全球手机直连卫星应用发展与思考

文|陈宏

2023 年8 月29 日，华为公司发布全球首款支持卫星通话的大众智能手机Mate 60 Pro，在国内外引起强烈反响，成为继华为Mate 50、P60、Mate X3 支持北斗短报文功能，苹果iPhone 14 手机基于全球星系统支持双向SOS 紧急联络功能之后，手机直连卫星应用发展中的又一重要里程碑事件。华为Mate 60 Pro 手机使用我国自主研制的天通一号卫星移动通信系统，与中国电信的天地翼卡业务相结合，全球率先实现了手机直连卫星语音业务运营，走出了一条符合中国国情的低投入、快响应的手机直连卫星应用实现路径，对我国后续手机直连卫星的路线选择具有一定借鉴意义。

手机直连卫星已然成为卫星通信领域和信息产业的热点，虽然手机直连卫星尚无统一定义，但已经达成了“手机直连卫星将成为行业重要的市场机遇之一”这一共识。2022 年，全球智能手机用户规模为66.48 亿，全球智能手机出货量规模约为14.3 亿台，其形成的手机直连卫星市场价值可超千亿元。更为重要的是，地面移动通信目前仅覆盖了20%的陆地面积、不到6%的全球总面积，且受地震、洪水等自然灾害影响容易造成大面积通信中断，通过手机直连卫星能够弥补地面移动通信网络的不足，扩展覆盖区域，构建全球覆盖、全天候、全天时的公众应急通信打底网络，为用户提供真正泛在的通信业务体验，有效保障人民群众的生命财产安全。

一、手机直连卫星基本概念

手机直连卫星顾名思义就是大众消费类智能手机能够直接与卫星通信，实现地面移动通信网络目前支持的短信、语音、数据、互联网等通信功能。虽然行业内尚未统一定义手机直连卫星的技术标准，但从用户角度，其要求是明确的，即在不改变用户使用习惯的前提下，大众消费类智能手机同时具备地面移动通信网络、卫星网络的通信能力，此时卫星网络等效于地面2G、3G、4G 或5G 网络，卫星业务也可作为一项增值业务，与地面通信业务共同为用户提供服务，如图1 所示。从运营角度，手机直连卫星至少应具有如下特点：

图1 手机直连卫星应用示意图

1）用户融合。使用同一用户身份（同一SIM 卡）提供服务，实现用户不换卡、不换号按需接入卫星或地面通信网络。

2）终端融合。基于现有大众消费类智能手机形态和软件系统，通过芯片化、多模化、一体化、智能化设计，实现不同频段之间、不同卫星之间，以及卫星通信与地面通信网络之间的快速切换。

手机直连卫星不同于传统卫星移动通信系统支持的专用双模手持终端应用，其看似简单的外观形态改变，实则是卫星通信行业、地面移动通信行业近10 年快速发展相互趋同的结果，也是下一代移动通信技术发展的必然趋势。手机直连卫星实现的难点在于解决卫星高动态、远距离通信带来的强信号衰减、时间不同步、频率不同步、传输时序不对齐、移动性管理等问题。从业务频率的角度，L、S、C 频段比较容易实现与卫星直接通信，其空间损耗相比Ku 频段减少20dB；从通信速率的角度，速率越低越容易实现，相同条件下，速率每提高一个量级，手机发射功率提高10W；从卫星轨道高度的角度，由于手机通信距离增加至百千米、最大36000km，空间路径损耗最大至200dB，低轨卫星较高轨卫星空间损耗少约40dB。正因为近10 年电子技术、无线电技术，以及网络技术的发展，才带来上述难点的不断突破，推动手机直连卫星应用产品不断出现。

手机直连卫星将打开卫星网络在手机、车联网、穿戴产品等消费类民用市场的广阔应用空间，带来射频天线器件、芯片、星载相控阵、星间链路、信号处理等全新增量市场，也为运营商带来消费端新市场的新机遇。随着支持卫星接入的3GPP R17 标准的发布，手机直连卫星应用的发展速度必将加快，其发展路径也将逐渐清晰。

二、全球手机直连卫星发展情况

综合国内外手机直连卫星研制进展，手机直连卫星目前存在多种解决方案（见表1）。从使用频率角度，分为基于地面移动通信频率实现、基于现有卫星移动通信频段实现；从技术体制角度，分为使用地面移动通信协议（包括3GPP R17 中明确的NTN 标准）、使用卫星通信专用协议；从技术难度处理角度，分为交由手机侧处理、交由网络侧（包含卫星）处理。为了方便描述，本文统一从使用频率角度梳理总结全球手机直连卫星应用发展情况。

表1 全球手机直连卫星项目概况

1.基于地面移动通信频率的手机直连卫星

国内尚未开展基于地面移动通信频率的手机直连卫星试验或应用。采用这种技术路线的目前均为国外企业，代表公司有AST 空间移动公司（AST SpaceMobile）、领克全球公司（Lynk Global）、太空探索技术公司（SpaceX）等，AST SpaceMobile、Lynk Global 等公司已发射卫星在轨验证了对普通智能手机的直连通信能力，SpaceX 公司宣布第二代星链（Starlink）卫星将支持S 频段手机接入。

（1）AST SpaceMobile 公司的手机直连卫星

美国AST SpaceMobile 公司致力于使用现有地面移动网授权通信频段与标准，建设可与现有智能手机直接通信的新型低轨卫星星座“太空移动”系统，计划于2025 年前部署完成。该系统空间段由243 颗蓝鸟（BlueBird）卫星构成，分布在16 个倾斜和赤道轨道面，轨道高度725 ～740km，可实现全球南北纬60°之间的无缝覆盖，用户链路为UHF/L/S 频段，地面4G/5G 手机通过用户链路连接BlueBird 卫星，信号以透明转发方式经Q/V 馈电链路连接地面网关，进而接入合作移动运营商的核心网。

目前，AST SpaceMobile 公司已发射2 颗试验星，蓝行者-3（BlueWalker-3）是其中第二颗，发射质量约1500kg，运行在高度500km、倾角53.2°的轨道，卫星对地面安装有用户链路使用的UHF 频段阵列天线，多次展开后天线阵列面积64m2，可形成5 个波束。2023 年4 月，该公司宣布首次实现了使用普通智能手机通过BlueWalker-3 卫星进行双向音频通话。此次测试使用一台未经修改的三星商用智能手机Galaxy S22，通话双方分别位于美国德克萨斯州和日本，利用了电信运营商AT&T 的Band 5（850MHz）频段。除了测试通话外，该公司还对各种智能手机和设备的兼容性，以及智能手机上下行链路信号强度进行了测试，确认了支持蜂窝宽带速度和4G/5G 能力。2023 年9 月8 日，该公司在夏威夷毛伊岛一个没有蜂窝网络覆盖的地区，通过BlueWalker-3 卫星拨打卫星电话，借助AT&T 的5G 频谱发送信号，接收者使用三星Galaxy S22 手机在西班牙马德里接通了这通电话，此次测试标志着常规智能手机和卫星之间的首次5G 连接。至此，该公司实现了与主要制造商生产手机的完全兼容，并支持 2G、4G LTE 和 5G 网络。

AST SpaceMobile 公司的直接用户是地面电信运营商，目前已经获得美国铁塔、欧洲沃达丰、日本乐天、韩国三星等电信运营商的战略投资。根据计划，该公司拟在2024 年发射前5 颗Block 1 BlueBird 卫星，构建更强大的星座。

（2）Lynk Global 公司的手机直连卫星

美国Lynk Global 公司旨在为地面移动网络运营商及用户提供2G 到5G 的通信服务。2022 年9月，美国联邦通信委员会（FCC）已授予该公司全球首个“普通手机直连卫星”服务的商业运营许可。Lynk Global 公司计划2023 年底前部署50多颗卫星，并通过对BTS、eNB 和gNB 等基站软件栈进行适应性修改，在2025 年为地面移动网络运营商提供同时满足2G GSM、4G LTE 和5G NR标准的服务，当卫星飞行进入地面站网关时，可向地面移动电话提供近实时的IP 数据连接至互联网，当卫星飞出地面站网关时，还能采用存储转发的方式进行通信。

目前，Lynk Global 公司已发射部署3 组共7 颗技术验证卫星，这些卫星运行在高度约500km、倾角51.65°的轨道，用于测试向地面标准移动设备收发地面网络信号的能力。2023 年6 月21 日，该公司与帕劳最大的移动通信运营商PNCC 联合宣布，开始使用其卫星向该岛国提供手机直连卫星服务，在自然灾害发生并导致地面网络中断时提供备用服务，以增强这个群岛国家的网络恢复能力。2023 年7 月25 日，Lynk Global 公司发布了其基于在轨卫星与存量普通手机进行双向语音通信的测试视频，展示了通过该公司在轨卫星连接普通移动电话进行多次语音通话的场景。

Lynk Global 公司已与全球30 多个移动通信运营商签订了手机直连卫星服务商业协议，并在七大洲的40 多个国家成功进行了演示。

（3）SpaceX 公司的手机直连卫星

2022 年8 月25 日，SpaceX 公司与电信运营商T-Mobile 公司共同宣布，将通过星链卫星提供真正的全球手机网络连接。2023 年10 月11 日，SpaceX公司在星链官网推出了手机直连卫星业务介绍，其将为全球各地的LTE 手机提供服务，LTE 手机无需更改硬件、固件或特殊应用程序，即可通过星链发送文本、语音和数据，让用户无论身处陆地、湖泊，还是沿海水域，都可以随时随地发送短信、拨打电话和浏览网页。根据规划，2024 年将实现短信发送，2025 年实现语音通话和网络服务，并分阶段实现物联网业务。星链手机直连卫星业务的合作运营商包括：T-Mobile（美国）、ROGERS（加拿大）、KDDI（日本）、OPTUS（澳大利亚）、ONE NZ （新西兰）、SALT（瑞士）等。纳入合作伙伴的国家和地区，可获得同样的手机直连卫星服务。

SpaceX 公司和T-Mobile 公司的合作方案中，T-Mobile 公司提供地面频谱资源1.9GHz，SpaceX 公司则通过携带巨大天线的星链V2.0 卫星实现与地面普通手机的互联。星链V2.0 卫星的通信载荷将在现有Ku、Ka 天线和星间激光链路的基础上，增加一个面积达到25m2的中频PCS 频谱天线，以实现与地面手机的直接通信。每个中频PCS 频谱天线将在地面形成一个通信单元格，通信速率为2 ～4Mbit/s，单元格中的手机将可以通过直连卫星实现通信。SpaceX 同时也在申请使用2GHz 的卫星移动通信频率资源，以增强其卫星移动通信服务。

（4）Omnispace 公司的手机直连卫星

美国欧姆尼太空公司（Omnispace）旨在利用低轨卫星星座提供符合3GPP 标准的全球5G 网络服务，该网络可实现全球范围内面向企业和政府的物联网以及手机等消费类设备的直接通信。2021 年，Omnispace 公司在实验室环境下为美国海军演示了商用5G终端通过卫星获取语音和数据服务的能力。2022 年5 月26 日，Omnispace 公司的Spark-2 试验星成功入轨，与已经在轨的Spark-1 试验星共同提供测试支持。

2.基于卫星移动通信频率的手机直连卫星

卫星移动通信频率主要使用L、S 频段。使用L 频段的卫星移动通信系统主要有国际移动卫星（Inmarsat）、铱星（Iridium）、全球星（Globalstar）、瑟拉亚（Thuraya）；使用S 频段的卫星移动通信系统主要有Inmarsat、回声星（EchoStar）和我国的天通一号系统。其中，Iridium、Globalstar 为低轨系统，其他均为高轨卫星移动通信系统。这些系统的运营商目前也在推进手机直连卫星，通过在频谱、用户、网络覆盖等方面与地面移动运营商或终端设备商建立深度合作关系，相互补充、共同运营。

（1）国外卫星移动通信系统

Globalstar系统。该系统由美国劳拉公司（Loral）和高通公司（Qualcomm）倡导发起，其第一代卫星星座由48 颗主用、4 颗备用低轨卫星共同组成，于2000 年2 月完成部署，并通过20 多个地面关口站为除南北极外的120 多个国家用户提供语音、短消息、数据、定位等服务；2010 年10 月至2013 年2 月，其24 颗第二代卫星发射部署完成，与8 颗一代备份卫星共同组成第二代星座提供全面商业服务。2022 年9 月，苹果公司与Globalstar公司合作推出手机直连卫星SOS 业务，允许通过直接连接Globalstar 卫星发送遇险信息和共享位置。Globalstar 公司已同意将其当前和未来网络容量的85%分配给苹果公司开展手机直连卫星业务，并负责提供和维护所有人员、软件、卫星系统等，确保符合苹果公司要求的连接和覆盖。苹果公司的卫星SOS 服务目前已经在美国、加拿大、法国、德国、爱尔兰、英国、奥地利、比利时、意大利、卢森堡、荷兰、澳大利亚、新西兰和葡萄牙等国家的市场上线。

Inmarsat 系统。该系统是当前国际上应用最广泛、市场占有率最高的全球移动卫星通信系统，其目前主要使用部署在地球静止轨道（GEO）的多颗第四代、第五代、第六代卫星，提供覆盖全球南北纬78°以内区域的移动宽带、窄带通信业务。2023年2 月25 日，摩托罗拉发布了支持双向卫星消息的安卓手机Defy2、CATS75，以及基于eSIM，通过蓝牙连接使用的直连卫星终端Defy Satellite Link，Defy2、Defy Satellite Link 在北美、拉丁美洲和加拿大运营使用，CATS75 在欧洲、中东和非洲地区运营使用。这些产品采用联发科（MTK）生产的符合3GPP NTN 标准的独立芯片组MT6825，通过海事卫星提供服务，终端侧配备有专用的短消息应用程序，运行在Bullitt Satellite Messenger 服务上，一次发送消息限制为140 个字节。

此外，Iridium 系统与Qualcomm 公司合作开发了一款名为骁龙卫星（Snapdragon Satellite）的产品，支持通过Iridium 卫星进行双向通信；阿联酋卫星运营商亚塞特公司（Yahsat，Thuraya 的母公司）投资美国加利福尼亚初创公司eSATGlobal，开发一种芯片，可以让手机连接到Thuraya 卫星；EchoStar也表示将开发智能手机直连卫星应用。当前，这些传统的卫星移动通信运营商基本采用与Globalstar和Iridium 类似的解决方案，即将卫星通信模块集成到手机中，通过连接已在轨的卫星，提供所需的卫星通信业务。

（2）国内卫星移动通信系统

天通一号是我国首个自主研制的卫星移动通信系统，01 星、02 星、03 星分别于2016 年8 月、2020 年11 月、2021 年1 月发射，定点于地球静止轨道，目前3 颗卫星在轨运行提供运营服务。

天通一号系统采用S 频段为用户提供话音、短信、数据、传真等业务。相比华为P60、Mate X3手机支持双向短报文功能、苹果iPhone 14 手机支持双向SOS 紧急联络功能、Iridium 与Qualcomm 公司合作推出的Snapdragon Satellite 芯片支持双向短报文功能，手机直连天通卫星由于支持实时、双向语音业务，其实现难度更大，主要体现在：一是手机集成的卫星通信射频天线收发性能要求更高，相比天通行业终端，普通手机的接收和发射性能均低10dB 以上，需要对手机天线、功放、低噪放等关键器件进行较大的技术创新，对于国内大部分手机厂商难度极大；二是芯片一体化设计要求更高，天通行业终端基带芯片、射频芯片、存储芯片等分离设计，体积大、功耗高，无法直接用于手机集成，需要重新设计、封装，并与手机主板一体化布局，满足高度集成、长时间通话的使用要求；三是天地一体用户统一认证要求更高，天通一号系统原使用1740 专用号段提供服务，为了向用户提供无感的一致服务，实现用户不换卡、不换号情况下按需选择卫星或地面移动通信网络，需要打通卫星、地面移动通信网络统一签约、鉴权、计费的运营通道。针对上述技术难点，中国电信、华为公司和相关设备研发单位联合攻关，历时两年，突破了优化体制设计、射频基带芯片一体化小型化设计、手机高性能前端器件设计、天地一体用户身份统一认证等关键技术，实现了用户融合、终端融合，确保了手机直连天通卫星产品顺利上市运营。

三、两种技术路线的比较

基于地面移动通信频率的手机直连卫星，其优点在于能够面向存量手机实现卫星直连，现有地面智能手机不做任何改动即可直接接入，但其缺点也非常明显。一是建设和运营成本高、周期长，需要新发射数百颗卫星组成完整网络才能提供商业化服务。二是需要突破现有频率监管规则，实现“全球通”难度大。全球地面移动通信频率使用碎片化已成事实，使用地面频率开展手机直连卫星业务不仅面临着没有统一的频率资源问题，也面临着比较大的监管障碍，需要重新规划星地通信频率的属性。以SpaceX 和T-Mobile 合作的手机直连卫星为例，其使用1.9GHz 的PCS G 块频谱只在美国、加拿大和南美的个别国家可用，在世界其他地方不可用，如需在其他地方提供服务，卫星需要在不同地区不断地变化频率，工程难度增加，而且落地运营的商务谈判难度也相应增加。三是频率干扰控制难度大，协调成本高。卫星在不同的地方使用不同的频率，引出的另一个问题就是，卫星运营商不但需要与合作的地面运营商进行地面和卫星的频率协调安排，还要在边境地区与其他运营商进行干扰协调并采取干扰规避措施，复杂的干扰场景也会进一步增加监管部门和地面运营商的担忧，提高协调成本。

基于卫星移动通信频率的手机直连卫星，其优点在于，不需要调整现有频率监管规则即可实现“全球通”，如使用已经建成的卫星移动通信系统，投入适当的研发和改造经费，较短时间内就能实现手机直连卫星，建设运营成本相对较低、周期较短。其缺点在于：一是不能支持存量手机，需要新研集成卫星通信模块的手机，且射频天线性能需要适应性提升；二是基于现有卫星移动通信系统支持手机直连，实现的卫星通信能力有限，现有卫星移动通信系统需要在安装有高增益天线的手持终端的配合下，才能实现话音、短信、低速数据通信，由于手机采用隐形天线设计，射频天线性能相对较差，直连卫星时实现话音和低速数据通信难度较大。

四、我国手机直连卫星应用发展建议

手机直连卫星在我国具有庞大的用户规模和广阔的市场潜力。我国是全球最大的智能手机市场之一，2022 年拥有超过9.5 亿智能手机用户，比第2 ～4 名的印度、美国和印度尼西亚的总和还要大，仅2022年智能手机出货量2.64 亿部，其中，5G 手机出货量2.14 亿部。而且，随着国民经济的发展及个人消费能力的提升，户外运动群体不断扩大，目前，我国约有1.3 亿人开展徒步旅行、户外休闲等泛户外运动，占总人口数的9.5%，且呈逐年增加趋势，需经常性穿越地面网络信号覆盖盲区，对手机直连卫星应用有着迫切的需求。

手机直连卫星还具有很强的技术先进性和产业带动性，其不仅拓展了地面移动通信的覆盖区域，还能够引领卫星技术跨越发展,促进天地融合网络技术深化研究，影响B5G/6G 技术标准演进方向，带来航天和信息产业的变革。因此，综合各种手机直连卫星解决方案的优缺点，建议我国结合自身国情，按照“能用好用、高效节约”的原则，分为三个阶段稳步推进我国手机直连卫星产业发展。

一是市场培育阶段。基于目前已经实现的手机直连天通卫星应用，进一步拓展用户群体和应用场景，实现更大规模的手机直连天通卫星运营，解决用户需要时“能用”的问题；同步探索性推进手机直连天通卫星低速数据业务，以及手机直连低轨卫星技术验证，为后续能力增强阶段的工作奠定基础。

二是能力增强阶段。结合我国空间基础设施建设，以及3GPP NTN 技术标准的推广，逐步提升手机直连卫星应用能力，不仅在通信速率上得到较大提升，业务类型更加丰富，而且在覆盖范围上拓展至准全球/全球覆盖，用户体验显著改善，解决用户“好用”的问题。

三是天地融合阶段。基于6G 天地一体技术的演进成果，以及我国6G 天地一体融合网络的建设，为用户提供全球覆盖、随遇接入、按需服务、无感切换的手机直连卫星应用，业务类型极大丰富，与地面网络基本一致，且可同步引领未来通信网络的迭代发展。