【编者按】 中国通信企业协会与中国电信卫星通信公司联合开设“天地一体网络与技术应用”专栏，对低空智联网行业发展、卫星通信业务创新，以及天地一体通信技术应用等进行跟踪研判，邀请行业专家就相关核心技术、应用创新等进行分析解读。
手机直连卫星的技术路线及演进分析
1、手机直连卫星技术路线
业界将手机直连卫星的研发方向主要分为定制手机直连、存量手机直连、5G NTN手机直连三种技术路线。其中：
定制手机直连路线一般由卫星运营商、手机厂家、芯片厂商、卫星地面段等共同合作研发，共享卫星频谱，以定制双模手机实现手机直连卫星。例如：华为Mate50（4G+北斗短消息）、Mate60 Pro（5G+天通语音+短信），苹果iphone14（5G+Globalstar短消息）等系列终端均基于该路线，中国公司的进展领先业界。
存量手机直连路线目前由国外新兴低轨卫星公司主导，通过与移动蜂窝网运营商合作，共享地面蜂窝网络频谱资源，基于先进的卫星相控阵天线技术降低手机天线收发灵敏度要求，以低轨卫星转发地面蜂窝网信号（或基站上卫星），支持存量手机直连卫星，美国Starlink、AST等公司在该路线上计划建设星座系统，预计未来两年提供服务。
5G NTN是3GPP国际标准组织主导，由全球移动通信设备商、运营商、芯片商、终端厂商、卫星运营商等共同参与制定的非地面网技术体制，目标是星地网络一体化，又分为窄带IoT NTN和宽带NR NTN。近两年，国内外基于IoT NTN技术的芯片（联发科MT6825、展锐V8821）、终端模组（移远CC950U-LS）、网络设备（中兴、中信科）等产业各方有一定进展，初步完成功能性测试。
2023年8月，华为官宣Mate60 Pro手机具备直连高轨天通卫星功能。该产品一经推出，市场反应极为热烈。该成果源于产业链各方共同合作，从2021年10月起，中国电信与华为就天通卫星功能进手机达成合作意向、共同攻关。两年时间，中国电信联合芯片供应商、终端企业、地面设备制造商等单位，共同攻关解决了一系列技术难点，最终实现该产品上市。其主要技术创新点包括：优化了高轨天通卫星技术体制；实现业界第一个运营级星地异构组网；解决芯片小型化和集成后的低能耗和散热挑战；应用新型的手机天线技术。
2、中国手机直连产品的主要领先点
（1）天通优化技术体制与终端多天线聚合技术的联合应用，大幅提升了星地链路预算。
一是在网络侧，天通卫星传统技术体制以2.4kbps为基本单用户信息速率，而新应用的优化技术体制基于新的单用户低速业务信道和低速控制信道，在每用户同时隙同功率情况下，新体制的信号功率密度比2.4kbps体制增强了3倍，故星地链路预算能容忍的噪声也提升了3倍，使手机灵敏度最低可达-128.8dBm，有效克服了超大链路损耗的星地环境。
二是在终端侧，华为Mate60 Pro采用了独创的多天线聚合技术，使其手机内置天线增益为：中心点1dB、边缘点-1dB，该技术带来更多星地链路余量，适配雨、林等恶劣环境。
（2）超低速语音编码技术提升用户感知。
国外海事卫星等高轨卫星系统的语音编码速率均不低于2.4kbps，而天通优化技术体制一方面设计新的超低速声码器算法实现对低速语音信源编码，另一方面优化了数十类环境下的声码库，确保超低速语音质量接近传统体制2.4kbps。
（3）全新的芯片降耗与手机散热技术。
采用天通优化技术体制的芯片制程工艺从90nm大幅压降，体积缩小为原有1/10，制程工艺尚有经验可循，难解决的是芯片低能耗以及手机散热。卫星手机功耗一般数倍于普通手机，亟待优化散热效率。通过在芯片侧采用不连续发射技术，同时引入微通道冷却技术（毛细槽道）等方案，有效缓解了高密热流问题。
（4）星地异构组网技术实现商业闭环，拉动产业链规模拓展。
目前国外苹果/高通发送卫星短消息等未同地面运营商用户绑定，无法实现网信安监管和电信级服务保障，存在安全隐患。而中国电信通过优化天通卫星网信令点码，打通天通与地面移动蜂窝网信令面，实现天通信令到移动蜂窝网信令转换，确保手机在卫星模式下能将用户卡的鉴权、加密等数据转发移动核心网，完成漫游鉴权、位置更新、被叫寻址等功能。
3、中国手机直连的定制版路线与其他技术路线的关系
中国手机直连产品是基于高轨卫星移动通信系统，聚卫星网、地面网、终端、芯片多方之力共同实现。
（1）美国的近期与远景路线分析
美国在前期探索定制手机直连路线后（苹果+Globalstar、高通+铱星），由于其低轨卫星大型相控阵天线技术发展较快，目前正探索存量手机直连路线。即基于卫星侧大型相控阵天线技术（20、50至100平米），增强卫星波束赋形能力，降低手机收发卫星信号的难度，直接实现由卫星转发地面网及终端4/5G信号。目前AST公司已进行试验，Starlink计划2024年试验、2025年正式商用。该路线主要解决地广人稀场景下的边缘覆盖或孤岛覆盖。
该路线虽然基于4/5G技术体制和地面频率，但一是该技术体制并不适合于网络拓扑快速变化的星地间位置管理、切换管理等组网需求；二是卫星共享地面4/5G网络频率的跨国协调难度高，但美国AST、Starlink、Lynk等卫星公司先行一步，采取商务合作模式，已就800MHz、1.9GHz等频段与30多个国家15家运营商签署协议，允许低轨卫星在美欧日韩等地共享地面网无线频率，支持存量手机基于地面网4/5G频率直连卫星。
（2）中国走存量手机路线的可行性分析
如我国采取低轨星座的存量手机直连路线，需解决两个主要难题：一是卫星具备成熟的大型相控阵天线技术，我国航天科技集团、银河航天等企业已拥有相关原型技术，预计2025年前可能完成试验、2028-2030年在我国低轨星座上可能实现规模化应用。二是卫星被允许共享发射地面蜂窝网频率，在当前国际形势下，跨国频率协调难度大，且频率共享排序上可能晚于美国卫星企业。
（3）中国当前的手机直连产品与5G NTN路线的关系
根据我国相关单位已开展的5G NTN试验发现，高/低轨卫星均能完成模拟终端到卫星的5G NTN链路贯通。但国内现有或短期内新发卫星能力未达到3GPP预设条件，采用5G NTN技术实测的卫星系统容量和频谱效率不及3GPP R17版的预期。
中国现有定制手机直连卫星产品虽然基于卫星专有技术体制，与5G NTN不兼容，但鉴于5G NTN标准和国内低轨卫星大型相控阵天线技术仍需演进完善，因此在5G NTN标准实现对高/低轨卫星系统的成熟适配前、且卫星大型相控阵天线技术成熟前，从现有定制手机直连演进5G NTN直连路线期间，中国现有定制手机已采用的关键创新技术（信道降速、多天线聚合、低速语音编码等）仍能被应用并为产业链抢占先机。
如要锚定5G NTN标准推进手机直连，可考虑三条路径。路径一：在卫星侧采用大型相控阵天线技术，终端侧采用支持NTN标准的普通手机；路径二：耗费更大的卫星功率或更多频率支持NTN，同时手机采用多天线聚合类技术；路径三：剪裁当前5G NTN协议并降速，同步推动纳入3GPP标准，通过剪裁协议提升现有（或短期内新发）卫星系统的功率和频谱效率，同时手机采用多天线聚合技术。由于路径一需等待国内卫星大型相控阵天线技术成熟，路径二会造成卫星功效或频谱效率下降，均不可取，可重点考虑以路径三作为从当前中国定制路线演进最终5G NTN路线的过渡方案。即“定制手机直连路线（两年内）->过渡阶段（路径三，2-5年）->最终5G NTN路线（5-7年）”。
图8-1 手机直连技术演进路线图
4、总结
鉴于我国低轨民商用卫星互联网相关技术（如大型相控阵天线等）成熟时间较晚，且当前5G NTN标准需进行定制剪裁以适配现实星地环境，中国手机直连产品已积累的创新技术还将有5年左右生命期。预计分三个阶段：
第一阶段（2025年底前）：一是剪裁5G NTN窄带标准协议，同时参照中国定制手机直连产品中已获成功应用的卫星降速、手机多天线聚合、低速语音编码等技术，在国内现有高轨卫星系统试验和试用5G NTN定制版（协议剪裁）手机直连卫星产品，先支持语音、短信、低速率社交业务。同步完成在国际标准、芯片、射频、终端模组、设备等产业布局；二是在ITU/3GPP等国际组织推进5G NTN手机直连用频方案的全球共识；三是加快低轨卫星大型相控阵天线技术研发。
第二阶段（2025-2028年），一是在国内新发高轨民用卫星系统上启用完成剪裁的5G NTN宽带标准协议，同步推进纳入3GPP国际标准，增加支持图片、短视频等中速数据业务，保持国内产业活力；二是开展跨国频率协调，同步启动大型相控阵天线试验，逐步开展基于5G NTN技术体制的星座部署。
第三阶段（2028-2030年），实现基于5G NTN的手机直连卫星产品，手机能在高/低轨卫星与地面网之间无感切换、兼容国际和国内的星地共享频谱，确保我国手机直连产业在全球占优。
综上分析，目前中国定制手机直连卫星产品中的创新技术在第一、二阶段（5年内）仍能获得持续应用、保持先进性。
（本文由中国电信集团卫星通信有限公司提供）