手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)現(xiàn)狀及專用芯片集成模式手機(jī)實現(xiàn)

摘" 要：隨著華為支持手機(jī)直連衛(wèi)星手機(jī)終端的推出，手機(jī)直連衛(wèi)星成為衛(wèi)星移動通信的一個重要熱點和關(guān)注方向。手機(jī)直連衛(wèi)星本質(zhì)是一個衛(wèi)星通信系統(tǒng)，通過衛(wèi)星中繼進(jìn)行手機(jī)之間的業(yè)務(wù)互通。文章闡述了手機(jī)直連衛(wèi)星的內(nèi)涵，技術(shù)發(fā)展路線的三個方向以及各自特點。針對專用芯片集成模式，詳細(xì)設(shè)計了直連衛(wèi)星手機(jī)的系統(tǒng)架構(gòu)，并對不同處理單元進(jìn)行了詳細(xì)硬件、軟件設(shè)計，方案已應(yīng)用到多款手機(jī)。

關(guān)鍵詞：手機(jī)直連衛(wèi)星；衛(wèi)星移動通信；專用芯片集成模式；衛(wèi)星通信單元

中圖分類號：TN927+.2" 文獻(xiàn)識別碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）01-0017-05

Status of Mobile Phone Direct Connection Satellite Technology and Implementation of Dedicated Chip Integration Mode Mobile Phone

Abstract： With the launch of Huawei's mobile phone terminal supporting mobile phone direct connection satellite， mobile phone direct connection satellite has become an important hotspot and attention direction of satellite mobile communication. The essence of mobile phone direct connection satellite is a satellite communication system that communicates business between mobile phones through satellite relay. This paper expounds on the connotation of the mobile phone direct connection satellite， the three directions of the technical development route and their respective characteristics. Aiming at the dedicated chip integration mode， it designs the system architecture of the mobile phone directly connecting satellite in detail， and designs the hardware and software of different processing units in detail. The scheme is applied to a variety of mobile phones.

Keywords： mobile phone direct connection satellite; satellite mobile communication; dedicated chip integration mode; satellite communication unit

0" 引" 言

衛(wèi)星通信技術(shù)是一種通過衛(wèi)星與地面終端進(jìn)行通信的技術(shù)。它是一種高速、高效、廣域覆蓋的通信方式，適用于非常規(guī)通信情況，如極地、海洋、山區(qū)和沙漠等邊遠(yuǎn)地區(qū)、災(zāi)害區(qū)域、戰(zhàn)爭區(qū)域以及移動通信等領(lǐng)域。衛(wèi)星通信技術(shù)因其無須鋪設(shè)線纜、無視地理障礙物、靈活便捷且高度可靠等特點，已成為一種備受矚目和廣泛應(yīng)用的通信技術(shù)。衛(wèi)星通信技術(shù)主要由地面站、星間鏈路和衛(wèi)星三部分組成，地面站是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的控制中心，負(fù)責(zé)將信息傳輸至衛(wèi)星上進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)，控制衛(wèi)星的工作狀態(tài)等。星間鏈路是衛(wèi)星與地面站之間的無線電連接網(wǎng)絡(luò)，用于傳輸信號和數(shù)據(jù)，其承載能力決定了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的可靠性和高效性。衛(wèi)星是衛(wèi)星通信系統(tǒng)的核心部分，具有信號放大、修改和轉(zhuǎn)發(fā)等功能，衛(wèi)星本身的設(shè)計決定了衛(wèi)星通信系統(tǒng)的具體能力[1]。

衛(wèi)星通信具有覆蓋范圍廣、通信距離遠(yuǎn)、不受地理地形限制等優(yōu)勢。基于這些特征，人們開發(fā)了地球同步衛(wèi)星系統(tǒng)、中軌衛(wèi)星系統(tǒng)、低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng)，并研制了對應(yīng)的各類通信終端。這些系統(tǒng)和設(shè)備被廣泛應(yīng)用于國防、航空、海洋、石油、電力、氣象等領(lǐng)域。

然而，傳統(tǒng)衛(wèi)星終端存在體積大、重量重、使用不便等缺點。針對這些問題的其中一個解決方案是“手機(jī)直連衛(wèi)星”概念，即實現(xiàn)日常使用的手機(jī)直接與衛(wèi)星連接進(jìn)行通信。

1" 手機(jī)直連衛(wèi)星含義

1.1" 手機(jī)直連衛(wèi)星本質(zhì)

“手機(jī)直連衛(wèi)星”從字面上理解，是指商用手機(jī)采用衛(wèi)星系統(tǒng)直接進(jìn)行移動通信的系統(tǒng)。按照衛(wèi)星通信業(yè)務(wù)類型劃分，手機(jī)直連衛(wèi)星實質(zhì)上屬于衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)，如圖1所示。

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)由通信衛(wèi)星、運控系統(tǒng)和應(yīng)用系統(tǒng)等部分組成。衛(wèi)星部署在地球軌道上，用來接收和轉(zhuǎn)發(fā)終端或信關(guān)站的無線信號，實現(xiàn)遠(yuǎn)距離、跨區(qū)域的信號中繼。運控系統(tǒng)負(fù)責(zé)完成衛(wèi)星的運行監(jiān)測和管理，保持、監(jiān)視、管理衛(wèi)星的軌道位置和姿態(tài)，并控制衛(wèi)星的星歷等。應(yīng)用管理中心負(fù)責(zé)用戶的業(yè)務(wù)管理、費用管理等。應(yīng)用系統(tǒng)包括信關(guān)站和用戶終端：信關(guān)站完成對衛(wèi)星資源分配、用戶注冊和業(yè)務(wù)的管理；用戶終端面向用戶完成各類通信業(yè)務(wù)，包括語音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等[2]。

1.2" 通話業(yè)務(wù)流程

1.2.1" 衛(wèi)星終端與地面網(wǎng)通信

衛(wèi)星終端與地面移動網(wǎng)、固定電話網(wǎng)之間進(jìn)行通話時，衛(wèi)星終端話音通過無線鏈路發(fā)射到衛(wèi)星；衛(wèi)星的用戶鏈路天線接收到衛(wèi)星終端的無線信號后，將其轉(zhuǎn)換到饋電鏈路頻段，并發(fā)送到地面信關(guān)站；信關(guān)站收到無線信號并完成業(yè)務(wù)解析后，根據(jù)目的號碼將話音碼流轉(zhuǎn)發(fā)到地面移動網(wǎng)或地面固定電話網(wǎng)；地面網(wǎng)終端收到碼流后還原話音。反之亦然。

1.2.2" 衛(wèi)星終端之間互通

衛(wèi)星終端間通話時，衛(wèi)星終端話音通過無線鏈路發(fā)射到衛(wèi)星；衛(wèi)星的用戶鏈路天線接收到衛(wèi)星終端的無線信號后，將其轉(zhuǎn)換到饋電鏈路頻段，并發(fā)送到地面信關(guān)站；信關(guān)站收到無線信號并完成業(yè)務(wù)解析后，根據(jù)目的號碼重新把話音流編碼并調(diào)制到無線載波上發(fā)送到衛(wèi)星；衛(wèi)星通過用戶鏈路把收到的無線信號轉(zhuǎn)發(fā)到被叫衛(wèi)星終端；衛(wèi)星終端接收、解析并還原話音。反之亦然。

2" 手機(jī)直連衛(wèi)星國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展及現(xiàn)狀

2.1" 國內(nèi)外現(xiàn)狀

衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)主要包括低軌和高軌星座系統(tǒng)。低軌衛(wèi)星具有傳輸時延小、鏈路損失小等優(yōu)點，其缺點是需要衛(wèi)星數(shù)量較多，運行管理復(fù)雜。國外低軌系統(tǒng)代表有銥星（IRIDIUM）、全球星（Globalstar）等系統(tǒng)，其中銥系統(tǒng)由美國銥星公司委托摩托羅拉于1997年開始建設(shè)，1998年正式運營，2000年宣布破產(chǎn)后由美國軍方在2001年注資繼續(xù)運營。該系統(tǒng)由66顆低軌衛(wèi)星組成，可提供包括南極和北極在內(nèi)的全球范圍內(nèi)話音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。衛(wèi)星手機(jī)大小為140 mm×60 mm×27 mm，重量為247 g，可滿足人們便利攜帶需求[3-4]。國內(nèi)于2021年4月成立了中國衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)集團(tuán)有限公司，著力建設(shè)我國低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，計劃發(fā)射幾百顆實現(xiàn)衛(wèi)星組網(wǎng)，達(dá)到一卡即可全球通信的目的，向用戶提供話音、短信、物聯(lián)網(wǎng)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。

高軌衛(wèi)星系統(tǒng)采用地球同步軌道，具有傳播時延大、投資少、技術(shù)復(fù)雜度低等特點，但是不能實現(xiàn)兩極覆蓋。國外高軌系統(tǒng)代表有INMARSAT、THURUYA等系統(tǒng)，THURUYA系統(tǒng)于2000年建設(shè)并投入運營，提供話音、短信、G3類傳真和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)等，其衛(wèi)星手機(jī)輕達(dá)212 g。

國內(nèi)高軌代表為天通一號系統(tǒng)，它是我國第一個自主可控的衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)。從2016年至2021年，該系統(tǒng)共發(fā)射了3顆GEO通信衛(wèi)星，其中01星覆蓋國土、領(lǐng)海及其外延200 km，02星覆蓋日韓及其周邊、二島鏈以西海域，03星覆蓋印度洋、東亞地區(qū)。天通一號單顆衛(wèi)星支持10萬用戶在線，提供話音、短信和高達(dá)384 kbit/s的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，其作為國家戰(zhàn)略性通信基礎(chǔ)設(shè)施，在軍事、政府、經(jīng)濟(jì)等活動中發(fā)揮重要的通信保障作用。天通行業(yè)終端重約為268 g。華為公司2023年推出了基于天通一號衛(wèi)星系統(tǒng)的Mate 60 Pro系列衛(wèi)星移動手機(jī)終端，是全球首款消費類衛(wèi)星移動終端，從此，手機(jī)直連衛(wèi)星業(yè)務(wù)產(chǎn)品正式進(jìn)入消費類通信市場。

2.2" 手機(jī)直連技術(shù)發(fā)展路線

手機(jī)直連衛(wèi)星技術(shù)路線可分為以下3類：

1）路線1。不改變傳統(tǒng)消費手機(jī)的地面網(wǎng)絡(luò)模式，而是在手機(jī)中添加衛(wèi)星模式的基帶處理和射頻處理模塊，并修改手機(jī)天線以滿足衛(wèi)星通信需求。在該方案中，兩種通信模式只能二選一，終端體積和功能均有所增加。蘋果手機(jī)的全球星通信功能和華為手機(jī)的天通通信功能均采用此方案[5]。

2）路線2。采用新技術(shù)將地面網(wǎng)基站直接運行在衛(wèi)星上，這樣地面網(wǎng)手機(jī)可直接上星，無須更換手機(jī)即可完成通信。AST公司的BlueWalker3低軌衛(wèi)星，配置64 m2超大陣列天線，支持地面LTE手機(jī)接入，測試下載速度達(dá)到14 Mbit/s[6]。該方式下頻譜和用戶均由移動網(wǎng)絡(luò)運營商提供，衛(wèi)星公司則向移動網(wǎng)絡(luò)運營商提供衛(wèi)星接入服務(wù)。

3）路線3。根據(jù)衛(wèi)星通信特點，結(jié)合地面移動通信標(biāo)準(zhǔn)，推出二者相容的3GPP標(biāo)準(zhǔn)，使地面通信和衛(wèi)星通信同步發(fā)展。R17標(biāo)準(zhǔn)是第一個支持手機(jī)直連衛(wèi)星的5G標(biāo)準(zhǔn)，得到了高通、紫光展銳等廠家的支持[7]。

3" 專業(yè)芯片集成模式的手機(jī)設(shè)計

3.1" 整機(jī)設(shè)計

本模式下，采用“多模融合、可擴(kuò)展、低功耗、小體積”的設(shè)計理念，根據(jù)硬件可重構(gòu)、軟件可編程的思路設(shè)計終端整機(jī)[8-9]。終端采用了應(yīng)用處理單元（AP）+通信處理單元（CP）的方式，AP單元負(fù)責(zé)外圍設(shè)備的連接控制，用戶界面及交互等，CP單元負(fù)責(zé)基于衛(wèi)星的移動通信，兩者互相協(xié)作，共同實現(xiàn)衛(wèi)星手機(jī)功能，其架構(gòu)如圖2所示。

整機(jī)硬件詳細(xì)組成如圖3所示，除了AP和CP單元外，還主要包括北斗單元、顯示單元、存儲單元、Wi-Fi單元、視頻輸入單元、SIM卡單元、人機(jī)交互單元、外部接口單元、傳感器單元、供電單元等。AP單元及其外圍電路完成地面網(wǎng)模式通信；CP負(fù)責(zé)的天通單元在AP單元的控制下實現(xiàn)用戶的衛(wèi)星電話、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)；北斗單元負(fù)責(zé)北斗定位和北斗短報文收發(fā)；供電單元負(fù)責(zé)整機(jī)供電管理等功能。

3.2" 硬件設(shè)計

3.2.1" 應(yīng)用處理單元設(shè)計

AP處理單元采用的是展銳公司的UMS9620平臺，用于地面5G模式和整機(jī)的應(yīng)用并實現(xiàn)終端的人機(jī)交互。UMS9620是一款集成了2G/3G/4G/5G調(diào)制解調(diào)器的高性能應(yīng)用處理器，其架構(gòu)如圖4所示。

芯片由4個高性能ARM內(nèi)核Cortex-A76（最高主頻2.7 GHz）和4個ARM核Cortex-A55（最高主頻2.1 GHz）組成。此外，它還包括一組廣泛的接口，用于連接相機(jī)、觸摸屏顯示器和UFS/eMMC/SD卡。芯片配備了Arm? NeonTM引擎的應(yīng)用處理器，能夠支持最新的OpenOS及其要求苛刻的應(yīng)用程序，例如網(wǎng)頁瀏覽、電子郵件和游戲，還集成了多標(biāo)準(zhǔn)多媒體加速器和高級音頻子系統(tǒng)，以提供高級多媒體應(yīng)用和服務(wù)，例如流式音頻和視頻。此外，芯片為低功耗ASIC設(shè)計和電源管理開發(fā)了專有架構(gòu)和算法，為很多應(yīng)用實現(xiàn)高性能和低功耗。

3.2.2" 衛(wèi)星通信處理單元設(shè)計

衛(wèi)星模塊采用集成度較高的MSC06A芯片，這是一顆高性價比的SoC芯片，芯片內(nèi)集成了天通一號基帶處理器、射頻收發(fā)器、電源管理、PSRAM和FLASH存儲器，支持USB2.0（Host和Slave）、SDIO2.0（Master和Slave）、UART、I2C、SPI、I2S和GPIO等外部接口，芯片架構(gòu)如圖5所示。

衛(wèi)星單元和應(yīng)用單元均有PCM接口，可用來連接音頻設(shè)備。然而，地面5G模式在應(yīng)用單元實現(xiàn)，因此音頻設(shè)備必須連接到應(yīng)用單元的PCM接口上，以便完成地面網(wǎng)的話音處理。衛(wèi)星通話時，音頻數(shù)據(jù)通過PCM接口進(jìn)入應(yīng)用單元，在應(yīng)用單元完成衛(wèi)星話音編解碼，然后通過SPI接口與衛(wèi)星單元進(jìn)行交互，最終承載到衛(wèi)星信道[10]。

3.3" 軟件設(shè)計

3.3.1" AP和CP間交互流程設(shè)計

天通衛(wèi)星模式時，應(yīng)用單元使用SPI通道傳輸語音數(shù)據(jù)和短信數(shù)據(jù)，使用UART通道傳輸AT指令，如發(fā)送撥號命令、接收來電指令等，如圖6所示。

具體介紹如下：

1）作為主叫撥打電話時，應(yīng)用單元（AP）的RIL層發(fā)出撥打電話的AT指令，通過UART發(fā)送到CP負(fù)責(zé)的衛(wèi)星單元（CP），然后在SPI通道中，發(fā)送AP采集到的經(jīng)過聲碼器壓縮后的PCM語音數(shù)據(jù)到CP，同時，接收CP從天通信道中收到的語音數(shù)據(jù)，然后再發(fā)送到聲碼器進(jìn)行解壓縮。

2）作為被叫接聽電話時，CP從UART通道發(fā)送收到電話的AT指令給AP。電話接通后，CP通過SPI通道向AP發(fā)送來自衛(wèi)星信道的語音數(shù)據(jù)；同時，AP向CP發(fā)送采集到的經(jīng)過聲碼器壓縮后的衛(wèi)星標(biāo)準(zhǔn)語音數(shù)據(jù)。

3）發(fā)送短信時，AP的RIL層首先將發(fā)送短信的AT指令通過UART發(fā)送到CP，然后在SPI通道中，將編輯好的短信數(shù)據(jù)發(fā)送到CP進(jìn)行衛(wèi)星信道承載。收到短信時，CP收到衛(wèi)星信道短信后，通過UART通道發(fā)送AT指令到AP，然后通過SPI通道發(fā)送短信內(nèi)容給AP。

3.3.2" 通信協(xié)議軟件設(shè)計

衛(wèi)星通信協(xié)議棧主要包括非介入層（NAS層）和接入層（AS層）。NAS層主要負(fù)責(zé)業(yè)務(wù)管理和移動性管理，AS層則包括無線資源管理層（RRC層）、鏈路控制和媒體接入層（RLC/MAC層）以及物理層（PHY層）等，共同完成衛(wèi)星移動通信業(yè)務(wù)。衛(wèi)星業(yè)務(wù)主要包括話音和短信兩種業(yè)務(wù)。在進(jìn)行話音業(yè)務(wù)時，CP直接將通過SPI接口接收到的話音承載到PHY層，完成編碼、調(diào)制，并通過射頻發(fā)送到衛(wèi)星；在進(jìn)行短信業(yè)務(wù)時，CP各層需要按照協(xié)議對短信數(shù)據(jù)進(jìn)行分幀、組包等過程，然后才能將其承載到物理信道，其協(xié)議處理流程如圖7所示。

3.4" 測試驗證

按照專用芯片集成模式完成手機(jī)設(shè)計及實現(xiàn)后，除了進(jìn)行手機(jī)常規(guī)測試外，還需對手機(jī)的衛(wèi)星通信功能進(jìn)行測試，滿足要求后才能移交生產(chǎn)。測試內(nèi)容主要包括衛(wèi)星模式啟停測試、對星測試、入網(wǎng)時長測試、不同速率話音測試、短消息測試等，測試驗證結(jié)果如表1所示。

4" 結(jié)" 論

專用芯片集成模式是目前最直接、見效最快的手機(jī)直連衛(wèi)星方法，無須改變衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)和地面網(wǎng)本身，通過手機(jī)界面中的模式切換實現(xiàn)星地通話。華為、小米等公司利用此模式的手機(jī)已出貨上億臺，推動手機(jī)直連衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)的迅速發(fā)展。隨著技術(shù)發(fā)展，手機(jī)直連衛(wèi)星有望成為推動衛(wèi)星移動通信乃至整個衛(wèi)星通信領(lǐng)域應(yīng)用大發(fā)展的第一動力。手機(jī)直連衛(wèi)星是真正大眾用戶負(fù)擔(dān)得起、符合個人使用習(xí)慣的、屬于個人消費級產(chǎn)品的衛(wèi)星通信解決方案。

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