得益于智能手机的普及率极高，手机直连卫星所能触及的用户基数非常巨大，市场前景广阔，2022年全球智能手机用户数量已有60亿。巨大的市场吸引力，也促使各国高度重视并启动相关计划。根据GSA官网9月5日发布的报告，截至2023年7月底，42个国家和地区的移动运营商和卫星供应商之间确定了70个公开宣布的合作伙伴关系。其中，共有37个国家和地区的48家移动运营商规划了卫星通信服务，8个国家和地区的8家移动运营商目前正在评估、测试或试验这些服务。

2023年8月29日，华为公司和中国电信在全球率先实现了消费级智能手机直连卫星语音通信的业务化运营。华为mate 60全球首发，使用中国电信天通一号卫星移动通信系统，用户可以在地面和卫星通信之间实时切换，能够在偏远地区或是通信信号无法覆盖的地方进行通话，并且还能够保证通话质量的稳定性。

天通卫星业务使用的卫星、芯片、终端等全部由国内自主研发生产，能够有效保障客户的通信安全。

“天通一号”能够实现17个海外国家的通信覆盖，实现在高山、海洋、沙漠等极端恶劣环境下自由通信。同时，使用天通卫星业务拨号方便，具有手持、车载、船载、机载等多个终端型谱，支持卫星+全网通双模终端。

但是由于双模手机目前直连的是“天通一号”这类高轨卫星，距离36000千米，地面信号强度很低，因此双模手机只能实现对星的窄带低速话音和短信业务，无法实现手机对星的宽带上网功能。

图1. 基于“天通一号”的双模手机直连卫星网络架构示意图

华为和中国电信实现的手机直连“天通一号”卫星的方案就是典型的双模手机方案。如图1所示，在这一方案下，卫星通信网与地面移动通信网并未深度融合，基本独立运行，只是将手机做成卫星/地面网双模手机，手机内集成了两套分别面向卫星和地面移动通信网的基带和射频芯片及天线，通过人工选择完成与卫星或地面网的语音通信。“天通一号”卫星的核心网与地面移动通信核心网完成了网间信令的拉通和优化，实现了星/地双模手机用户身份的统一认证，使用单一普通中国电信手机号码的双模手机在卫星网和地面网均可拨打，不再需要使用原天通卫星电话“1740”的专门号段。

华为和中国电信此次率先实现消费类手机直连高轨通信卫星并非从零开始，其依托的卫星系统就是我国专门面向手持卫星终端开发的“天通一号”移动通信卫星。在实现消费级手机直连天通卫星之前，“天通一号”已经与十几款入网的行业用天通手持终端配合而平稳运行数年，行业用天通手持终端通常厚实坚固，外接具有相对较高增益的圆极化杆状天线。

消费级星地双模手机的内置边框卫星天线的增益比行业用天通手持终端的外接杆状天线的增益还要低数个dB，研制方采用多天线圆极化拟合、语音降速、优化信源编码等措施弥补了手机内置低增益天线带来的无线链路损失，同时通过产业方的协作完成了双模手机的卫星收发射频和基带芯片的小型化及低功耗化，参见图2。

存量手机直连卫星方案基于低轨卫星星座，目前尚处于完善通信标准和发射少量验证星的阶段。

存量手机直连卫星方案指手机不做任何修改，技术难度交由卫星处理。由卫星侧来解决长距离星地链路和低轨卫星高速运动引入的时频同步、多普勒频移、切换与移动性管理、随机接入、无线链路预算等方面的技术问题。存量手机直连卫星模式通常由商业航天公司与地面移动通信运营商（MNO）合作并使用地面蜂窝网络的频谱资源来实施。

该模式的优点是海量存量手机用户不用换手机即可享受手机直连卫星服务，难点是对于多普勒频移及时延补偿等技术问题只能对卫星侧、基站侧进行适应性改造，在手机侧的协议和参数不能修改；面对网络拓扑快速变化的星地场景的适应能力也有限；各国地面移动通信网频率的分配和使用并不统一，开展全球业务需要做跨国频率协调，难度较大。

图3. AST公司及SpaceX公司的存量手机直连卫星网络结构示意图

3GPP NTN手机直连卫星路线与前两种路线的主要区别在于3GPP NTN是由3GPP国际标准化组织主导，拥有持续演进能力。3GPP NTN 手机直连卫星方案面临的星地时频同步、多普勒频移、无线链路预算紧张等问题与存量手机直连卫星方案基本一样，但是NTN方案可以从卫星侧和手机侧两个方向来协同解决问题，这种“双向奔赴”的解决方案比存量手机直连卫星只能在卫星单侧改动更加系统化。

3GPP NTN 手机直连卫星方案也分为透明转发和星上再生两种模式。

图4.采用3GPP NTN协议的透明转发手机直连卫星架构

如图4所示，在采用3GPP NTN协议的透明转发手机直连卫星架构中，卫星仅在变频、放大、波束管理等射频层面处理信号，对射频信号携带的高层协议呈现“透明”状态。

该方案的缺点是手机至信关站基站的空口传输时延长、对馈电链路的带宽要求高。另一个先天不足是透明转发不解析高层路由信息，无法支持星间链路，要布设大量地面信关站。总的来说，透明转发模式把基站放在地面，卫星相对简单，网络建设和运维成本低，比较适合在发展手机直连业务的初期实施。

图5.采用3GPP NTN协议的星上再生手机直连卫星架构

在图5表示的采用3GPP NTN协议的星上再生处理手机直连卫星架构中，卫星带有完整的5G NTN基站功能，卫星除了具备基本的射频收发功能外，还可以解调出基带信息，具有星间路由、接入控制和无线资源管理等功能，因此该方案可支持星间链路，基站上星还能减少手机和基站之间协议栈的物理层和MAC层的处理时延。

3GPP NTN方案针对手机直连卫星面临的星地时延和频偏、移动性管理、切换管理、链路层的可靠传输机制（HARQ）等特殊问题做出了系统化的协议增强，比由各个厂家主导的存量手机路线的单侧协议增强更加完备。

手机直连卫星通信的三种技术路线的特点总结于下表：

从移动通信产业发展的角度看，发展以手机直连卫星业务为代表的天地融合网络是实现5G-A及6G “全域通感、泛在智能、空天地一体”愿景的内在需求，手机直连卫星通信有望成为中高端手机的标准功能，将为移动通信贡献较大增量市场，为广大用户提供泛在连接的普惠服务，给移动通信运营商带来用户规模和用户价值的双重提升。

《【EC Viewpoint】低轨卫星互联网及手机直连卫星热潮下的商业航天投资》元航资本，作者：陈东