中国电科54所肖永伟详解卫星互联网与手机直连卫星发展

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C114通信网  赵婷婷

日前，“5G-Advanced网络创新研讨会”在北京召开。会上，中国电子科技集团公司第54所副总工肖永伟发表题为“展望卫星通信发展 卫星互联网与手机直连卫星”的主题演讲。

肖永伟在发言中，详细阐述了卫星互联网概念内涵、业务特征、技术分类与演进路径；同时重点介绍了高速发展的高带宽低轨卫星互联网的特点，以及手机直连卫星的关键技术、当前三个技术路线发展概况、发展趋势判断，最后提出要解决频率、架构、设计以及接入等关键问题，并且要在工程可直接应用的关键技术实现突破。



“卫星互联网”：支持互联网应用的卫星通信网络

肖永伟指出，卫星一般距离地面300km以上，站得高、看得远，通信基本不受本区域地理条件限制，特别适合海洋、无人区、森林、草原等面大、点稀场景下的通信。

面向6G时代，卫星通信有着更高需求。目前全球仍有超过30亿人没有互联网接入，其中大多数人在农村和偏远地区，且无人区、远洋海域的通信需求，无法通过部署地面网络来满足，无人机、飞机等空中设备存在越来越多的连接需求。“在6G时代，要实现空天地一体化全球无缝覆盖，满足随时随地安全可靠的连接需求，卫星通信是最有效的手段。”

卫星通信领域目前的热点是卫星互联网。肖永伟认为，卫星互联网是卫星通信和互联网融合的产物，是互联网（包括技术、平台、商业模式和应用）与卫星通信技术结合并实践的总称，是基于卫星通信方式获取业务和服务的信息传播方式。

狭义的“卫星互联网”即支持互联网应用的卫星通信网络。包括高中低轨宽带卫星通信VSAT、GEO HTS、MEO HTS、LEO巨型星座等；还有高低轨卫星移动通信，传统卫星移动系统有Inmarsat、Thuraya、lridium，国内的天通一号，以及手机直连卫星Starink、AST等。我们常说的卫星互联网主要指工作在Ku、Ka频段的LEO宽带卫星通信，则是更狭义的概念。例如，Starlink、Oneweb、Kuiper、G60等低轨星座系统。

宽带卫星通信工作频段频率比较高，Ku、Ka等，信号带宽从MHz到百MHz量级，业务速率可达数百Mbps，支持多媒体；卫星移动通信频率比较低，基本在2GHz及2GHz以下，如VHF、UHF、L、S等；信号带宽从kHz到MHz量级，业务速率从几Kbps到几十Kbps，可达Mbps。

而对于卫星通信发展的总体趋势，肖永伟指出，高频段宽带卫星通信，正在从传统高中轨卫星宽带通信向低轨大规模星座系统为主转变；低频段卫星移动通信，正在向天地融合的（低轨）手机直连卫星发展；同时体制发展也在演进，正在走天地融合道路。

低轨卫星互联网两大特点：星座规模巨大 星间组网

接下来，肖永伟重点介绍了低轨（宽带）卫星互联网。

2015年以后，以Oneweb、Starink为代表的低轨卫星互联网系统加速发展，业务支持能力、应用拓展速度均超过传统高轨卫星通信。Oneweb目前已完成636颗低轨宽带通信星座建设，Starink已部署7000余颗低轨通信卫星。那这些大规模星座有什么特点？他认为主要有两点：一是星座规模巨大，二是星间组网。

具体来说，星座规模巨大，少则几百颗，大则几千颗，甚至上万颗。首先是满足全球覆盖、全球服务的必须。究其原因，Ku频段点波束窄，单星（500kg以下小卫星）波束数量有限，单覆盖区域小，且轨道更低，全球覆盖需要更多的卫星；其次是系统满足干扰规避的必须，ITU要求NGSO已星网络必须GSO卫星网络，更多卫星，有利于规避方案的实施；再者是有利于提高地面终端的传输能力，在低轨卫星运动过程中，地面终端发射和接收能力以及星地传输距离两个约束条件都在变化，卫星数量增加后，可有效降低两个条件带来的能力恶化，从而显著提升地面终端的传输能力。

另外一个特点星间组网，是提高星座卫星资源利用率、实现全球服务的关键。对于低轨星座系统，无星间链路，面向用户主要依托地面关口站提供服务。全球部署关口站代价大，而且还受地理条件限制。星间组网后，可以为海洋、沙漠等随时提供服务，不再受关口站部署的限制，提高了卫星资源的利用率。

同时，星间组网还可可极大降低端到端传输时延。用户终端（UT）之间业务可以直接互联互通，即TtoT，不用通过地面关口站交换和转发。单星下，端到端传输时延可以控制在50ms以下。

6G时代最可行技术途径：手机直连卫星大有可为

去年，华为Mate60 Pro的发布彻底点燃了国内“手机直连卫星”的概念，随着产业链快速推进，目前“手机直连卫星”已经成为卫星通信领域一个快速发展的重要趋势。

什么是手机直连卫星？肖永伟指出，它是基于手机与卫星直接进行信号传输并实现通信的一种卫星通信方式或系统。其实在“手机直连”这个名称出现之前相关系统已经支持手机，但当时的卫星手机仅支持低速业务，宽带上网基本不行，相对智能手机，卫星手机比较笨重。当下火热的手机直连卫星最大变化是“手机”的变化，即从小众的专用卫星手机变成了大众应用的智能手机，从原来的百万量级小众应用到亿量级大众应用。智能手机内嵌卫星通信功能，除地面移动通信外，也可按需进行卫星通信。

“目前具备手机直连卫星能力的系统均工作在L、S频段，属于卫星移动业务。”前文提到的lridium（LEO）、Thuraya（GEO）、Inmarsat-4（GEO）、天通一号等都属于卫星移动通信。

至于为什么？肖永伟指出，这与具体的信号特征，规则与应用方式相关。为方便手机用户使用习惯，卫星手机或卫星手持终端，一般配置宽波束天线甚至全向天线，好用的频段主要是低频段的L、S频段。但Ku、Ka频段的宽带卫星通信，如VSAT、HTS、低轨卫星互联网等，要遵循无线电规则空间隔离的干扰规避要求，地面终端需要配置方向性强的窄波束天线，天线尺寸相对比较大，而且波束指向跟踪需要精确的控制，目前在Ku、Ka频段走手机直连卫星的路线不太可行。

针对6G网络全域覆盖、终端普及的愿景目标实现，手机直连卫星是最为可行和不可替代的技术途径。“目前来看，手机直连卫星会给卫星通信带来大的发展，它是真正大众用户用得起的、适合大众使用习惯的，也是使卫星业务融入消费类手机产品最好的途径。”

NSR曾做评估，到2030年，手机直连卫星用户将超过3.5亿人，手机直连卫星是“卫星通信历史上最大的机会”，未来10年累计收入将会超过非静止轨道（NGSO）的宽带通信。

手机直连卫星：三大技术路线四大发展趋势

手机直连卫星巨大的市场潜力，吸引卫星通信、地面移动通信的头部企业纷纷进入该领域。

综合来看，目前手机直连卫星发展呈现三大技术路线。技术路线一是基于当前在轨卫星网络，通过手机综合集成实现手机直连卫星应用。在手机嵌入专用被形或专用芯片，提供手机直连卫星服务，解决有无问题，例如短消息、低速话音，能力在Kbps量级。例如Globalstar与苹果公司合作、中国电信与华为合作。

技术路线二基于卫星网络技术创新，推动手机直连卫星与地面网络融合发展。特点是星载超大天线、网络侧协议欺骗性修改、与地面移动通信网络运营商合作，解决宽带接入的问题，包括宽带多媒体业务，能力可达Mbps量级。例如，AST SpaceMobile、Starlink。

技术路线三主要是3GPP在力推的NTN，解决体制标准化的问题，实现全球不同网络运营商之间互联互通互操作。2017年，3GPP成立了NTN工作组；2022年，推出第一个支持手机直连卫星的5G标准R17；针对卫星信道特点，2024年6月，3GPP宣布R18正式冻结，NTN技术得到显著增强。

对于未来发展，肖永伟认为，将会呈现四大发展趋势：一是宽带手机直连卫星将普遍采用星载多波束超大面积天线，二是宽带手机直连卫星系统的构建将会以低轨星座为主，三是手机直连卫星通信体制标准很大可能统一到 3GPP NTN，四是手机直连卫星进入大众市场，卫星网络与地面网络厂商联合是关键。

值得注意的是，面向支持宽带业务的手机直连卫星，需要解决有几个关键的问题：天地一体频率问题、NTN接入网架构的选择、随遇接入问题、星载超大阵面多波束天线的问题。

演讲最后，肖永伟总结，面向全球覆盖、规模化、天地融合的卫星互联网发展，包括高低轨宽带卫星互联网、手机直连卫星在内，还需要在工程可直接应用的关键技术实现突破。

包括GEO卫星大口径可展开天线（面向能力更强的HTS卫星）、星载可展开超大阵面天线（面向新一代手机直连卫星）、星载密集波束数字成形技术（L、S向Ku、Ka扩展）、多波束高带宽（几百GHz到THz）星载数字化转发技术、面向天地融合的NTN星载基站空口处理技术、面向大规模星座星间星地组网的可编程路由交换技术、星载密集波束资源的管理调度与优化技术、支持大容量高可靠传输的低成本星间激光通信终端技术、支持大规模星座稳定运行的智能化管控技术等等。