G支持星地统一接入，支持手持、IoT等多种类型；从卫星来看，6G支持透明和再生模式，支持星载核心网，支持多轨共存、协同接入，支持星载计算/AI等服务；从星地互通和共享来看，6G支持星载基站移动性管理增强，支持核心网星载部分和地面部分互通，支持卫星接入网络共享、星地漫游。

　　6G星地融合对网络架构的增强体现在两个方面：（1）支持分布式组网，即通过统一网络编排技术，实现星地融合网络的按需生成、按需部署、即插即用，构建广泛分布、需求多样化的定制化网络；（2）支持星载轻量化核心网，提供可动态扩展的架构，增强星上服务，满足低时延、高自治等场景诉求。由此，需要攻克的关键使能技术包括：（1）多轨卫星接入协同技术，即利用高低轨的各自优势协同提供服务，例如高轨负责接入，低轨负责数据传输；（2）动态数据传输优化技术，即数据流量可动态选择最合适的传输路径，如TN、LEO、MEO、GEO；（3）动态QoS调整技术，即网络条件变化自动适配QoS调整；（4）基于再生模式的移动中继技术，实现灵活组网；（5）基于AI的星地统一网络管理和算力资源编排技术。

　　面向6G Day1标准，业界探讨了系列6G NTN关键技术，包括TN和NTN统一的无线空口设计、星地多层网络协同传输、终端无GNSS接入、卫星NLOS的深度覆盖、通导融合定位、6G卫星网络与AI融合等。

　　卫星通信传统上以FDD为主，而地面移动通信同时支持TDD和FDD两种方式。因此，TN和NTN 统一设计意味着6G NTN需要支持TDD或者半双工FDD（HD-FDD）方式。和FDD方式相比，TDD方式无需同时收发，可简化天线及射频复杂度，但需要考虑定时关系及流程设计，并进行上下行干扰规避。

　　除双工方式外，TN和NTN统一设计还需要考虑：（1）帧结构设计及调度优化，如帧结构降低TDD 模式下保护间隔的占比，对更长传输时间间隔的资源进行统一调度等；（2）无GNSS辅助的终端接入，即允许UE在仅具备有限的GNSS 信息或者无GNSS信息情况下完成与卫星的接入；（3）用户及馈电链路一体化，即支持馈电链路采用与用户链路相似的系统设计；（4）深度覆盖，即支持终端在室内场景下的寻呼，从而接入卫星网络。

　　6G网络将向星地立体多层覆盖发展，因不同层网络具有各自覆盖和传输特性，孤立的网络会导致覆盖和业务传输的割裂，不利于资源高效利用。因此，需要考虑多层子网的高效协同，提升用户体验。

　　星地多层网络多波束协同传输涉及四个方面。其一为多波束传输协同，即利用单颗或多颗卫星的多个波束，基于SU-MIMO来提升用户峰值速率，或者基于MU-MIMO来提升系统容量。其二为多层网络智能接入协同，其中终端基于高轨、低轨和地面网络的信号质量，智能自适应接入最优的子网进行通信；网络侧可以广播接入参数，实现基于业务负载或服务QoS控制用户的接入。其三为多轨道传输协同，即以多连接技术为基础，终端可以选择高轨作为主小区，完成控制面的连接；低轨卫星网络作为数据面增强小区，提供更高速率的业务服务能力。其四为多维资源协同，即当单一运营商具备多层网络的部署能力时，可以动态地调整各层子网的覆盖区域、频谱带宽、业务负载，实现系统效率的最优化。

　　5G NTN的标准中，终端的GNSS信息被认为是基本条件。然而，在实际应用中，存在GNSS信息扰或者精度低的情况，而且持续地测量GNSS也会对终端带来一定的复杂度和功耗，因此业界近年来开始关注无GNSS条件下的接入。当终端不具有GNSS信息时，对终端的同步、波束跟踪、调度和切换带来较大的挑战。特别对低轨卫星来说，对于同步保持的难度非常大。因此，需要攻克一系列关键技术，具体包括：（1）基于网络辅助信息终端接入，即网络发送波束中心点的位置参考信息，终端基于该参考点进行同步补偿，实现精准同步；（2）基于终端自主定位的接入机制，即网络发送定位参考信号给终端，终端测量定位参考信号，并获取卫星的位置信息，实现终端的自主定位；（3）物理随机接入信道（PRACH）信号增强，即当终端无GNSS信息时，PRACH信号检测需要克服时延和频偏两大挑战，采用新型PRACH设计可解决这两个问题。

　　现有卫星通信以服务具备直射径的用户为主，当用户在信号遮挡区域时对应非视距（Non-Line of Sight, NLOS）无线信道，会导致链路连接失败，无法进行有效通信。

　　深度覆盖技术可支持低轨卫星的增强覆盖场景，也可用于高轨卫星的数据传输。为实现深度覆盖，可采用更低速率的鲁棒传输设计方式。需要攻克一系列关键技术，包括两个方面：其一为深度寻呼技术，设计单独的寻呼信道，可抵抗20dB以上的额外链路损耗，用户在收到寻呼后，到室外接听电话，回归正常模式；其二为室内短信通信技术，即用户在室内或有遮挡条件下，可接收到单向的短报文信息，维持最低能力的通信连接。

　　低轨星座的大规模部署为通信导航融合提供了基础设施，为通信和定位的融合带来新的价值。受限于可见卫星数量，5G NTN主要研究了基于单星多个时刻的定位方法，其几何精度因子（Geometric Dilution of Precision, GDOP）较差，制约了定位精度。

　　随着卫星星座的致密化发展，终端可视范围内能看到的卫星数量众多，因此可以采用基于多星的定位方法。多星定位可显著改善GDOP，突破单星定位几何构型差的瓶颈。

　　由于卫星快速运动导致时延、多普勒频移高动态变化，多星定位面临星地信道下的测量误差和测量精度的不确定性、时钟误差带来的定位误差、终端可见卫星数量的快速变化等技术挑战。因此，需要攻克系列关键技术，包括：统一的无线空口信号设计、基于OTDOA或Multi-RTT 定位增强技术、基于角度或多普勒测量的定位增强技术、基于载波相位的卫星定位技术、基于同步信号块（Synchronous Signal Block, SSB）和主参考信号（Primary Reference Signal, PRS）的定位信号设计方案、设计PRS muting机制以降低星间定位信号的干扰等。

　　人工智能（Artificial Intelligence, AI）已经渗透到移动通信网络的各个方面。例如，核心网+AI，可以解决业务及应用的部署、运行、拓展、安全等问题；无线接入网+AI，可以解决信号处理、无线资源管理等问题；此外，在网络规划、操作维护等层面，可以替代传统的人工操作。

　　基于AI的卫星通信网络可以大幅提升网络效率和服务能力。典型的卫星与AI融合的用例包括：星地链路的AI应用、卫星组网的AI应用、网络管理的AI应用等。6G卫星网络与AI技术融合，需要考虑星载算力的受限、星地AI的协同性等挑战。

　　NTN手机直连卫星被业界认为是三种典型技术路线中最先进的一种，目前正在朝着“5G体制兼容、6G系统融合”的方向发展。5G NTN由于不在Day1引入，很多卫星的特定差异未得到充分考虑，例如初始接入和跳波束的兼容性、卫星宽波束和窄波束的应用、低轨卫星移动性对切换和寻呼的影响、对终端同步条件过于苛刻、对卫星波束数目设定的太高、手机直连的链路预算限制等。和5G NTN相比，6G支持NTN与TN 融合的原生设计，在容量、覆盖、效率等方面性能更优。此外，6G NTN一方面支持高效的星地协同，提升网络部署的便利性和业务服务能力的多样性；另一方面支持大规模组网问题的解决和性能优化，进一步拓展新的业务场景。可以预期，6G NTN手机直连卫星将真正实现通信的全域覆盖，消除人与人之间的数字鸿沟。

　　免责声明：本文转自环球财经杂志，原作者康绍莉。文章内容系原作者个人观点，本公众号编译/转载仅为分享、传达不同观点，如有任何异议，欢迎联系我们！

　　国际技术经济研究所（IITE）成立于1985年11月，是隶属于国务院发展研究中心的非营利性研究机构，主要职能是研究我国经济、科技社会发展中的重大政策性、战略性、前瞻性问题，跟踪和分析世界科技、经济发展态势，为中央和有关部委提供决策咨询服务。“全球技术地图”为国际技术经济研究所官方微信账号，致力于向公众传递前沿技术资讯和科技创新洞见。