手机直连卫星通信是指公众用户用同一部手机可以无感知地在地面移动通信网络和卫星通信网络间进行随遇接入和无缝切换，能在全球任何范围内享受不间断通信服务。
早在20世纪90年代，摩托罗拉公司基于低轨卫星通信的铱星系统就能实现专用手机终端直连卫星通信，与当时的地面移动通信系统（2G/3G）竞争，但由于成本高、资费贵，没有普及，在发展公众用户方面输给了地面移动通信系统，只服务于行业用户。
随着技术进步及人类活动拓展，作为星地融合移动通信应用的典型代表，手机直连卫星通信相较于宽带卫星互联网应用，具有受众广泛、终端便携、市场潜力巨大等优势，自2022年起再度成为业界新的研究热点。在国际上，以AST Space Mobile为代表的美国初创卫星公司积极开展手机直连卫星通信的技术试验。在国内，卫星运营商、地面运营商、系统厂商和终端厂商等，均在积极关注手机直连卫星通信的需求与技术发展。
手机直连卫星通信是5G及未来6G发展的一个重要方面，将应用最广的地面移动通信网络与覆盖范围最大的卫星通信网络紧密结合，卫星通信与地面移动通信从竞争走向了互补。这不仅是增强手机终端能力与提高网络覆盖广度的重要方法，也是对传统依靠专用手持终端、以语音及低速率业务为主的卫星移动通信的重新定义，更是面向6G真正实现随遇接入、无缝覆盖的重要举措。
（1）通信速率
手机直连卫星通信受手机天线增益、发射功率等因素的影响，相比地面移动通信网络，手机通信速率会有量级下降。
（2）频段带宽
手机直连卫星通信，受无线传播特性及手机天线形式等因素的影响，一般工作在低频段，如L、S或C频段。按照ITU的规划，低频段可用于卫星移动通信业务的带宽一般低于20MHz，该带宽远低于5G NR的可用带宽及传统卫星通信的带宽。
（3）频谱效率
由于手机直连卫星的功率受限，低信噪比导致高阶调制难以应用，同时卫星距离地面较远，传统的MIMO技术难以用于单星增容。这些因素都会限制手机直连卫星通信的频谱效率。
（4）多普勒频移
低轨卫星由于运动速度快，会带来较大的动态特性。即便是在较低的L和S频段，低轨卫星带来的多普勒频移也有数十kHz，对频率同步也会造成较大的影响。
从手机所采用的技术体制来看，手机直连卫星通信主要有3种技术路线，如表1所示。
（1）技术路线一：基于现有卫星通信体制的手机直连卫星通信
该方案基于在轨卫星的现有卫星通信体制（如铱星系统、GlobalStar系统或天通一号卫星系统），定制面向公众用户的新手机（是双模手机），同时集成地面移动通信终端芯片/模组、专用卫星通信终端芯片/模组，由手机厂商主导，卫星侧基本不做改动。该方案是“新定制手机”+“已有星座”，可以通俗称为“新手机、旧卫星”。
因为使用已在轨卫星，该方案的优势是商用部署快；不足是新定制手机，必须集成卫星通信专用芯片，成本高，且面临终端小型化、卫星天线内置手机等挑战，受制于在轨卫星能力和手机内置天线，通信速率十分有限，仅提供kbit/s量级速率，只能解决基本通信问题，基本上是一种过渡方案。另外采用私有技术体制，在全球推广和协调受限。典型案例有华为Mate 60 Pro集成天通一号卫星终端模块，苹果iPhone 14集成Globalstar卫星终端模块。
需要补充说明的是20世纪就已经出现了专用手机直连卫星通信，其主要以话音为基本业务，以行业用户为主。典型的卫星通信系统包括铱星系统、GlobalStar系统及INMARSAT等。21世纪初，我国也建成了支持手持终端接入的天通一号卫星通信系统。传统的卫星电话主要分为两类：地球同步轨道卫星通信系统和低轨卫星星座系统。其中，INMARSAT和天通一号属于地球同步轨道卫星通信系统，而铱星系统和GlobalStar系统则属于低轨卫星星座系统。上述系统采用不同的定制化通信体制和协议，导致不同卫星通信系统的专用手机/终端无法进行漫游和互联互通，没有形成规模经济。例如，铱星系统采用类似GSM协议，GlobalStar系统采用扩频技术，INMARSAT第四代星采用GMR-1 3G协议，天通一号也采用私有的定制化通信协议。
（2）技术路线二：基于现有地面移动通信体制的手机直连卫星通信
该方案基于现有地面移动通信体制（如4G、5G）实现存量手机直连卫星，用户既不需要更换4G和5G手机也不需要对其进行改动，由卫星和网络侧进行改动和增强实现，将4G/5G基站改动后上星以应对卫星通信场景中的深度衰落、大时延和大频偏等挑战。一方面，现有手机的无线信号收发能力难以应对星地链路的巨大信号损耗，只能大幅增强卫星侧网络设备的能力，星上需要配置超大规模相控阵天线阵列以提升信号收发能力。例如，AST SpaceMobile的BlueWalker 3卫星使用的相控阵天线在展开后面积达到约64m2，其卫星质量约为1500kg，成本高达上亿美元，带来了功耗、体积、重量、成本等系列新挑战。另一方面，为了匹配现有手机所使用的技术体系，还对卫星的轨道高度、波束成形等有特殊要求，导致用户速率和系统容量等受限。
该方案是“存量手机”+“新建星座”，可以通俗称为“旧手机、新卫星”，优势在于4G/5G存量手机就能直连卫星，用户市场基数庞大，潜在用户数量大；其缺点是需新建高性能低轨卫星星座，卫星部署周期长，卫星复杂且成本极高，实现难度大。
自2022年以来，业界开始关注存量4G/5G手机直连卫星通信。2023年4月，AST SpaceMobile与AT&T合作，宣布首次实现了使用普通智能手机通过卫星进行双向音频通话。2023年7月，Lynk发布视频，展示了通过其在轨卫星连接普通手机进行多次语音通话的场景。2023年10月，Starlink公布了面向存量手机用户提供直连卫星通信服务的时间计划，并于2024年1月发射了首批6颗具有手机直连卫星能力的试验卫星，基于T-Mobile的网络支持了短消息服务。
（3）技术路线三：基于3GPP NTN体制的手机直连卫星通信
该方案由手机和卫星网络侧根据3GPP NTN标准进行改进增强，是“新研手机”+“新建星座”，可以通俗称为“新手机、新卫星”。
该方案的优势是手机和卫星间的复杂度和成本的系统平衡，与支持5G NTN演进的智能手机兼容，新手机是单模手机，主要涉及物理层时序和同步的增强，成本变化不大，且市场开拓容易；其缺点在于需要规划新频率，实现5G NTN标准的新手机和新卫星，新建卫星复杂度中等，但需要部署周期。依据手机的电池寿命等因素，目前业界换机的周期大概为3年，该周期内5G NTN卫星建设与组网基本成熟，使得公众用户换机时能直接使用5G NTN的手机直连卫星服务。爱立信、泰雷兹和高通联合声明将共同研制5G NTN卫星系统，还有Omnispace，中国移动、中信科移动、中兴通讯、柴光展锐等中国公司也开展了基于NTN标准的直连卫星在轨验证。
3GPP从R14开始成立了“NR（新空口）支持NTN的解决方案”工作组，探讨NR传输技术用于NTN场景的可行性。在R17阶段，针对透明转发模式下的NTN技术进行了研究，并于2022年6月，完成了R17版本的NTN标准化工作。在无线空口方面，主要涉及物理层时序关系的增强、上行时频同步技术的增强、混合自动重传请求（Hybrid Automatic Repeat reQuest，HARQ）技术的增强等关键技术。
·物理层时序关系的增强。NTN场景下，相比地面网络，卫星的覆盖范围增大、传输时延增加。因此，原5G标准协议中定义的时序关系及参数取值均需要增强，使其适应卫星通信的信道传输特点。
·上行时频同步技术的增强。NTN场景下单向传输时延增大，对于低轨卫星通信场景，卫星的快速运动造成严重的多普勒效应，影响上行时频同步。R17版本标准中，终端需要根据星地传输时延和频率变化情况对上行时频进行预补偿。
·HARQ技术的增强。NTN场景的大传输时延导致原NR的HARQ进程难以满足需求，因此需要扩展原HARQ进程、支持关闭HARQ进程等。
在R18阶段，针对手持终端上/下行链路受限的特点，3GPP开展了覆盖增强项目的研究。在未来的R19阶段，3GPP仍将会持续开展NTN标准的完善、增强工作。
以上内容节选自《星地融合移动通信系统与关键技术》
第1章：概述
《星地融合移动通信系统与关键技术》
内容介绍
陈山枝博士于2018年率先提出“5G体制兼容、6G系统融合”的星地融合移动通信技术发展路线，带领中国信科团队积极推动全球卫星互联网技术研究、标准制定和产业发展。本书对星地融合移动通信系统和关键技术进行介绍，以无线信道建模与链路预算分析为系统设计的基础，深入剖析星地融合移动通信系统设计的组成及其关键技术，具体包括网络架构、无线传输、移动性管理、组网与路由、频率复用等多个方面，为广大读者深入了解5G增强和6G的星地融合移动通信系统提供参考。本书既可作为卫星通信系统、卫星互联网、空间互联网、地面移动通信系统、星地融合移动通信系统等领域研究人员和学生的参考书，又可供相关领域的技术人员使用。
作者介绍
陈山枝，北京邮电大学博士研究生毕业。正高级工程师，国家杰出青年科学基金获得者，IEEEFellow，中国信息通信科技集团副总经理、总工程师、科技委主任，无线移动通信全国重点实验室主任。长期从事无线移动通信技术研究、标准制定及产业化工作，目前研究方向包括B5G/6G、车联网、卫星互联网。曾获国家科学技术进步奖特等奖、一等奖和二等奖，国家技术发明奖二等奖，何梁何利基金科学与技术创新奖等。 
