王 達,童建飛,穆飛宇

(1.中國星網(wǎng)網(wǎng)絡應用研究院有限公司,北京 100029;2.上海衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)研究院有限公司,上海 200131)

0 引言

衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)技術創(chuàng)新、系統(tǒng)建設和應用市場以日新月異的速度迅猛發(fā)展。能夠?qū)崿F(xiàn)手機與衛(wèi)星直接相連的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)成為新的發(fā)展方向和競爭焦點。手機直連衛(wèi)星產(chǎn)品是以消費類智能手機的外觀形態(tài)出現(xiàn),同時支持地面網(wǎng)絡通信和衛(wèi)星網(wǎng)絡通信功能,不經(jīng)過任何信號或數(shù)據(jù)中轉(zhuǎn)設備,即實現(xiàn)與衛(wèi)星之間信號的直接收發(fā)。該類產(chǎn)品的出現(xiàn),將傳統(tǒng)衛(wèi)星終端產(chǎn)品從小規(guī)模行業(yè)應用市場帶向大規(guī)模商業(yè)化應用市場,極大拓展了衛(wèi)星網(wǎng)絡的市場規(guī)模。據(jù)市場研究公司Research &Markets稱,2023年衛(wèi)星通信設備市場價值為226億美元,預計到2028年將達到387億美元,2023—2028年復合年增長率為11.3%。

手機直連衛(wèi)星在保障通信安全性、打破地域限制、提供緊急通信能力、推動數(shù)字經(jīng)濟發(fā)展等方面具有重要的戰(zhàn)略價值。以美國AST&Science、Lynk、Omnispace、SpaceX為代表的新興商業(yè)公司正在加快“手機直連”衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域的技術和產(chǎn)業(yè)布局[1],得到歐美日韓產(chǎn)業(yè)巨頭的戰(zhàn)略投資,發(fā)展態(tài)勢不容小覷。手機直連衛(wèi)星的快速發(fā)展和崛起,將成為未來衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的主要商業(yè)形態(tài)之一,并對未來信息通信產(chǎn)業(yè)格局產(chǎn)生重大影響。

1 國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國外發(fā)展現(xiàn)狀

當前,國際上主要大國相繼開展手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)規(guī)劃和設計,通過編制草案、發(fā)布規(guī)劃、提供資金等舉措推動產(chǎn)業(yè)發(fā)展。以美國為例,美國聯(lián)邦通信委員會(Federal Communications Commission,FCC)已于2023年3月16日通過來自太空的補充覆蓋新規(guī)則提案,其核心是授權衛(wèi)星運營商在分配給地面移動服務的頻譜上運營衛(wèi)星,該法案的落地將有力推動手機直連衛(wèi)星技術的發(fā)展。

1.1.1 AST&Science低軌衛(wèi)星星座

美國AST公司成立于2017年,致力于建設使用現(xiàn)有4G/5G通信頻段和標準與手機直連通信的低軌衛(wèi)星星座SpaceMobile,為智能手機用戶提供移動互聯(lián)網(wǎng)接入服務。SpaceMobile計劃由部署在軌道高度為725～740 km的16個軌道面上共計243顆低軌衛(wèi)星組成,完成對赤道區(qū)域、北美、歐洲、亞洲及全球的信號覆蓋。

公司于2019年發(fā)射了軌道高度保持在417～476 km的BlueWalker 1小型測試衛(wèi)星,使用4G LTE協(xié)議,并在850～900 MHz的兩個頻段上開展了通信鏈路試驗。2022年9月,第二顆試驗衛(wèi)星BlueWalker 3搭載SpaceX公司火箭完成發(fā)射,軌道高度保持在508～527 km,該衛(wèi)星帶有一個約64 m2的超大規(guī)模星載相控陣天線,大幅提高天線增益,旨在測試從太空直接使用第三代合作伙伴計劃(3rd Generation Partnership Project,3GPP)技術規(guī)范與手機直連寬帶通信。2023年4月,美國國際電話電報公司(American Telephone and Telegraph,AT&T)和AST SpaceMobile利用三星S22手機直連衛(wèi)星,成功完成了基于BlueWalker3的天基雙向通話,展示了其手機直連衛(wèi)星通信的能力。2023年6月,SpaceMobile工程師在夏威夷測試了4G LTE下載速度,初始速度可達10 Mbit/s,下一步將對5G 新無線電(New Radio,NR)開展測試活動。

1.1.2 Lynk低軌衛(wèi)星星座

美國Lynk公司成立于2017年,旨在提供手機直連衛(wèi)星的寬帶連接解決方案[2]。公司于2022年9月獲得FCC頒布的衛(wèi)星通信商業(yè)許可,成為全球第一家獲得批準的公司,有力推進了該公司手機與衛(wèi)星雙向傳輸服務進程。2020年2月,Lynk實現(xiàn)有史以來第一次從低軌測試衛(wèi)星直接到普通手機的短信息通信;2022年2月,Lynk宣稱成功將第5顆測試衛(wèi)星與普通手機和物聯(lián)網(wǎng)設備連接,進一步驗證了其衛(wèi)星直連手機技術;2022年4月,Lynk宣稱成功發(fā)射世界上第一個通過FCC許可為手機提供直連服務的商用衛(wèi)星Lynk Tower 1,其軌道高度為496～510 km。2023年1月,Lynk發(fā)射了軌道高度為525～545 km的Lynk Tower 2和Lynk Tower 3。2023年7月,Lynk發(fā)布視頻展示了其通過低軌衛(wèi)星實現(xiàn)與普通手機進行雙向標準語音通話的最新成果。

Lynk衛(wèi)星星座采用6U立方星,使用地面運營商網(wǎng)絡頻段(1 GHz以下),為3GPP標準手機提供全球覆蓋的短消息和數(shù)據(jù)通信服務,通過與地面運營商的合作及共享基礎設施,地面用戶可從蜂窩網(wǎng)絡無縫漫游至太空網(wǎng)絡。Lynk公司已與加拿大Rogers、新西蘭Spark和2degrees、加納Telecel Group、澳大利亞Optus、BICS等20家運營商建立合作關系,基于合作方的地面移動通信網(wǎng)絡為存量手機提供通信服務。

1.1.3 Omnispace低軌衛(wèi)星星座

美國Omnispace公司成立于2012年,其從破產(chǎn)的衛(wèi)星運營商ICO Global處購買了S頻段頻率使用許可(上行1 980～2 010 MHz,下行2 170～2 200 MHz),計劃使用S頻段研發(fā)基于3GPP標準的全球5G網(wǎng)絡,為企業(yè)和政府客戶提供可直連衛(wèi)星的物聯(lián)網(wǎng)和寬帶服務[3]。S頻段是全球唯一的國際移動通信(International Mobile Telecommunications,IMT)衛(wèi)星和IMT地面均可使用的頻段,也是5G非地面網(wǎng)絡(Non-Terrestrial Network,NTN)中重要的目標頻段,還是手機直連衛(wèi)星的最佳頻段之一。2022年4月,已發(fā)射兩顆命名為Spark-1和Spark-2的低軌衛(wèi)星。

1.1.4 SpaceX低軌衛(wèi)星星座

美國SpaceX公司成立于2002年,其Starlink星座計劃于2019—2024年批量發(fā)射衛(wèi)星入軌,建立覆蓋全球的衛(wèi)星網(wǎng)絡,提供高速互聯(lián)網(wǎng)接入服務[4]。截止2023年6月,已累計發(fā)射超過4 300顆低軌衛(wèi)星。當前,Starlink系統(tǒng)在應用場景、使用成本、用戶便利性等方面與現(xiàn)有地面4G/5G網(wǎng)絡存在較大差距,主要定位在服務于人口稀疏、通信設施欠缺和服務不足的地區(qū),是地面網(wǎng)絡系統(tǒng)的補充。Starlink使用Ku和Ka頻段,這些頻段受限于終端天線尺寸和鏈路預算,以及國際電信聯(lián)盟(International Telecommunication Union,ITU)的落地功率限制規(guī)則,還不能直接用于手機直連衛(wèi)星。

在手機直連方面,SpaceX公司與美國T-Mobile地面運營商合作,將利用2 000余顆“星鏈”V2.0衛(wèi)星和T-Mobile地面頻譜資源開展手機直連衛(wèi)星服務,為所有T-Mobile網(wǎng)絡的4G/5G智能手機用戶提供直連衛(wèi)星雙向消息和語音通話功能。SpaceX已于2022年12月和2023年4月向FCC提交天線硬件和頻率使用申請,計劃2023年年底前發(fā)射技術試驗衛(wèi)星,聯(lián)合T-Mobile在美國大陸、夏威夷、波多黎各等地區(qū)開通beta版衛(wèi)星直連服務,2024年年中完成衛(wèi)星部署,在南北緯58°范圍內(nèi)提供服務。此外,SpaceX還與歐洲Salt、新西蘭One New Zealand、加拿大Rogers地面運營商達成合作協(xié)議,拓展全球業(yè)務范圍,基于合作方的地面移動通信網(wǎng)絡為存量手機提供通信服務。

1.1.5 蘋果/全球星低軌衛(wèi)星星座

2022年9月,美國蘋果公司和全球星(Globalstar)衛(wèi)星通信公司宣布合作,基于Globalstar現(xiàn)有的低軌衛(wèi)星通信系統(tǒng),通過改造升級支持手機直連衛(wèi)星功能和服務[5]。蘋果公司在2022年9月發(fā)布的iPhone14系列手機中,正式推出手機直連衛(wèi)星通信功能;于2022年11月在美國(包括波多黎各和美屬維爾京群島)和加拿大部分地區(qū)開通衛(wèi)星緊急消息服務。蘋果手機直連衛(wèi)星服務僅在沒有蜂窩網(wǎng)絡和WiFi覆蓋的場景下可用,用戶可根據(jù)手機軟件提示對準衛(wèi)星方位,通過衛(wèi)星發(fā)送定制化應急救援消息。

Globalstar使用專有通信協(xié)議,允許蘋果設備訪問現(xiàn)有的24顆低軌衛(wèi)星星座。Globalstar擁有上行鏈路的L頻段1 610～1 618.7 MHz、下行鏈路的S頻段2 483.5～2 500 MHz的全球頻譜授權,現(xiàn)有設備下行數(shù)據(jù)速率可達9.6～256 kbit/s。Globalstar表示將把85%的容量分配給蘋果,其余用于提供窄帶物聯(lián)網(wǎng)(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)服務。蘋果公司同意承擔95%的發(fā)射新衛(wèi)星的相關費用(預計2025年將再增加17顆),以擴展和更換壽命結束的衛(wèi)星。

蘋果手機基帶采用高通5G X65芯片,支持全球星的n53通信頻段(2 483.5～2 495 MHz),采用了波束成形、定向天線陣列等技術。蘋果公司采用垂直整合的模式,在系統(tǒng)和衛(wèi)星側與Globalstar公司合作,并自主開展手機設計和運營服務,在消費市場首創(chuàng)實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星服務運營。

1.1.6 高通/銥星二代系統(tǒng)

2023年1月,高通與銥星公司達成協(xié)議,將衛(wèi)星連接納入“下一代高級安卓智能手機”[6]。它將使用銥星公司擁有66顆衛(wèi)星的低軌衛(wèi)星星座,為雙向緊急信息、SMS短信和其他信息應用提供全球服務。緊急消息服務預計將于2023年下半年在新一代高端安卓手機上首次推出。銥星公司的第二代衛(wèi)星星座Iridium-NEXT于2019年1月完成,而第一代衛(wèi)星星座隨著衛(wèi)星壽命的結束而退役。銥星系統(tǒng)使用的頻段是1 616～1 626.5 MHz ,其中7.775 MHz獨占,其余共享。

1.1.7 聯(lián)發(fā)科/Bullitt/Skylo

2023年2月,聯(lián)發(fā)科發(fā)布MT6825 IoT-NTN獨立芯片組,支持3GPP Release 17 NTN標準,同時只增加了不到10美元的設備或智能手機成本,獲得2023年上海世界移動通信大會亞洲突破性設備創(chuàng)新獎。該芯片組可添加到任何4G/5G設備上,并可以連接到同步軌道衛(wèi)星星座,如Inmarsat和EchoStar。2023年,英國智能手機制造商Bullitt宣布與聯(lián)發(fā)科已開展了18個月的合作,將推出具備雙向衛(wèi)星通信能力的智能手機以及一個藍牙配件,可以為任何智能手機提供衛(wèi)星連接。2023年2月,聯(lián)發(fā)科與NTN服務運營商Skylo合作,使用Inmarsat的6顆L頻段同步軌道衛(wèi)星網(wǎng)絡,為智能手機和物聯(lián)網(wǎng)制造商開發(fā)具有內(nèi)置衛(wèi)星連接的新設備、傳感器和可穿戴設備,但目前還沒有宣布進一步推出新服務或產(chǎn)品。

1.2 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀

目前,我國手機直連衛(wèi)星已有初步發(fā)展,通過改造和利用現(xiàn)有衛(wèi)星資源,快速實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星的短消息和語音功能,主要為北斗短報文系統(tǒng)和天通系統(tǒng)。盡管現(xiàn)有手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)還未經(jīng)過大規(guī)模應用驗證,但已具備發(fā)展手機直連衛(wèi)星的基礎和條件。

1.2.1 華為/北斗導航系統(tǒng)

2015年,中國推出了第三代北斗導航系統(tǒng),實現(xiàn)全球覆蓋[7]。2022年9月,華為公司與中兵集團合作,發(fā)布支持北斗短報文功能的Mate50系列智能手機,用戶可在極端環(huán)境下發(fā)送單向北斗衛(wèi)星消息進行求助,實現(xiàn)了全球首個手機直連衛(wèi)星短信服務。2023年3月,華為發(fā)布新一代P60系列智能手機,支持北斗雙向衛(wèi)星通信,進一步提升了手機直連衛(wèi)星通信的能力。

1.2.2 中興/中國電信/紫光展銳

中國電信衛(wèi)星公司牽頭,計劃2023年下半年推出具備“天通”衛(wèi)星雙向應急短消息和語音業(yè)務功能的融合手機終端;中國電信衛(wèi)星公司、中興通訊、紫光展銳聯(lián)合推出基于天通衛(wèi)星透明轉(zhuǎn)發(fā)的NTN IoT功能,并完成試驗驗證,可實現(xiàn)雙向低速短報文業(yè)務。

2 典型應用場景

手機直連衛(wèi)星具備廣域連接能力,在面對跨洋、跨境、跨域等超遠程應用場景時,可以提供全域無縫覆蓋的通信能力,是區(qū)別于傳統(tǒng)地面通信的基礎技術特征。同時,手機直連衛(wèi)星還具備較高的安全可靠能力,在災害和戰(zhàn)爭時,可提供多重覆蓋,保障通信安全可靠、機動靈活?；谝陨霞夹g特征,梳理出如下典型應用場景。

2.1 政府市場應用場景

2.1.1 邊境巡防通信

邊境巡防的主要需求是衛(wèi)星寬帶移動通信、精準位置服務,支持邊防干警日常巡防過程中等寬帶數(shù)據(jù)傳輸、情報快速回傳、應急救援保障等功能。主要應用場景是日常巡防作業(yè),網(wǎng)絡寬帶應達到每終端用戶接收10 Mbit/s、發(fā)送1 Mbit/s。邊防組網(wǎng)樣式是分級樹狀網(wǎng)或星狀網(wǎng)為主,基層單位與所屬指揮機關構成連通體系。主要應用裝備包括固定通信站點、應急通信指揮車、動中通車輛、便攜式終端、手持終端,還包括直升機指揮站等。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)邊境巡防場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,提高邊防通信保障能力、筑牢維護國家主權領土完整和海洋權益的安全屏障。

2.1.2 應急救援通信

應急救援的主要需求是衛(wèi)星寬帶移動通信、精準位置服務以及車載或單人便攜終端,提供任務小隊范圍內(nèi)集群通話和指揮調(diào)度服務[8]。在發(fā)生重特大自然災害和安全生產(chǎn)事故時,經(jīng)常面臨“無路、無網(wǎng)、無電”等極端條件,通信裝備的輕型化和低功耗尤為重要。同時,應急管理工作要求衛(wèi)星通信網(wǎng)絡具備高可靠性和高穩(wěn)定性,現(xiàn)場信息回傳對通信鏈路帶寬要求也不斷提升(如現(xiàn)場4K超高清視頻信息采集回傳、用于現(xiàn)場三維建模的無人機傾斜攝影數(shù)據(jù)回傳、應急指揮平臺GIS數(shù)據(jù)推送等)。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)應急救援場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,切實提高通信保障、前線感知能力,有效保障通信聯(lián)絡、應急指揮、數(shù)據(jù)傳輸、災情監(jiān)測等功能的實現(xiàn),支撐應急指揮決策。

2.1.3 廣域森林通信

廣域森林的主要需求是建設專業(yè)應用平臺,實現(xiàn)融合通信、統(tǒng)一指揮、協(xié)同調(diào)度、可視管理,支撐生態(tài)監(jiān)管、遠程巡查、森林防火等功能[9]。系統(tǒng)能力需支持覆蓋廣域林區(qū)的防火監(jiān)控和無縫電子圍欄的建設需求。森林防火視頻監(jiān)控通常布設在高塔上,用于大范圍高清監(jiān)控,需要大帶寬網(wǎng)絡通信。根據(jù)《公共安全視頻監(jiān)控聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)信息傳輸、交換、控制技術要求》(GB/T 28181—2016),重要前端設備到監(jiān)控中心的傳輸帶寬應不小于2.5 Mbit/s。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)林區(qū)廣域覆蓋的寬帶通信、高清音視頻監(jiān)控等功能,保障國家生態(tài)安全、森林防火等指揮工作高效開展,支撐以國家公園為主體的自然保護地體系建設。

2.1.4 地調(diào)人員通信

地調(diào)人員的主要需求是寬帶衛(wèi)星通信網(wǎng)絡及精準位置信息服務,支持野外地調(diào)人員實現(xiàn)野外作業(yè)實時數(shù)據(jù)化、云端化、音視頻連接、應急救援保障等功能。以西南地區(qū)為例,特別是青藏高原大部分地區(qū),多為手機信號盲區(qū),與外界通信不暢,一旦遇到危險災害,很難得到外界的救援。根據(jù)地質(zhì)行業(yè)標準《野外地質(zhì)工作后勤保障要求》(DZ/T 0351—2020),要為野外人員、車輛、船舶和飛機配置北斗終端等報位設備,在通信信號未覆蓋或信號不穩(wěn)定的地區(qū),需要配備衛(wèi)星電話、對講機等通信設備。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)野外場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,提高森林資源調(diào)查水平和效率,促進林草行業(yè)信息化發(fā)展。

2.2 國際市場應用場景

2.2.1 駐外工商業(yè)機構人員通信

我國駐外工商業(yè)單位員工眾多,地點分布于全球160多個國家,不少所在國家及地區(qū)地面網(wǎng)絡覆蓋差,移動用戶使用體驗遠不如國內(nèi)。該類人員長期在國外居住、工作和生活,生活枯燥,缺乏便捷、性價比高的個人全球移動通信手段。此外,海外互聯(lián)網(wǎng)與國內(nèi)網(wǎng)絡互通存在瓶頸,直通國內(nèi)需求比較迫切。出于安全性、訪問國內(nèi)網(wǎng)絡的便利性等需求,希望使用中國的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)為其提供安全、便捷的全球漫游和網(wǎng)絡服務。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)跨國公司海外員工的寬帶移動通信,保障海外員工和海外經(jīng)貿(mào)人員的個人寬帶通信需求,提高工作效率、豐富娛樂生活,促進我國企業(yè)和個體的海外業(yè)務拓展。

2.2.2 短期出境漫游

目前,全球地面網(wǎng)絡覆蓋并不均衡,許多國家移動用戶使用體驗遠不如國內(nèi),且數(shù)據(jù)漫游資費昂貴,全球162個國家及地區(qū)單日漫游流量費用超過50元;廣袤的草原、森林、山區(qū)、沙漠、海洋等旅游熱點區(qū)域缺乏網(wǎng)絡覆蓋;中國互聯(lián)網(wǎng)國際出入口擁塞比較嚴重,從境外訪問國內(nèi)網(wǎng)絡比較困難,若提升速度需更換當?shù)靥柎a,手續(xù)繁雜。

基于衛(wèi)星手機直連,可在出境旅游過程中享受方便快捷、價格適中的寬帶衛(wèi)星移動通信服務。

2.2.3 通信欠發(fā)達國家及地區(qū)個人移動通信

目前,全球的移動互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展水平呈現(xiàn)不均衡的發(fā)展格局。東亞、北美、歐洲、大洋洲的部分區(qū)域發(fā)展較為迅速,手機普及率和移動互聯(lián)網(wǎng)普及率都較高,非洲、中東、南美的部分區(qū)域,普及率相對較低,截止到2018年,全球仍有39億人沒有接入互聯(lián)網(wǎng)。衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展,可以有效提高普及率較低區(qū)域的互聯(lián)網(wǎng)接入和服務水平,基于衛(wèi)星手機直連,解決其短時間內(nèi)難以完成大規(guī)模地面網(wǎng)絡建設的問題。

2.2.4特殊地形國家及地區(qū)個人移動通信

特殊地形國家及地區(qū)主要包括海島和草原的國家及地區(qū),這些國家及地區(qū)受地形與成本限制,建設通信基礎設施十分困難,目前互聯(lián)網(wǎng)接入率較低,網(wǎng)絡覆蓋情況欠佳[10]。

海島國家是指在國土范圍內(nèi),擁有眾多島嶼且相對分散的國家。在眾多分散的島嶼大規(guī)模建設地面互聯(lián)網(wǎng)需要巨大的資金投入,費效比低。草原國家是指在國土范圍內(nèi),有面積廣闊的草原覆蓋、大量畜牧從業(yè)人員的國家。草原地區(qū)地廣人稀,很多區(qū)域存在信號覆蓋盲區(qū)。

基于衛(wèi)星手機直連,可以有效提高以上國家及地區(qū)互聯(lián)網(wǎng)信號覆蓋率,解決其缺乏資金建設大規(guī)模地面互聯(lián)網(wǎng)的問題。

2.3 行業(yè)市場應用場景

2.3.1 道路交通監(jiān)管

由于北斗短報文傳輸能力較弱,主要適用于被動式監(jiān)管,而面對日益復雜的交通環(huán)境和安全規(guī)范管理的升級,需要一種更智能、更主動的監(jiān)管方式來協(xié)助管理部門管理[11]。

基于衛(wèi)星手機直連,可支持駕駛室實時監(jiān)控畫面的遠程傳輸、雙向語音對講、報警聯(lián)動、車輛行駛數(shù)據(jù)監(jiān)測等應用,有效降低行車風險,保障司乘人員生命安全,為交通監(jiān)管部門進行大數(shù)據(jù)分析、安全監(jiān)管提供數(shù)據(jù)傳輸保障,有效彌補地面系統(tǒng)信號覆蓋不足的難題。

2.3.2 遠洋船員通信

遠洋貿(mào)易航程長,一般需要數(shù)月至數(shù)年,然而船員可用的通信容量和速率十分有限,14%的商船公司從不提供船上個人通信服務,只有36%的公司長期為船員提供通信服務。經(jīng)驗豐富的船員更希望在有足夠互聯(lián)網(wǎng)接入服務的公司工作,在同等條件下,他們很有可能會跳槽到通信條件更好的公司。由此可見,遠洋船員對于互聯(lián)網(wǎng)接入的需求十分強烈,而目前MSS或VSAT手段存在的帶寬不足、信道昂貴等問題,限制了互聯(lián)網(wǎng)接入供給,無法滿足遠洋船員個人通信、娛樂需求。船載寬帶終端通信需求為50 Mbit/s,個人寬帶終端通信需求為2 Mbit/s。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)海上場景下的寬帶移動通信,滿足遠洋船員上網(wǎng)娛樂、安全保障、商務服務等需求。

2.3.3 草原牧民通信

草原牧民的主要需求是衛(wèi)星寬帶移動通信、精準位置服務以及適中的使用成本,將日常網(wǎng)絡應用延伸到草原放牧過程中,實現(xiàn)視頻直播、位置導航、天氣預警等功能,并且能夠第一時間掌握各處牧場狀況、牛群羊群狀況以及相關市場信息[12]。草原、草場區(qū)域的地面移動網(wǎng)絡主要沿著道路建設,網(wǎng)絡覆蓋十分有限。牧民具有大范圍流動的特點,在放牧、轉(zhuǎn)場過程中很多地區(qū)是地面通信網(wǎng)絡覆蓋盲區(qū)。

基于衛(wèi)星手機直連,可實現(xiàn)草原場景下的寬帶移動通信、精準位置導航等功能,滿足牧民放牧過程中的上網(wǎng)娛樂、安全應急通信等需求。

3 3GPP NTN標準演進

近年來,隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)爆發(fā)式增長,3GPP考慮了充分利用地面移動通信網(wǎng)絡技術成果、便于實現(xiàn)天地網(wǎng)絡深度融合等因素,致力于為消費者提供基于5G NR和NB-IoT等技術規(guī)范的衛(wèi)星通信服務。在3GPP Rel-15階段,針對NTN發(fā)布了研究報告TR 38.811[13],主要對NTN部署場景、網(wǎng)絡架構、信道模型、NR NTN設計約束進行了分析和研究,并在Rel-16階段的研究報告TR 38.821[14]中給出了網(wǎng)絡架構、物理層和協(xié)議棧的技術問題和解決方案。

基于前期對NTN的關鍵技術研究成果,3GPP在Rel-17階段,針對寬帶接入和物聯(lián)網(wǎng)應用場景,正式形成了第一個NTN的技術規(guī)范,為手機直連衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展打下堅實基礎?；赗el-17 NTN技術規(guī)范,如前文所述,聯(lián)發(fā)科、中興通訊等廠商已完成了NTN芯片研制、雙向短信及語音驗證等工作。3GPP NTN標準演進持續(xù)推動手機直連應用落地,其在業(yè)務與系統(tǒng)(Services &Systems Aspects,SA)、核心網(wǎng)與終端(Core Network &Terminals,CT)和無線接入網(wǎng)(Radio Access Networks,RAN)方面的標準化時間表[15]如圖1所示?；诋斍白钚碌难芯窟M展,本節(jié)將將對NR NTN和IoT NTN的標準演進方向進行詳細介紹。

3.1 NR NTN演進方向

在3GPP Rel-17 規(guī)范中,NR 能夠在基于透明載荷的GSO 和 NGSO 網(wǎng)絡假設場景下支持NTN,為地球上固定或移動的小區(qū)中具有GNSS功能且功率等級至少為3[16](23 dBm)的用戶設備(User Equipment,UE)提供服務。在Rel-18階段,3GPP進一步提出了一個新的工作項(Work Item,WI)來定義基于NR NTN增強功能,以便實現(xiàn)如下目標[17]:

① 支持10 GHz以上頻段部署。3GPP將考慮相關共存場景和分析,以確保為NTN引入的衛(wèi)星頻段不會影響現(xiàn)有規(guī)范,不會導致3GPP指定的與NTN頻段相鄰的地面頻段網(wǎng)絡服務質(zhì)量下降。Rel-18指定了超過10 GHz的3個新的NTN頻段(n510、n511和n512 )。

② 覆蓋增強。充分考慮NTN的大星地時延和衛(wèi)星高速運動特性,提供優(yōu)化的覆蓋性能,特別是面向直連手機終端時,對天線增益有更現(xiàn)實的假設(如商用智能手機的-5.5 dBi天線增益),而非簡單地考慮0 dBi天線增益。

③ 移動性和服務連續(xù)性增強。具體包括為地球移動小區(qū)指定小區(qū)重選增強方案、為RRC空閑態(tài)或非激活態(tài)的終端指定低功耗的小區(qū)重選增強方案、 為RRC連接態(tài)的終端指定NTN-NTN切換增強以及饋電鏈路切換信令增強。

④ UE位置可驗證。要求網(wǎng)絡運營商可驗證UE位置,即能夠檢查 UE 報告的位置信息(例如估計 UE 在網(wǎng)絡側的位置)并指定是否需要機制來滿足監(jiān)管要求,如合法攔截、緊急呼叫、公共警告系統(tǒng)等。

3.2 IoT NTN演進方向

3GPP Rel-17規(guī)范于 2022 年 3 月完成,支持基于NB-IoT和增強型機器類型通信(enhanced Machine-Type Communication,eMTC)的衛(wèi)星接入,以解決農(nóng)業(yè)、運輸、物流等領域的大規(guī)模物聯(lián)網(wǎng)用例。與NR NTN一致,NB-IoT和eMTC同樣考慮在基于透明載荷的GSO 和 NGSO 網(wǎng)絡場景,為地球上固定或移動的小區(qū)中具有GNSS功能且功率等級至少為3[16](23 dBm)的UE提供NTN服務。Rel-18中面向IoT NTN提出了一個新的WI,以定義進一步增強的NB-IoT NTN和eMTC NTN,以便實現(xiàn)如下目標[18]:

① 移動性增強。具體包括:支持無線鏈路失敗前的相鄰小區(qū)測量和相應的測量事件觸發(fā)、支持適用于eMTC和NB-IoT的相鄰小區(qū)星歷系統(tǒng)信息信令以及重用 Rel-17 NR NTN 中引入的移動性增強方案來 eMTC的移動性等。

② 性能增強。一方面,通過禁用混合自動重傳請求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)反饋減輕HARQ等待對UE數(shù)據(jù)速率的影響。HARQ是一種“停等”協(xié)議,只有在收到相應的反饋后,HARQ進程ID才能被重用,可能會出現(xiàn)由于無空閑HARQ進程ID而無法傳輸新數(shù)據(jù)的情況。另一方面,3GPP工作組計劃研究改進的GNSS機制,以在長連接時間內(nèi)進行UE預補償并降低功耗。

③ 增強對不連續(xù)覆蓋的支持。與 NR NTN 相比,許多 IoT NTN用例中的UE可能不需要連續(xù)覆蓋。因此,需要研究并指定不連續(xù)覆蓋情形下的移動性管理和節(jié)能增強方案。

由上述對NR NTN和IoT NTN標準演進方向的梳理可知,3GPP將面向手機直連市場應用需求,在Rel-17基礎上繼續(xù)為手機直連寬帶接入和物聯(lián)網(wǎng)業(yè)務提供標準化方面的支持,引導3GPP工作組內(nèi)的全球運營商、設備商進行NTN關鍵技術突破,實現(xiàn)協(xié)議優(yōu)化、覆蓋增強、容量增強和節(jié)能增強。形成兼顧TN和NTN特點的統(tǒng)一6G網(wǎng)絡。

4 問題和建議

4.1 衛(wèi)星能力和協(xié)議體制等關鍵技術尚待突破

手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)的設計和建設面臨諸多技術問題。手機直接與衛(wèi)星進行通信,對通信鏈路預算提出極大挑戰(zhàn),目前受限于衛(wèi)星通信容量、手機終端發(fā)射功率、星載天線尺寸、天線方向性追蹤能力不足等缺陷,現(xiàn)有衛(wèi)星手機直連僅能實現(xiàn)低速通信業(yè)務,亟待突破高性能通信載荷、自動方向追蹤天線、低功耗寬頻基帶芯片等技術,才能進一步提升業(yè)務速率,提供語音、高速數(shù)據(jù)等業(yè)務。手機實現(xiàn)天地融合通信,對通信體制設計提出極大挑戰(zhàn),需解決星地頻譜高效共享、用戶和通信鏈路移動性管理、非對稱上下行業(yè)務流量等技術問題,目前協(xié)議體制還處于技術路線探索和驗證階段。

建議:發(fā)揚新型舉國體制優(yōu)勢,聯(lián)合高等院校、科研院所、產(chǎn)業(yè)鏈合作伙伴等,組織開展天地融合網(wǎng)絡架構和關鍵攻關,研制高性能星載處理平臺,突破多波束相控陣天線技術、天地鏈路增強技術、天地資源分配技術、天地頻率干擾規(guī)避技術、高集成度手機芯片技術等核心關鍵技術。構建天地一體的試驗驗證環(huán)境,開展面向手機直連衛(wèi)星業(yè)務的地面試驗驗證和在軌測試,支撐技術方案驗證、產(chǎn)品測試、組網(wǎng)測試以及兼容性與互聯(lián)互通驗證等。

4.2 產(chǎn)業(yè)鏈核心基礎工業(yè)能力尚存在短板

我國具備獨立設計、研制和生產(chǎn)各類衛(wèi)星、運載火箭的能力,但應該看到我國整體產(chǎn)業(yè)化水平較歐美強國尚有一定差距:① 產(chǎn)業(yè)核心基礎工業(yè)能力存在短板。手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)相關產(chǎn)品受限于工藝路線、核心元器件等基礎工業(yè)能力,成本難以大幅下降,國際競爭力不足。② 關鍵產(chǎn)品的產(chǎn)業(yè)化水平有待提升。衛(wèi)星批產(chǎn)能力、火箭運載能力亟待提高,快速發(fā)射、可回收發(fā)射技術有待突破。目前衛(wèi)星通信產(chǎn)業(yè)應用規(guī)模小,尚未形成完備的產(chǎn)業(yè)鏈上下游,無法高效支持系統(tǒng)建設和大規(guī)模應用。

建議:面向手機直連業(yè)務涉及的衛(wèi)星制造、發(fā)射、地面站建設、通信服務等多個環(huán)節(jié)開展產(chǎn)業(yè)攻關,充分利用好現(xiàn)有公網(wǎng)產(chǎn)業(yè)生態(tài)資源,重點牽引產(chǎn)業(yè)鏈開展衛(wèi)星和手機關鍵組件、芯片、核心軟件、配套儀器儀表及工具等開發(fā)工作,促進上下游產(chǎn)業(yè)鏈融合發(fā)展,實現(xiàn)衛(wèi)星、火箭、手機等的規(guī)模化生產(chǎn)和供應,培育形成高效協(xié)同自主可控的產(chǎn)業(yè)生態(tài)。

4.3 手機直連衛(wèi)星市場規(guī)模和商業(yè)模式創(chuàng)新不足

手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)市場規(guī)模相對有限,主要用于應急通信和地面網(wǎng)絡無覆蓋區(qū)域的通信。如何快速擴張市場規(guī)模,將成為該業(yè)務可持續(xù)發(fā)展的核心問題。手機直連衛(wèi)星的商業(yè)模式也尚未成熟,可借鑒的案例較少,蘋果公司采用垂直整合與自主運營成功實現(xiàn)商用,但銥星等手機直連系統(tǒng)受制于商業(yè)模式,導致應用推廣受阻,國際市場的推廣也需要因地制宜地創(chuàng)新商業(yè)模式。

建議:探索適合我國手機直連衛(wèi)星發(fā)展的商業(yè)模式,如與地面通信網(wǎng)絡融合、提供差異化服務等,推動產(chǎn)業(yè)健康有序發(fā)展。拓展手機直連衛(wèi)星在各個領域的應用,通過試點項目展示衛(wèi)星通信優(yōu)勢,形成示范效應。協(xié)同各行業(yè)合作伙伴拓展新領域,為用戶創(chuàng)造價值,實現(xiàn)多方共贏。

4.4 頻軌資源緊缺嚴重制約手機直連衛(wèi)星發(fā)展

頻譜資源是手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)建設的核心資源,以其稀缺性成為新形勢下國際博弈的焦點。目前我國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)頻率軌道資料申報相對滯后,但頻率軌道資源競爭形勢嚴峻,“星鏈”等系統(tǒng)為推廣其手機直連衛(wèi)星業(yè)務,積極搶占全球市場和可用的頻譜資源,一旦其形成行業(yè)壟斷和市場壁壘,將影響和限制我國手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)的發(fā)展。

建議:研究制定符合我國國情的頻率軌道資源管理政策和技術標準,科學合理地規(guī)劃頻率軌道資源,確保衛(wèi)星通信系統(tǒng)穩(wěn)定與效能。先行結合移動通信頻譜重耕在4 GHz以下,為低軌星座系統(tǒng)安排可用頻率;再面向6G愿景,在6G網(wǎng)絡頻譜規(guī)劃中,將7 GHz以下部分頻率分配給天地融合移動通信系統(tǒng)使用。積極參與國際頻率軌道資源管理和分配機制,爭取更多的資源份額。加強與國際組織的溝通與合作,共同維護全球頻率軌道資源的公平分配。

5 結束語

手機直連衛(wèi)星通信是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)領域的重大創(chuàng)新,開展手機直連衛(wèi)星通信技術研究將填補該領域的空白,其科學技術價值、特色和創(chuàng)新點主要包括以下四方面:① 手機直連是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)迭代演進的發(fā)展方向。面向衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)市場化、商業(yè)化、國際化的發(fā)展需求,實現(xiàn)滿足大眾用戶普惠服務的手機直連衛(wèi)星通信,將是衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)迭代演進的重要方向。② 手機直連衛(wèi)星通信將促進產(chǎn)學研融通發(fā)展。手機直連衛(wèi)星通信研究將在現(xiàn)有的基礎上,進一步促進產(chǎn)學研融通發(fā)展,支撐衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)標準化、國際化進程。③ 手機直連衛(wèi)星通信將支撐產(chǎn)業(yè)鏈攻關布局。手機直連衛(wèi)星通信將進一步補強衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)鏈供應鏈,推動提升全產(chǎn)業(yè)鏈創(chuàng)新能力和整體效能。④ 手機直連衛(wèi)星通信將在未來貢獻較大通信增量市場。隨著衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)終端的普及,手機直連功能將作為電信行業(yè)新的消費增長點,爆發(fā)大量用戶需求和使用場景。