随着通信技术以及移动设备的更新换代，手机上网已经成为我们进行生活活动的重要媒介。由于地面基站的建设，网络信号似乎“无处不在”，但是在一些偏远地区，比如海洋、沙漠、丛林、冰原等人类聚集少的地区，建设基站成本高、使用率低，因此网络信号不稳定甚至不能支持手机上网。

建设基站的方式无法满足这些边缘地区经济与生活发展的通信需求，并且在发生地震、海啸、洪水等自然灾害时，断网、断电使这些地区救援工作的难度陡增，因此，需求一条通信可行之路关乎众多地区的抢险救援与未来发展。

那如何建设一张覆盖全球，不受地面环境限制的通信网络？与卫星通信相融合，建设天地一体的通信网络成为5G”升级进化“的方向。

一提到卫星，大家第一反应是远在天空之上。虽然我们口头上经常把仰头所能看到的外部世界叫做“天空”，但实际上，“天”和“空”的概念，是截然不同的。

“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围，通过气球、飞机、飞艇等航空器可达；而大气层之外的空间，才可以称之为“天”，一般需要通过火箭才可到达。“空”和“天”一般以海拔100千米为界，也被称作“卡门线”。

通信卫星就是实现”上天“的通信载体，为地球提供通信网络信号。各式各样的通信卫生按照轨道的高低，一般分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨。

低轨（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于2000千米的卫星系统。由于低轨道卫星离地球近，路径损耗小，传输时延低，功率较小，绝大多数对地观测卫星、测地卫星、空间站以及一些新的通信卫星系统都采用近地轨道。在近地轨道发射火箭的难度最低，燃料要求最少，随着发射成本的逐年降低，多个LEO卫星可组成星座实现卫星网络信号的全球覆盖。因此，LEO 系统被认为是最有应用前景的卫星互联网技术。

中轨（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度2000km~35786Km，传输时延一般小于50毫秒，要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要少量卫星就可以覆盖全球，多为导航用途。

地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度35786km，即同步静止轨道。GEO卫星运动的角速度和地球自转相同，因此从地球上看这些卫星是相对静止的。理论上，三颗地球静止轨道卫星即可以实现全球覆盖，因此，通信卫星一般采用地球静止轨道。

高轨（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于35786km。中轨和高轨以地球同步静止轨道为分界线，它们高度范围是非常宽广的。

要采用卫星来实现远距离无线通信，频谱资源也是至关重要的。随着容量的需求，卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，频率越来越高，带宽也越来越大。

卫星通信频段和空间轨道资源一样都属于“不可再生资源”，国际原则是“先登先占”的使用模式。目前低轨卫星的主要通信频段（Ku 和 Ka）已趋于饱和，频轨资源竞争异常激烈。

卫星通信系统的组成可以分为三部分：空间段、地面段和用户段。

卫星系统架构（来源：Starlink）

空间段指的是天上的由多颗通信卫星组成的星座，以及卫星之间的通信链路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星间链路）。

地面段主要包含地球站（也可称作网关）、业务控制、监控管理、时间注入等辅助部分以及地面网络的传输、核心网等网元等。

用户段指的是接入卫星的终端，主要包含天线（我们常说的“锅”）、信号处理并提供网络接入能力的设备（如路由器等）、接入网络的终端（手机、电脑等）。

农村数字连接中心（来源：Starlink）

在无法实现有线网络以及无线网络连接时，通过卫星天线提供网络连接可以实现电脑、笔记本以及手机等不同终端同时上网。如果在野外地区，没有固定卫星天线的安装时，Starlink给出的方案是携带小尺寸的电子相控阵天线和路由器。

Starlink 的用户终端（来源：维基百科）

卫星通信已经提供了全时全地随时上网的可能，那么手机是否能否支持卫星网络，从而走进消费领域呢？

今年，华为推出了支持北斗卫星短报文的Mate 50旗舰机，苹果也跟Globalstar（全球星）合作推出了支持卫星求救的iPhone14。这两款产品揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。

华为Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息，但内容会被审核，只有跟救援相关的信息才能被发送，而且收不到回复。

iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号，且自带定位坐标，但不能定向发给个人，消息会统一发送至公立或付费的救援机构，但能收到救援机构的回复。

由此可见，目前在消费领域，手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统，技术上并没有进行融合，且卫星仅定位于应急通信，这一点跟传统的卫星电话并没有本质的差别。甚至，由于技术上的限制，华为和苹果的这两款手机连卫星电话都还打不了。

那么，我们能否更进一步，让这两套系统融合起来，让卫星直接发送5G信号？

今年8月，SpaceX宣布和T-Mobile将达成频谱共享，新一代的Starlink V2卫星将通过1.9GHz来向现网的手机提供服务。Starlink V2卫星对信号接收能力进行了增强，将卫星天线加长到7米，面板增加到25平米，通信性能达到上一代V1的10倍。现网已有的手机能够直连卫星上5G，预计吞吐率可达2~4Mbps，跨出了支持手机通话、较为流畅上网的第一步。

不依靠地面基站进行网络传输的网络就是“非地面网络（Non-Terrestrial Network）”，简称作NTN。NTN的工作原理是，通过卫星发射5G信号，直接和用户的手机相连，地面上再架设信关站作为网关，最终连接到5G核心网。

其中，卫星和用户之间的链路叫做服务链路（Service Link）；卫星和信关站之间的链路叫做馈电链路（Feeder Link）；卫星之间的链路叫做星间链路（Inter-Satellite Link，ISL）。

在目前的NTN相关协议中，定义了两种实现架构，分别是“透明载荷”和“可再生载荷”。“透明载荷”，也称作透明转发，实际上把卫星仅当作信号中继的链路，5G基站作为地面网络的一部分部署在信关站的后面。卫星不关注基站发了什么，对信号也不做任何处理，只需实现手机和信关站的流量连接。透明载荷架构可以利用已有卫星，技术上实现起来较为容易，成本也低，但卫星和基站之间的路径长，时延大，不支持星间协作，需部署大量信关站。

可再生载荷，又称作基站上星，相当于把5G基站部署在了卫星上。卫星和卫星之间的星间链路就跟地面基站之间的Xn接口一样；卫星和信关站之间的馈电链路，实际就是基站跟核心网之间回传网络的一部分。可再生载荷这种架构必须改造并新发射卫星，技术复杂，成本高。优点是手机和卫星基站之间的时延短，且由于有星间链路的存在，信关站可以少部署一些。

在这两种架构的基础上，要实现5G NTN，本质上是将卫星通信和地面蜂窝通信进行融合。然而，蜂窝通信协议从2G、3G、4G，再到5G，针对地面网络的场景这么一路演进过来，要和卫星通信相融合的挑战是巨大的，协议上要进行大量的更新。

1、高传输时延，GEO卫星的传输时延可达250毫秒以上（针对透明转发卫星），如此高的时延将极大地影响基站和手机间交互的时效性，特别是接入和切换等需要多次信令交互的过程。

2、多普勒频移，由于非地球同步轨道卫星是相对地球高速运动的，这会导致严重的多普勒频移。对于低轨卫星系统，需要处理几十千赫兹甚至兆赫兹级别的多普勒偏移，以及数十微秒的定时漂移。这些对于5G NTN系统的设计是一个巨大的挑战。

3、超大小区半径，地面蜂窝网络小区一般就几百米到几千米，超远覆盖也就到一百多千米，而NTN小区的覆盖范围要大得多，LEO波束可达1000千米，GEO波束可达3500千米。

卫星小区中心和边缘的时延差异等将更加明显，对系统定时同步也会带来一定的影响。5G是同步通信系统，因此需要增强同步机制从而避免用户间干扰。

4、移动性管理，由于非地球同步轨道卫星相对用户是高速运动的，这会导致频繁的小区切换和重选等移动性问题。

一方面，在移动性管理决策中，需要将小区的移动状态信息等纳入考量，避免不必要的切换或重选；另一方面，可进一步利用小区的移动状态信息，进行预先的小区或波束切换，减少信令交互开销。

5G NTN，正是卫星通信和地面通信融合的产物，是支持手机直连卫星网络最大实现的可能。

期望在不久的未来，无论处于世界何时何地，在何等恶劣自然条件之下，手机都能在天地一体的卫星互联网与地面蜂窝网络的共同支持下，满足流畅的网络连接与上网应用，实现”永不失联“的高质量网络体验。