手機直連衛星通信:發展現狀、應用場景和標準演進

王 達,童建飛,穆飛宇

(1.中國星網網絡應用研究院有限公司,北京 100029;2.上海衛星互聯網研究院有限公司,上海 200131)

0 引言

衛星互聯網技術創新、系統建設和應用市場以日新月異的速度迅猛發展。能夠實現手機與衛星直接相連的衛星互聯網系統成為新的發展方向和競爭焦點。手機直連衛星產品是以消費類智能手機的外觀形態出現,同時支持地面網絡通信和衛星網絡通信功能,不經過任何信號或數據中轉設備,即實現與衛星之間信號的直接收發。該類產品的出現,將傳統衛星終端產品從小規模行業應用市場帶向大規模商業化應用市場,極大拓展了衛星網絡的市場規模。據市場研究公司Research &Markets稱,2023年衛星通信設備市場價值為226億美元,預計到2028年將達到387億美元,2023—2028年復合年增長率為11.3%。

手機直連衛星在保障通信安全性、打破地域限制、提供緊急通信能力、推動數字經濟發展等方面具有重要的戰略價值。以美國AST&Science、Lynk、Omnispace、SpaceX為代表的新興商業公司正在加快“手機直連”衛星互聯網領域的技術和產業布局[1],得到歐美日韓產業巨頭的戰略投資,發展態勢不容小覷。手機直連衛星的快速發展和崛起,將成為未來衛星互聯網的主要商業形態之一,并對未來信息通信產業格局產生重大影響。

1 國內外發展現狀

1.1 國外發展現狀

當前,國際上主要大國相繼開展手機直連衛星系統規劃和設計,通過編制草案、發布規劃、提供資金等舉措推動產業發展。以美國為例,美國聯邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)已于2023年3月16日通過來自太空的補充覆蓋新規則提案,其核心是授權衛星運營商在分配給地面移動服務的頻譜上運營衛星,該法案的落地將有力推動手機直連衛星技術的發展。

1.1.1 AST&Science低軌衛星星座

美國AST公司成立于2017年,致力于建設使用現有4G/5G通信頻段和標準與手機直連通信的低軌衛星星座SpaceMobile,為智能手機用戶提供移動互聯網接入服務。SpaceMobile計劃由部署在軌道高度為725～740 km的16個軌道面上共計243顆低軌衛星組成,完成對赤道區域、北美、歐洲、亞洲及全球的信號覆蓋。

公司于2019年發射了軌道高度保持在417～476 km的BlueWalker 1小型測試衛星,使用4G LTE協議,并在850～900 MHz的兩個頻段上開展了通信鏈路試驗。2022年9月,第二顆試驗衛星BlueWalker 3搭載SpaceX公司火箭完成發射,軌道高度保持在508～527 km,該衛星帶有一個約64 m2的超大規模星載相控陣天線,大幅提高天線增益,旨在測試從太空直接使用第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)技術規范與手機直連寬帶通信。2023年4月,美國國際電話電報公司(American Telephone and Telegraph,AT&T)和AST SpaceMobile利用三星S22手機直連衛星,成功完成了基于BlueWalker3的天基雙向通話,展示了其手機直連衛星通信的能力。2023年6月,SpaceMobile工程師在夏威夷測試了4G LTE下載速度,初始速度可達10 Mbit/s,下一步將對5G 新無線電(New Radio,NR)開展測試活動。

1.1.2 Lynk低軌衛星星座

美國Lynk公司成立于2017年,旨在提供手機直連衛星的寬帶連接解決方案[2]。公司于2022年9月獲得FCC頒布的衛星通信商業許可,成為全球第一家獲得批準的公司,有力推進了該公司手機與衛星雙向傳輸服務進程。2020年2月,Lynk實現有史以來第一次從低軌測試衛星直接到普通手機的短信息通信;2022年2月,Lynk宣稱成功將第5顆測試衛星與普通手機和物聯網設備連接,進一步驗證了其衛星直連手機技術;2022年4月,Lynk宣稱成功發射世界上第一個通過FCC許可為手機提供直連服務的商用衛星Lynk Tower 1,其軌道高度為496～510 km。2023年1月,Lynk發射了軌道高度為525～545 km的Lynk Tower 2和Lynk Tower 3。2023年7月,Lynk發布視頻展示了其通過低軌衛星實現與普通手機進行雙向標準語音通話的最新成果。

Lynk衛星星座采用6U立方星,使用地面運營商網絡頻段(1 GHz以下),為3GPP標準手機提供全球覆蓋的短消息和數據通信服務,通過與地面運營商的合作及共享基礎設施,地面用戶可從蜂窩網絡無縫漫游至太空網絡。Lynk公司已與加拿大Rogers、新西蘭Spark和2degrees、加納Telecel Group、澳大利亞Optus、BICS等20家運營商建立合作關系,基于合作方的地面移動通信網絡為存量手機提供通信服務。

1.1.3 Omnispace低軌衛星星座

美國Omnispace公司成立于2012年,其從破產的衛星運營商ICO Global處購買了S頻段頻率使用許可(上行1 980～2 010 MHz,下行2 170～2 200 MHz),計劃使用S頻段研發基于3GPP標準的全球5G網絡,為企業和政府客戶提供可直連衛星的物聯網和寬帶服務[3]。S頻段是全球唯一的國際移動通信(International Mobile Telecommunications,IMT)衛星和IMT地面均可使用的頻段,也是5G非地面網絡(Non-Terrestrial Network,NTN)中重要的目標頻段,還是手機直連衛星的最佳頻段之一。2022年4月,已發射兩顆命名為Spark-1和Spark-2的低軌衛星。

1.1.4 SpaceX低軌衛星星座

美國SpaceX公司成立于2002年,其Starlink星座計劃于2019—2024年批量發射衛星入軌,建立覆蓋全球的衛星網絡,提供高速互聯網接入服務[4]。截止2023年6月,已累計發射超過4 300顆低軌衛星。當前,Starlink系統在應用場景、使用成本、用戶便利性等方面與現有地面4G/5G網絡存在較大差距,主要定位在服務于人口稀疏、通信設施欠缺和服務不足的地區,是地面網絡系統的補充。Starlink使用Ku和Ka頻段,這些頻段受限于終端天線尺寸和鏈路預算,以及國際電信聯盟(International Telecommunication Union,ITU)的落地功率限制規則,還不能直接用于手機直連衛星。

在手機直連方面,SpaceX公司與美國T-Mobile地面運營商合作,將利用2 000余顆“星鏈”V2.0衛星和T-Mobile地面頻譜資源開展手機直連衛星服務,為所有T-Mobile網絡的4G/5G智能手機用戶提供直連衛星雙向消息和語音通話功能。SpaceX已于2022年12月和2023年4月向FCC提交天線硬件和頻率使用申請,計劃2023年年底前發射技術試驗衛星,聯合T-Mobile在美國大陸、夏威夷、波多黎各等地區開通beta版衛星直連服務,2024年年中完成衛星部署,在南北緯58°范圍內提供服務。此外,SpaceX還與歐洲Salt、新西蘭One New Zealand、加拿大Rogers地面運營商達成合作協議,拓展全球業務范圍,基于合作方的地面移動通信網絡為存量手機提供通信服務。

1.1.5 蘋果/全球星低軌衛星星座

2022年9月,美國蘋果公司和全球星(Globalstar)衛星通信公司宣布合作,基于Globalstar現有的低軌衛星通信系統,通過改造升級支持手機直連衛星功能和服務[5]。蘋果公司在2022年9月發布的iPhone14系列手機中,正式推出手機直連衛星通信功能;于2022年11月在美國(包括波多黎各和美屬維爾京群島)和加拿大部分地區開通衛星緊急消息服務。蘋果手機直連衛星服務僅在沒有蜂窩網絡和WiFi覆蓋的場景下可用,用戶可根據手機軟件提示對準衛星方位,通過衛星發送定制化應急救援消息。

Globalstar使用專有通信協議,允許蘋果設備訪問現有的24顆低軌衛星星座。Globalstar擁有上行鏈路的L頻段1 610～1 618.7 MHz、下行鏈路的S頻段2 483.5～2 500 MHz的全球頻譜授權,現有設備下行數據速率可達9.6～256 kbit/s。Globalstar表示將把85%的容量分配給蘋果,其余用于提供窄帶物聯網(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)服務。蘋果公司同意承擔95%的發射新衛星的相關費用(預計2025年將再增加17顆),以擴展和更換壽命結束的衛星。

蘋果手機基帶采用高通5G X65芯片,支持全球星的n53通信頻段(2 483.5～2 495 MHz),采用了波束成形、定向天線陣列等技術。蘋果公司采用垂直整合的模式,在系統和衛星側與Globalstar公司合作,并自主開展手機設計和運營服務,在消費市場首創實現手機直連衛星服務運營。

1.1.6 高通/銥星二代系統

2023年1月,高通與銥星公司達成協議,將衛星連接納入“下一代高級安卓智能手機”[6]。它將使用銥星公司擁有66顆衛星的低軌衛星星座,為雙向緊急信息、SMS短信和其他信息應用提供全球服務。緊急消息服務預計將于2023年下半年在新一代高端安卓手機上首次推出。銥星公司的第二代衛星星座Iridium-NEXT于2019年1月完成,而第一代衛星星座隨著衛星壽命的結束而退役。銥星系統使用的頻段是1 616～1 626.5 MHz ,其中7.775 MHz獨占,其余共享。

1.1.7 聯發科/Bullitt/Skylo

2023年2月,聯發科發布MT6825 IoT-NTN獨立芯片組,支持3GPP Release 17 NTN標準,同時只增加了不到10美元的設備或智能手機成本,獲得2023年上海世界移動通信大會亞洲突破性設備創新獎。該芯片組可添加到任何4G/5G設備上,并可以連接到同步軌道衛星星座,如Inmarsat和EchoStar。2023年,英國智能手機制造商Bullitt宣布與聯發科已開展了18個月的合作,將推出具備雙向衛星通信能力的智能手機以及一個藍牙配件,可以為任何智能手機提供衛星連接。2023年2月,聯發科與NTN服務運營商Skylo合作,使用Inmarsat的6顆L頻段同步軌道衛星網絡,為智能手機和物聯網制造商開發具有內置衛星連接的新設備、傳感器和可穿戴設備,但目前還沒有宣布進一步推出新服務或產品。

1.2 國內發展現狀

目前,我國手機直連衛星已有初步發展,通過改造和利用現有衛星資源,快速實現手機直連衛星的短消息和語音功能,主要為北斗短報文系統和天通系統。盡管現有手機直連衛星系統還未經過大規模應用驗證,但已具備發展手機直連衛星的基礎和條件。

1.2.1 華為/北斗導航系統

2015年,中國推出了第三代北斗導航系統,實現全球覆蓋[7]。2022年9月,華為公司與中兵集團合作,發布支持北斗短報文功能的Mate50系列智能手機,用戶可在極端環境下發送單向北斗衛星消息進行求助,實現了全球首個手機直連衛星短信服務。2023年3月,華為發布新一代P60系列智能手機,支持北斗雙向衛星通信,進一步提升了手機直連衛星通信的能力。

1.2.2 中興/中國電信/紫光展銳

中國電信衛星公司牽頭,計劃2023年下半年推出具備“天通”衛星雙向應急短消息和語音業務功能的融合手機終端;中國電信衛星公司、中興通訊、紫光展銳聯合推出基于天通衛星透明轉發的NTN IoT功能,并完成試驗驗證,可實現雙向低速短報文業務。

2 典型應用場景

手機直連衛星具備廣域連接能力,在面對跨洋、跨境、跨域等超遠程應用場景時,可以提供全域無縫覆蓋的通信能力,是區別于傳統地面通信的基礎技術特征。同時,手機直連衛星還具備較高的安全可靠能力,在災害和戰爭時,可提供多重覆蓋,保障通信安全可靠、機動靈活。基于以上技術特征,梳理出如下典型應用場景。

2.1 政府市場應用場景

2.1.1 邊境巡防通信

邊境巡防的主要需求是衛星寬帶移動通信、精準位置服務,支持邊防干警日常巡防過程中等寬帶數據傳輸、情報快速回傳、應急救援保障等功能。主要應用場景是日常巡防作業,網絡寬帶應達到每終端用戶接收10 Mbit/s、發送1 Mbit/s。邊防組網樣式是分級樹狀網或星狀網為主,基層單位與所屬指揮機關構成連通體系。主要應用裝備包括固定通信站點、應急通信指揮車、動中通車輛、便攜式終端、手持終端,還包括直升機指揮站等。

基于衛星手機直連,可實現邊境巡防場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,提高邊防通信保障能力、筑牢維護國家主權領土完整和海洋權益的安全屏障。

2.1.2 應急救援通信

應急救援的主要需求是衛星寬帶移動通信、精準位置服務以及車載或單人便攜終端,提供任務小隊范圍內集群通話和指揮調度服務[8]。在發生重特大自然災害和安全生產事故時,經常面臨“無路、無網、無電”等極端條件,通信裝備的輕型化和低功耗尤為重要。同時,應急管理工作要求衛星通信網絡具備高可靠性和高穩定性,現場信息回傳對通信鏈路帶寬要求也不斷提升(如現場4K超高清視頻信息采集回傳、用于現場三維建模的無人機傾斜攝影數據回傳、應急指揮平臺GIS數據推送等)。

基于衛星手機直連,可實現應急救援場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,切實提高通信保障、前線感知能力,有效保障通信聯絡、應急指揮、數據傳輸、災情監測等功能的實現,支撐應急指揮決策。

2.1.3 廣域森林通信

廣域森林的主要需求是建設專業應用平臺,實現融合通信、統一指揮、協同調度、可視管理,支撐生態監管、遠程巡查、森林防火等功能[9]。系統能力需支持覆蓋廣域林區的防火監控和無縫電子圍欄的建設需求。森林防火視頻監控通常布設在高塔上,用于大范圍高清監控,需要大帶寬網絡通信。根據《公共安全視頻監控聯網系統信息傳輸、交換、控制技術要求》(GB/T 28181—2016),重要前端設備到監控中心的傳輸帶寬應不小于2.5 Mbit/s。

基于衛星手機直連,可實現林區廣域覆蓋的寬帶通信、高清音視頻監控等功能,保障國家生態安全、森林防火等指揮工作高效開展,支撐以國家公園為主體的自然保護地體系建設。

2.1.4 地調人員通信

地調人員的主要需求是寬帶衛星通信網絡及精準位置信息服務,支持野外地調人員實現野外作業實時數據化、云端化、音視頻連接、應急救援保障等功能。以西南地區為例,特別是青藏高原大部分地區,多為手機信號盲區,與外界通信不暢,一旦遇到危險災害,很難得到外界的救援。根據地質行業標準《野外地質工作后勤保障要求》(DZ/T 0351—2020),要為野外人員、車輛、船舶和飛機配置北斗終端等報位設備,在通信信號未覆蓋或信號不穩定的地區,需要配備衛星電話、對講機等通信設備。

基于衛星手機直連,可實現野外場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,提高森林資源調查水平和效率,促進林草行業信息化發展。

2.2 國際市場應用場景

2.2.1 駐外工商業機構人員通信

我國駐外工商業單位員工眾多,地點分布于全球160多個國家,不少所在國家及地區地面網絡覆蓋差,移動用戶使用體驗遠不如國內。該類人員長期在國外居住、工作和生活,生活枯燥,缺乏便捷、性價比高的個人全球移動通信手段。此外,海外互聯網與國內網絡互通存在瓶頸,直通國內需求比較迫切。出于安全性、訪問國內網絡的便利性等需求,希望使用中國的衛星互聯網為其提供安全、便捷的全球漫游和網絡服務。

基于衛星手機直連,可實現跨國公司海外員工的寬帶移動通信,保障海外員工和海外經貿人員的個人寬帶通信需求,提高工作效率、豐富娛樂生活,促進我國企業和個體的海外業務拓展。

2.2.2 短期出境漫游

目前,全球地面網絡覆蓋并不均衡,許多國家移動用戶使用體驗遠不如國內,且數據漫游資費昂貴,全球162個國家及地區單日漫游流量費用超過50元;廣袤的草原、森林、山區、沙漠、海洋等旅游熱點區域缺乏網絡覆蓋;中國互聯網國際出入口擁塞比較嚴重,從境外訪問國內網絡比較困難,若提升速度需更換當地號碼,手續繁雜。

基于衛星手機直連,可在出境旅游過程中享受方便快捷、價格適中的寬帶衛星移動通信服務。

2.2.3 通信欠發達國家及地區個人移動通信

目前,全球的移動互聯網發展水平呈現不均衡的發展格局。東亞、北美、歐洲、大洋洲的部分區域發展較為迅速,手機普及率和移動互聯網普及率都較高,非洲、中東、南美的部分區域,普及率相對較低,截止到2018年,全球仍有39億人沒有接入互聯網。衛星互聯網的發展,可以有效提高普及率較低區域的互聯網接入和服務水平,基于衛星手機直連,解決其短時間內難以完成大規模地面網絡建設的問題。

2.2.4特殊地形國家及地區個人移動通信

特殊地形國家及地區主要包括海島和草原的國家及地區,這些國家及地區受地形與成本限制,建設通信基礎設施十分困難,目前互聯網接入率較低,網絡覆蓋情況欠佳[10]。

海島國家是指在國土范圍內,擁有眾多島嶼且相對分散的國家。在眾多分散的島嶼大規模建設地面互聯網需要巨大的資金投入,費效比低。草原國家是指在國土范圍內,有面積廣闊的草原覆蓋、大量畜牧從業人員的國家。草原地區地廣人稀,很多區域存在信號覆蓋盲區。

基于衛星手機直連,可以有效提高以上國家及地區互聯網信號覆蓋率,解決其缺乏資金建設大規模地面互聯網的問題。

2.3 行業市場應用場景

2.3.1 道路交通監管

由于北斗短報文傳輸能力較弱,主要適用于被動式監管,而面對日益復雜的交通環境和安全規范管理的升級,需要一種更智能、更主動的監管方式來協助管理部門管理[11]。

基于衛星手機直連,可支持駕駛室實時監控畫面的遠程傳輸、雙向語音對講、報警聯動、車輛行駛數據監測等應用,有效降低行車風險,保障司乘人員生命安全,為交通監管部門進行大數據分析、安全監管提供數據傳輸保障,有效彌補地面系統信號覆蓋不足的難題。

2.3.2 遠洋船員通信

遠洋貿易航程長,一般需要數月至數年,然而船員可用的通信容量和速率十分有限,14%的商船公司從不提供船上個人通信服務,只有36%的公司長期為船員提供通信服務。經驗豐富的船員更希望在有足夠互聯網接入服務的公司工作,在同等條件下,他們很有可能會跳槽到通信條件更好的公司。由此可見,遠洋船員對于互聯網接入的需求十分強烈,而目前MSS或VSAT手段存在的帶寬不足、信道昂貴等問題,限制了互聯網接入供給,無法滿足遠洋船員個人通信、娛樂需求。船載寬帶終端通信需求為50 Mbit/s,個人寬帶終端通信需求為2 Mbit/s。

基于衛星手機直連,可實現海上場景下的寬帶移動通信,滿足遠洋船員上網娛樂、安全保障、商務服務等需求。

2.3.3 草原牧民通信

草原牧民的主要需求是衛星寬帶移動通信、精準位置服務以及適中的使用成本,將日常網絡應用延伸到草原放牧過程中,實現視頻直播、位置導航、天氣預警等功能,并且能夠第一時間掌握各處牧場狀況、牛群羊群狀況以及相關市場信息[12]。草原、草場區域的地面移動網絡主要沿著道路建設,網絡覆蓋十分有限。牧民具有大范圍流動的特點,在放牧、轉場過程中很多地區是地面通信網絡覆蓋盲區。

基于衛星手機直連,可實現草原場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,滿足牧民放牧過程中的上網娛樂、安全應急通信等需求。

3 3GPP NTN標準演進

近年來,隨著衛星互聯網爆發式增長,3GPP考慮了充分利用地面移動通信網絡技術成果、便于實現天地網絡深度融合等因素,致力于為消費者提供基于5G NR和NB-IoT等技術規范的衛星通信服務。在3GPP Rel-15階段,針對NTN發布了研究報告TR 38.811[13],主要對NTN部署場景、網絡架構、信道模型、NR NTN設計約束進行了分析和研究,并在Rel-16階段的研究報告TR 38.821[14]中給出了網絡架構、物理層和協議棧的技術問題和解決方案。

基于前期對NTN的關鍵技術研究成果,3GPP在Rel-17階段,針對寬帶接入和物聯網應用場景,正式形成了第一個NTN的技術規范,為手機直連衛星產業發展打下堅實基礎。基于Rel-17 NTN技術規范,如前文所述,聯發科、中興通訊等廠商已完成了NTN芯片研制、雙向短信及語音驗證等工作。3GPP NTN標準演進持續推動手機直連應用落地,其在業務與系統(Services &Systems Aspects,SA)、核心網與終端(Core Network &Terminals,CT)和無線接入網(Radio Access Networks,RAN)方面的標準化時間表[15]如圖1所示。基于當前最新的研究進展,本節將將對NR NTN和IoT NTN的標準演進方向進行詳細介紹。

3.1 NR NTN演進方向

在3GPP Rel-17 規范中,NR 能夠在基于透明載荷的GSO 和 NGSO 網絡假設場景下支持NTN,為地球上固定或移動的小區中具有GNSS功能且功率等級至少為3[16](23 dBm)的用戶設備(User Equipment,UE)提供服務。在Rel-18階段,3GPP進一步提出了一個新的工作項(Work Item,WI)來定義基于NR NTN增強功能,以便實現如下目標[17]:

① 支持10 GHz以上頻段部署。3GPP將考慮相關共存場景和分析,以確保為NTN引入的衛星頻段不會影響現有規范,不會導致3GPP指定的與NTN頻段相鄰的地面頻段網絡服務質量下降。Rel-18指定了超過10 GHz的3個新的NTN頻段(n510、n511和n512 )。

② 覆蓋增強。充分考慮NTN的大星地時延和衛星高速運動特性,提供優化的覆蓋性能,特別是面向直連手機終端時,對天線增益有更現實的假設(如商用智能手機的-5.5 dBi天線增益),而非簡單地考慮0 dBi天線增益。

③ 移動性和服務連續性增強。具體包括為地球移動小區指定小區重選增強方案、為RRC空閑態或非激活態的終端指定低功耗的小區重選增強方案、 為RRC連接態的終端指定NTN-NTN切換增強以及饋電鏈路切換信令增強。

④ UE位置可驗證。要求網絡運營商可驗證UE位置,即能夠檢查 UE 報告的位置信息(例如估計 UE 在網絡側的位置)并指定是否需要機制來滿足監管要求,如合法攔截、緊急呼叫、公共警告系統等。

3.2 IoT NTN演進方向

3GPP Rel-17規范于 2022 年 3 月完成,支持基于NB-IoT和增強型機器類型通信(enhanced Machine-Type Communication,eMTC)的衛星接入,以解決農業、運輸、物流等領域的大規模物聯網用例。與NR NTN一致,NB-IoT和eMTC同樣考慮在基于透明載荷的GSO 和 NGSO 網絡場景,為地球上固定或移動的小區中具有GNSS功能且功率等級至少為3[16](23 dBm)的UE提供NTN服務。Rel-18中面向IoT NTN提出了一個新的WI,以定義進一步增強的NB-IoT NTN和eMTC NTN,以便實現如下目標[18]:

① 移動性增強。具體包括:支持無線鏈路失敗前的相鄰小區測量和相應的測量事件觸發、支持適用于eMTC和NB-IoT的相鄰小區星歷系統信息信令以及重用 Rel-17 NR NTN 中引入的移動性增強方案來 eMTC的移動性等。

② 性能增強。一方面,通過禁用混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)反饋減輕HARQ等待對UE數據速率的影響。HARQ是一種“停等”協議,只有在收到相應的反饋后,HARQ進程ID才能被重用,可能會出現由于無空閑HARQ進程ID而無法傳輸新數據的情況。另一方面,3GPP工作組計劃研究改進的GNSS機制,以在長連接時間內進行UE預補償并降低功耗。

③ 增強對不連續覆蓋的支持。與 NR NTN 相比,許多 IoT NTN用例中的UE可能不需要連續覆蓋。因此,需要研究并指定不連續覆蓋情形下的移動性管理和節能增強方案。

由上述對NR NTN和IoT NTN標準演進方向的梳理可知,3GPP將面向手機直連市場應用需求,在Rel-17基礎上繼續為手機直連寬帶接入和物聯網業務提供標準化方面的支持,引導3GPP工作組內的全球運營商、設備商進行NTN關鍵技術突破,實現協議優化、覆蓋增強、容量增強和節能增強。形成兼顧TN和NTN特點的統一6G網絡。

4 問題和建議

4.1 衛星能力和協議體制等關鍵技術尚待突破

手機直連衛星系統的設計和建設面臨諸多技術問題。手機直接與衛星進行通信,對通信鏈路預算提出極大挑戰,目前受限于衛星通信容量、手機終端發射功率、星載天線尺寸、天線方向性追蹤能力不足等缺陷,現有衛星手機直連僅能實現低速通信業務,亟待突破高性能通信載荷、自動方向追蹤天線、低功耗寬頻基帶芯片等技術,才能進一步提升業務速率,提供語音、高速數據等業務。手機實現天地融合通信,對通信體制設計提出極大挑戰,需解決星地頻譜高效共享、用戶和通信鏈路移動性管理、非對稱上下行業務流量等技術問題,目前協議體制還處于技術路線探索和驗證階段。

建議:發揚新型舉國體制優勢,聯合高等院校、科研院所、產業鏈合作伙伴等,組織開展天地融合網絡架構和關鍵攻關,研制高性能星載處理平臺,突破多波束相控陣天線技術、天地鏈路增強技術、天地資源分配技術、天地頻率干擾規避技術、高集成度手機芯片技術等核心關鍵技術。構建天地一體的試驗驗證環境,開展面向手機直連衛星業務的地面試驗驗證和在軌測試,支撐技術方案驗證、產品測試、組網測試以及兼容性與互聯互通驗證等。

4.2 產業鏈核心基礎工業能力尚存在短板

我國具備獨立設計、研制和生產各類衛星、運載火箭的能力,但應該看到我國整體產業化水平較歐美強國尚有一定差距:① 產業核心基礎工業能力存在短板。手機直連衛星系統相關產品受限于工藝路線、核心元器件等基礎工業能力,成本難以大幅下降,國際競爭力不足。② 關鍵產品的產業化水平有待提升。衛星批產能力、火箭運載能力亟待提高,快速發射、可回收發射技術有待突破。目前衛星通信產業應用規模小,尚未形成完備的產業鏈上下游,無法高效支持系統建設和大規模應用。

建議:面向手機直連業務涉及的衛星制造、發射、地面站建設、通信服務等多個環節開展產業攻關,充分利用好現有公網產業生態資源,重點牽引產業鏈開展衛星和手機關鍵組件、芯片、核心軟件、配套儀器儀表及工具等開發工作,促進上下游產業鏈融合發展,實現衛星、火箭、手機等的規模化生產和供應,培育形成高效協同自主可控的產業生態。

4.3 手機直連衛星市場規模和商業模式創新不足

手機直連衛星系統市場規模相對有限,主要用于應急通信和地面網絡無覆蓋區域的通信。如何快速擴張市場規模,將成為該業務可持續發展的核心問題。手機直連衛星的商業模式也尚未成熟,可借鑒的案例較少,蘋果公司采用垂直整合與自主運營成功實現商用,但銥星等手機直連系統受制于商業模式,導致應用推廣受阻,國際市場的推廣也需要因地制宜地創新商業模式。

建議:探索適合我國手機直連衛星發展的商業模式,如與地面通信網絡融合、提供差異化服務等,推動產業健康有序發展。拓展手機直連衛星在各個領域的應用,通過試點項目展示衛星通信優勢,形成示范效應。協同各行業合作伙伴拓展新領域,為用戶創造價值,實現多方共贏。

4.4 頻軌資源緊缺嚴重制約手機直連衛星發展

頻譜資源是手機直連衛星系統建設的核心資源,以其稀缺性成為新形勢下國際博弈的焦點。目前我國衛星互聯網頻率軌道資料申報相對滯后,但頻率軌道資源競爭形勢嚴峻,“星鏈”等系統為推廣其手機直連衛星業務,積極搶占全球市場和可用的頻譜資源,一旦其形成行業壟斷和市場壁壘,將影響和限制我國手機直連衛星系統的發展。

建議:研究制定符合我國國情的頻率軌道資源管理政策和技術標準,科學合理地規劃頻率軌道資源,確保衛星通信系統穩定與效能。先行結合移動通信頻譜重耕在4 GHz以下,為低軌星座系統安排可用頻率;再面向6G愿景,在6G網絡頻譜規劃中,將7 GHz以下部分頻率分配給天地融合移動通信系統使用。積極參與國際頻率軌道資源管理和分配機制,爭取更多的資源份額。加強與國際組織的溝通與合作,共同維護全球頻率軌道資源的公平分配。

5 結束語

手機直連衛星通信是衛星互聯網領域的重大創新,開展手機直連衛星通信技術研究將填補該領域的空白,其科學技術價值、特色和創新點主要包括以下四方面:① 手機直連是衛星互聯網迭代演進的發展方向。面向衛星互聯網市場化、商業化、國際化的發展需求,實現滿足大眾用戶普惠服務的手機直連衛星通信,將是衛星互聯網迭代演進的重要方向。② 手機直連衛星通信將促進產學研融通發展。手機直連衛星通信研究將在現有的基礎上,進一步促進產學研融通發展,支撐衛星互聯網標準化、國際化進程。③ 手機直連衛星通信將支撐產業鏈攻關布局。手機直連衛星通信將進一步補強衛星互聯網產業鏈供應鏈,推動提升全產業鏈創新能力和整體效能。④ 手機直連衛星通信將在未來貢獻較大通信增量市場。隨著衛星互聯網終端的普及,手機直連功能將作為電信行業新的消費增長點,爆發大量用戶需求和使用場景。