環球財經丨手機直連衛星關鍵技術及展望

以手機直連衛星為代表的星地融合移動通信成為新一代移動通信技術和產業發展方向。針對手機直連衛星的三種技術路線（基于現有衛星通信體制、基于現有地面移動通信體制、基于3GPP NTN體制），NTN手機直連衛星被業界譽為技術最先進，國內外均在積極開展技術試驗。本文基于對5G NTN手機直連衛星關鍵技術的分析，進一步展望了6G NTN手機直連衛星的設計目標、網絡架構和關鍵技術。

一、手機直連衛星發展現狀

類似于地面移動通信十年一代向前演進，衛星通信歷經了模擬衛星通信、數字衛星通信、窄帶衛星通信網絡、高吞吐衛星通信、巨型星座寬帶衛星通信網絡、星地融合手機直連衛星網絡等不同發展階段。通常，寬帶星座衛星互聯網解決“團組”通信問題，而手機直連衛星重點解決個人移動通信問題，推動衛星通信從行業應用轉向公眾消費。

手機直連衛星具有三種典型的技術路線。技術路線一基于現有衛星通信體制，被業界稱為“新手機、舊衛星”，其特點是手機雙模。基于該技術路線，我國已經發展了天通一號移動衛星通信系統和北斗短報文等手機直連衛星通信系統，該類系統全部由高軌衛星組成，主要提供短信、語音等業務。技術路線二基于現有地面移動通信體制，被業界稱為“舊手機、新衛星”，其特點是星載天線陣面大。基于該技術路線，美國AST SpaceMobile（以下簡稱ASTS）、SpaceX在聯合地面運營商積極推進，其中SpaceX已發射衛星600余顆，聯合T-Mobile于2025年10月正式商用，支持文本、語音和數據傳輸。技術路線三基于3GPP NTN體制，被業界稱為“新手機、新衛星”，其特點是手機成本沒變化、系統優、綜合成本低。基于該技術路線，國內外均在積極開展技術驗證。例如，Inmarsat、Thuraya、銥星、天通一號等在軌衛星系統開展基于IoT NTN的技術驗證，中國信科、中國移動等自2023年積極開展基于再生處理模式的NR NTN技術驗證等。和其他技術路線相比，NTN手機直連衛星在技術、產業、組網等方面均具有明顯優勢，具體分析見表1。從技術、產業、組網等維度綜合來看，NTN手機直連衛星技術路線已成為發展主流，國內外運營商和終端芯片廠家均在積極開展5G NTN 測試。預計2027年后，手機將大比例支持5G NTN。

二、5G NTN手機直連衛星關鍵技術

本節分別從新特性和產業實現的角度出發，對5G NTN手機直連衛星的關鍵技術進行介紹。

（一）手機直連新特性

國際標準化組織3GPP自R15 開始研究5G NTN技術，2022年6月結束的R17形成了第一個透明轉發的NTN標準，同時支持NR NTN 和IoT NTN。自R18開始，3GPP 針對5G NTN一直在進行技術增強，涉及低頻段和高頻段。和地面5G相比，5G NTN引入了時頻同步、時序管理、HARQ 機制、移動性管理等基本特性。針對手機直連衛星，5G NTN進一步引入的新特性主要包括跳波束、覆蓋增強、容量增強、基于MBS的廣播、星上處理模式、星上存儲轉發、終端-衛星-終端、IoT TDD、高軌語音等。

1. 跳波束

衛星在不斷地使用更小的波位劃分以提升單位面積的信號功率，通常單顆衛星支持的波位數達到成千上萬個。然而，受限于發射功率，衛星支持的波束數目相對有限，意味著每個波束需要在其所管轄的多個波位中按照時分的方式來進行跳變。跳波束技術需要設計合理的跳變圖樣，以保證每個波位都能被服務到并兼顧波位的容量需求，以及降低同頻波束的干擾。

2. 覆蓋增強

面對衛星到手機（即下行用戶鏈路）或手機到衛星（即上行用戶鏈路）的鏈路預算不足，需要從系統和鏈路層面去考慮覆蓋增強。系統級增強技術主要有控制和業務分離，即采用控制波束來完成用戶的同步和接入過程、采用業務波束來完成用戶的數據傳輸。為了合理利用功率，控制波束可以設置成寬波束來形成更廣區域的覆蓋，業務波束可以設置成窄波束來為用戶按需服務。鏈路級增強技術主要有冗余傳輸，理論上，每重傳一次能獲得3dB的鏈路增益。

3. 容量增強

和地面移動通信的小區覆蓋范圍相比，衛星通信的單個波束（對應單個小區）覆蓋范圍遠遠要大，意味著手機直連衛星業務爆發增長后，衛星通信將面臨容量不足問題，因此需要進行容量增強。針對相同的時頻資源，常用的擴容手段有正交擴頻或者非正交多址接入。考慮到實現的簡化以及性能不受影響，目前標準中主要探討了用低倍數的正交覆蓋碼（Orthogonal Covering Code, OCC）來實現，并考慮了時隙級OCC、時隙間OCC、符號內OCC、符號間OCC等多種方案。

4. 基于MBS的廣播

NTN與組播廣播服務（Multicast-Broadcast Services, MBS）功能結合，能夠實現從傳統點對點通信向點對多點廣播的擴展，將廣泛應用于應急通信（如災害預警廣播）、偏遠地區互聯網接入、物聯網數據分發及公共安全服務。例如，5G NR MBS可復用現有蜂窩網元，終端無需硬件改造即可接收廣播信號，實現“泛終端化”覆蓋。針對NTN覆蓋區域大、MBS服務區域可能比NTN小區小的問題，標準支持了只在特定區域（小于一個小區）廣播，以及業務連續性等問題。

5. 星上處理模式

3GPP在R17、R18階段的5G NTN標準僅支持衛星透明轉發模式，即衛星僅進行無線電信號處理，不處理數據。隨著衛星技術的進步，以低軌巨型星座為代表的新一代衛星通信系統均采用星上處理和星間鏈路技術，即星上處理模式更易于支持大規模星座組網。自R19開始，3GPP針對NR NTN 支持再生處理模式，并優先完成了完整基站（full gNB）上星模式。對于CU-DU分離、UPF上星等更多的靈活網絡架構再生處理模式，將在后續版本中持續推進。

6. 星上存儲轉發

針對衛星物聯網業務，在衛星饋電不可用時（即用戶鏈路和饋電電路不同時存在），可以基于星載基站和輕量級核心網，支持終端數據的星上存儲轉發操作。星上存儲轉發的典型用例包括：MO(UE-IoT服務器)業務、MT(IoT服務器-UE)業務、IoT網絡的端到端數據傳輸、應急信息的存儲轉發。星上存儲轉發需要考慮的關鍵功能包括網絡架構設計、存儲轉發的授權、上下行數據的存儲和轉發等。

7.終端-衛星-終端

基于星載基站和輕量級核心網，衛星通信網絡可以支持終端之間通過衛星直接通信，以解決數據不落地的問題，并節省饋電資源、降低通信時延。衛星上部署了基站和用戶面功能（gNB+UPF），則UE之間能夠直接建立用戶面通信隧道，完成IMS數據的星上交換。

8. IoT TDD

應銥星系統的需求，3GPP在R19針對IoT NTN引入了時分雙工（Time Division Duplex, TDD）模式，即NB-IoT/eMTC等物聯網終端直連衛星時，上下行鏈路共享同一頻譜，通過時隙劃分實現雙向傳輸。IoT TDD的關鍵在于將星地鏈路特性與IoT低速率、低功耗、非對稱業務需求進行適配，需要進行幀結構優化、資源配置、干擾抑制等關鍵技術突破。

9. 高軌語音

為了解決地球同步軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛星如何使用NTN技術實現手機直連衛星，以中國電信為代表的運營商推動了基于NB-IoT的高軌IMS語音核心網增強技術立項，優化SIP信令、低碼率傳輸等。高軌語音的核心痛點是高軌衛星的長時延、低帶寬如何與終端適配，涉及的關鍵技術有專屬承載與QoS保障、采用0.4-1.2kbps低碼率語音編解碼、信令與資源調度優化、終端與核心網適配等。

（二）載荷實現技術

手機直連衛星載荷面臨產業化挑戰，涉及的關鍵技術主要包括星載相控陣天線、星間激光通信、載荷一體化等。

1. 星載相控陣天線

和傳統機械天線的追蹤單目標、響應慢、易發生故障等特點相比，星載相控陣天線具備能追蹤多目標、響應快、高可靠等特征，越來越多地在手機直連衛星通信系統中應用。從國外來看，以ASTS為代表，其BlueWalker 3衛星采用了“翼陣一體”相控陣，陣元數2368個，展開面積達64平方米，能支持10Mbps 以上的峰值速率。手機直連衛星對星載相控陣天線提出了技術需求：一方面，星載相控陣天線受工作頻段及帶寬、陣列規模、波束數量、頻譜效率等方面的約束，以滿足系統性能要求；另一方面，為適配衛星及運載系統，星載相控陣天線需要降低天線重量、體積、功耗等。

星載相控陣天線目前存在著波束數量少、賦形能力弱、工作帶寬低（平坦度低）、增益低、功耗高、體積/重量大、成本高、規模化弱等系列挑戰，為支持手機直連衛星需要攻克系列關鍵技術，例如數字波束賦形，多子陣/天線，折疊相控陣，擴大陣元規模，芯片化，稀疏陣、體制優化，星載一體化設計，架構優化、工業級器件，高集成度芯片、一體化設計等等。

2. 星間激光通信

星間鏈路傳統上采用CCSDS 協議，具有如下優點：（1）航天領域非常成熟、可靠，深空探測、測控都在用；（2）標準完備，工程經驗豐富，容易互通。CCSDS也存在如下不足：（1）協議偏重，控制過程復雜，在Gbps-Tbps高速處理壓力大；（2）更適合“窄帶、低速率、少節點”的場景；（3）對大規模星座動態拓撲的優化不足。

和CCSDS協議相比，OTN協議具有承載效率高、多業務隔離能力強、加密方案靈活高效、豐富的監測與運維等特征，越來越受到業界青睞。而且，OTN協議已在地面成熟應用多年，標準化程度高，相關產業鏈發達且開放。

隨著手機直連衛星面向寬帶發展，100G OTN相干星間組網優勢明顯，具體體現在：（1）長距離、高靈敏度；（2）高可靠性；（3）具備國產化能力；（4）地面運營商大規模應用；（5）組網互通：通過組網規劃解決。因此，積極發揮地面光模塊產業鏈優勢，打造真正面向“星地一體化、Gbps-Tbps”的下一代星間鏈路協議。

3. 載荷一體化

當前衛星載荷各部分采用獨立設計，面臨有效載荷單機組件數量繁多、組件間耦合性強、整星方案冗余、線纜復雜裝配難度大耗時長、整星測試周期長消耗資源等問題。載荷一體化設計及載荷半艙系統解決方案是應對星座規模建設、上下游產業鏈成熟的一條有效路徑。

然而，要實現載荷一體化，需要攻克系列關鍵技術，具體包括：（1）核心載荷充分整合優化，例如遙測遙控、繼電器、OC等通用處理部分的整合，基帶處理異構實現，基帶、路由、激光、QV、AI等SoC芯片整合方案；（2）內外部接口兼顧極簡與標準，例如一體化載荷中綜合處理部分與射頻部分的接口，一體化載荷與綜合電子的接口，一體化載荷與平臺其他載荷的接口；（3）載荷一體化與衛星聯合設計，例如對地艙艙板聯合設計滿足結構、熱控要求，對地艙艙板與對天艙的控制接口聯合設計，對地艙艙內及與對天艙的供電方案聯合設計；（4）載荷一體化生產流程建設，例如原整星出廠中涉及接入網/承載網協議體制測試可下沉，原整星出廠中可通過真實星上陪測設備完成的測試可下沉。

三、6G NTN手機直連衛星技術展望

本節基于對6G NTN的設計目標分析，探討了6G星地融合網絡架構及6G NTN系列關鍵技術。

（一）6G NTN的設計目標

我國在2020年提出的“5G體制兼容、6G系統融合”星地融合技術路線，在業界達成了廣泛共識。ITU已明確未來6G標準由地面移動通信和衛星通信融合組網，兩者標準完成時間基本同步，目前初步完成了6G衛星未來技術趨勢研究。3GPP 強調6G階段做TN和NTN的融合設計，并將6G NTN列入6G第1 個版本的必要內容，預期R20完成6G NTN研究，R21完成6G NTN 標準制定。

6G NTN的典型應用場景。和5G NTN相比，6G NTN一方面將和TN內生融合，克服5G NTN產業鏈的短板，使得TN和NTN的產業可以同步推進；另一方面將提供比5G NTN更好的用戶體驗、更大的容量和更多業務的服務能力。

（二）6G星地融合網絡架構

6G支持空天地接入統一架構設計，支撐立體全域無縫覆蓋，增強網絡容量和可靠性，提供業務一致性體驗。

6G星地融合網絡架構。從終端來看，6G支持星地統一接入，支持手持、IoT等多種類型；從衛星來看，6G支持透明和再生模式，支持星載核心網，支持多軌共存、協同接入，支持星載計算/AI等服務；從星地互通和共享來看，6G支持星載基站移動性管理增強，支持核心網星載部分和地面部分互通，支持衛星接入網絡共享、星地漫游。

6G星地融合對網絡架構的增強體現在兩個方面：（1）支持分布式組網，即通過統一網絡編排技術，實現星地融合網絡的按需生成、按需部署、即插即用，構建廣泛分布、需求多樣化的定制化網絡；（2）支持星載輕量化核心網，提供可動態擴展的架構，增強星上服務，滿足低時延、高自治等場景訴求。由此，需要攻克的關鍵使能技術包括：（1）多軌衛星接入協同技術，即利用高低軌的各自優勢協同提供服務，例如高軌負責接入，低軌負責數據傳輸；（2）動態數據傳輸優化技術，即數據流量可動態選擇最合適的傳輸路徑，如TN、LEO、MEO、GEO；（3）動態QoS調整技術，即網絡條件變化自動適配QoS調整；（4）基于再生模式的移動中繼技術，實現靈活組網；（5）基于AI的星地統一網絡管理和算力資源編排技術。

（三）6G NTN的關鍵技術

面向6G Day1標準，業界探討了系列6G NTN關鍵技術，包括TN和NTN統一的無線空口設計、星地多層網絡協同傳輸、終端無GNSS接入、衛星NLOS的深度覆蓋、通導融合定位、6G衛星網絡與AI融合等。

1.TN和NTN統一的無線空口設計

衛星通信傳統上以FDD為主，而地面移動通信同時支持TDD和FDD兩種方式。因此，TN和NTN 統一設計意味著6G NTN需要支持TDD或者半雙工FDD（HD-FDD）方式。和FDD方式相比，TDD方式無需同時收發，可簡化天線及射頻復雜度，但需要考慮定時關系及流程設計，并進行上下行干擾規避。

除雙工方式外，TN和NTN統一設計還需要考慮：（1）幀結構設計及調度優化，如幀結構降低TDD 模式下保護間隔的占比，對更長傳輸時間間隔的資源進行統一調度等；（2）無GNSS輔助的終端接入，即允許UE在僅具備有限的GNSS 信息或者無GNSS信息情況下完成與衛星的接入；（3）用戶及饋電鏈路一體化，即支持饋電鏈路采用與用戶鏈路相似的系統設計；（4）深度覆蓋，即支持終端在室內場景下的尋呼，從而接入衛星網絡。

2. 星地多層網絡協同傳輸

6G網絡將向星地立體多層覆蓋發展，因不同層網絡具有各自覆蓋和傳輸特性，孤立的網絡會導致覆蓋和業務傳輸的割裂，不利于資源高效利用。因此，需要考慮多層子網的高效協同，提升用戶體驗。

星地多層網絡多波束協同傳輸涉及四個方面。其一為多波束傳輸協同，即利用單顆或多顆衛星的多個波束，基于SU-MIMO來提升用戶峰值速率，或者基于MU-MIMO來提升系統容量。其二為多層網絡智能接入協同，其中終端基于高軌、低軌和地面網絡的信號質量，智能自適應接入最優的子網進行通信；網絡側可以廣播接入參數，實現基于業務負載或服務QoS控制用戶的接入。其三為多軌道傳輸協同，即以多連接技術為基礎，終端可以選擇高軌作為主小區，完成控制面的連接；低軌衛星網絡作為數據面增強小區，提供更高速率的業務服務能力。其四為多維資源協同，即當單一運營商具備多層網絡的部署能力時，可以動態地調整各層子網的覆蓋區域、頻譜帶寬、業務負載，實現系統效率的最優化。

3. 終端無GNSS接入

5G NTN的標準中，終端的GNSS信息被認為是基本條件。然而，在實際應用中，存在GNSS信息被干擾或者精度低的情況，而且持續地測量GNSS也會對終端帶來一定的復雜度和功耗，因此業界近年來開始關注無GNSS條件下的接入。當終端不具有GNSS信息時，對終端的同步、波束跟蹤、調度和切換帶來較大的挑戰。特別對低軌衛星來說，對于同步保持的難度非常大。因此，需要攻克一系列關鍵技術，具體包括：（1）基于網絡輔助信息終端接入，即網絡發送波束中心點的位置參考信息，終端基于該參考點進行同步補償，實現精準同步；（2）基于終端自主定位的接入機制，即網絡發送定位參考信號給終端，終端測量定位參考信號，并獲取衛星的位置信息，實現終端的自主定位；（3）物理隨機接入信道（PRACH）信號增強，即當終端無GNSS信息時，PRACH信號檢測需要克服時延和頻偏兩大挑戰，采用新型PRACH設計可解決這兩個問題。

4. 衛星NLOS的深度覆蓋

現有衛星通信以服務具備直射徑的用戶為主，當用戶在信號遮擋區域時對應非視距（Non-Line of Sight, NLOS）無線信道，會導致鏈路連接失敗，無法進行有效通信。

深度覆蓋技術可支持低軌衛星的增強覆蓋場景，也可用于高軌衛星的數據傳輸。為實現深度覆蓋，可采用更低速率的魯棒傳輸設計方式。需要攻克一系列關鍵技術，包括兩個方面：其一為深度尋呼技術，設計單獨的尋呼信道，可抵抗20dB以上的額外鏈路損耗，用戶在收到尋呼后，到室外接聽電話，回歸正常模式；其二為室內短信通信技術，即用戶在室內或有遮擋條件下，可接收到單向的短報文信息，維持最低能力的通信連接。

5. 通導融合定位技術

低軌星座的大規模部署為通信導航融合提供了基礎設施，為通信和定位的融合帶來新的價值。受限于可見衛星數量，5G NTN主要研究了基于單星多個時刻的定位方法，其幾何精度因子（Geometric Dilution of Precision, GDOP）較差，制約了定位精度。

隨著衛星星座的致密化發展，終端可視范圍內能看到的衛星數量眾多，因此可以采用基于多星的定位方法。多星定位可顯著改善GDOP，突破單星定位幾何構型差的瓶頸。

由于衛星快速運動導致時延、多普勒頻移高動態變化，多星定位面臨星地信道下的測量誤差和測量精度的不確定性、時鐘誤差帶來的定位誤差、終端可見衛星數量的快速變化等技術挑戰。因此，需要攻克系列關鍵技術，包括：統一的無線空口信號設計、基于OTDOA或Multi-RTT 定位增強技術、基于角度或多普勒測量的定位增強技術、基于載波相位的衛星定位技術、基于同步信號塊（Synchronous Signal Block, SSB）和主參考信號（Primary Reference Signal, PRS）的定位信號設計方案、設計PRS muting機制以降低星間定位信號的干擾等。

6. 6G衛星網絡與AI技術融合

人工智能（Artificial Intelligence, AI）已經滲透到移動通信網絡的各個方面。例如，核心網+AI，可以解決業務及應用的部署、運行、拓展、安全等問題；無線接入網+AI，可以解決信號處理、無線資源管理等問題；此外，在網絡規劃、操作維護等層面，可以替代傳統的人工操作。

基于AI的衛星通信網絡可以大幅提升網絡效率和服務能力。典型的衛星與AI融合的用例包括：星地鏈路的AI應用、衛星組網的AI應用、網絡管理的AI應用等。6G衛星網絡與AI技術融合，需要考慮星載算力的受限、星地AI的協同性等挑戰。

四、總結

NTN手機直連衛星被業界認為是三種典型技術路線中最先進的一種，目前正在朝著“5G體制兼容、6G系統融合”的方向發展。5G NTN由于不在Day1引入，很多衛星的特定差異未得到充分考慮，例如初始接入和跳波束的兼容性、衛星寬波束和窄波束的應用、低軌衛星移動性對切換和尋呼的影響、對終端同步條件過于苛刻、對衛星波束數目設定的太高、手機直連的鏈路預算限制等。和5G NTN相比，6G支持NTN與TN 融合的原生設計，在容量、覆蓋、效率等方面性能更優。此外，6G NTN一方面支持高效的星地協同，提升網絡部署的便利性和業務服務能力的多樣性；另一方面支持大規模組網問題的解決和性能優化，進一步拓展新的業務場景。可以預期，6G NTN手機直連衛星將真正實現通信的全域覆蓋，消除人與人之間的數字鴻溝。

本文刊發于《環球財經》2025年4月刊

免責聲明：本文轉自環球財經雜志，原作者康紹莉。文章內容系原作者個人觀點，本公眾號編譯/轉載僅為分享、傳達不同觀點，如有任何異議，歡迎聯系我們！

轉自丨環球財經雜志

作者丨康紹莉

研究所簡介

國際技術經濟研究所（IITE）成立于1985年11月，是隸屬于國務院發展研究中心的非營利性研究機構，主要職能是研究我國經濟、科技社會發展中的重大政策性、戰略性、前瞻性問題，跟蹤和分析世界科技、經濟發展態勢，為中央和有關部委提供決策咨詢服務。“全球技術地圖”為國際技術經濟研究所官方微信賬號，致力于向公眾傳遞前沿技術資訊和科技創新洞見。

地址：北京市海淀區小南莊20號樓A座

電話：010-82635522

微信：iite_er