手机直连卫星通信:发展现状、应用场景和标准演进

王 达,童建飞,穆飞宇

(1.中国星网网络应用研究院有限公司,北京 100029;2.上海卫星互联网研究院有限公司,上海 200131)

0 引言

卫星互联网技术创新、系统建设和应用市场以日新月异的速度迅猛发展。能够实现手机与卫星直接相连的卫星互联网系统成为新的发展方向和竞争焦点。手机直连卫星产品是以消费类智能手机的外观形态出现,同时支持地面网络通信和卫星网络通信功能,不经过任何信号或数据中转设备,即实现与卫星之间信号的直接收发。该类产品的出现,将传统卫星终端产品从小规模行业应用市场带向大规模商业化应用市场,极大拓展了卫星网络的市场规模。据市场研究公司Research &Markets称,2023年卫星通信设备市场价值为226亿美元,预计到2028年将达到387亿美元,2023—2028年复合年增长率为11.3%。

手机直连卫星在保障通信安全性、打破地域限制、提供紧急通信能力、推动数字经济发展等方面具有重要的战略价值。以美国AST&Science、Lynk、Omnispace、SpaceX为代表的新兴商业公司正在加快“手机直连”卫星互联网领域的技术和产业布局[1],得到欧美日韩产业巨头的战略投资,发展态势不容小觑。手机直连卫星的快速发展和崛起,将成为未来卫星互联网的主要商业形态之一,并对未来信息通信产业格局产生重大影响。

1 国内外发展现状

1.1 国外发展现状

当前,国际上主要大国相继开展手机直连卫星系统规划和设计,通过编制草案、发布规划、提供资金等举措推动产业发展。以美国为例,美国联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)已于2023年3月16日通过来自太空的补充覆盖新规则提案,其核心是授权卫星运营商在分配给地面移动服务的频谱上运营卫星,该法案的落地将有力推动手机直连卫星技术的发展。

1.1.1 AST&Science低轨卫星星座

美国AST公司成立于2017年,致力于建设使用现有4G/5G通信频段和标准与手机直连通信的低轨卫星星座SpaceMobile,为智能手机用户提供移动互联网接入服务。SpaceMobile计划由部署在轨道高度为725～740 km的16个轨道面上共计243颗低轨卫星组成,完成对赤道区域、北美、欧洲、亚洲及全球的信号覆盖。

公司于2019年发射了轨道高度保持在417～476 km的BlueWalker 1小型测试卫星,使用4G LTE协议,并在850～900 MHz的两个频段上开展了通信链路试验。2022年9月,第二颗试验卫星BlueWalker 3搭载SpaceX公司火箭完成发射,轨道高度保持在508～527 km,该卫星带有一个约64 m2的超大规模星载相控阵天线,大幅提高天线增益,旨在测试从太空直接使用第三代合作伙伴计划(3rd Generation Partnership Project,3GPP)技术规范与手机直连宽带通信。2023年4月,美国国际电话电报公司(American Telephone and Telegraph,AT&T)和AST SpaceMobile利用三星S22手机直连卫星,成功完成了基于BlueWalker3的天基双向通话,展示了其手机直连卫星通信的能力。2023年6月,SpaceMobile工程师在夏威夷测试了4G LTE下载速度,初始速度可达10 Mbit/s,下一步将对5G 新无线电(New Radio,NR)开展测试活动。

1.1.2 Lynk低轨卫星星座

美国Lynk公司成立于2017年,旨在提供手机直连卫星的宽带连接解决方案[2]。公司于2022年9月获得FCC颁布的卫星通信商业许可,成为全球第一家获得批准的公司,有力推进了该公司手机与卫星双向传输服务进程。2020年2月,Lynk实现有史以来第一次从低轨测试卫星直接到普通手机的短信息通信;2022年2月,Lynk宣称成功将第5颗测试卫星与普通手机和物联网设备连接,进一步验证了其卫星直连手机技术;2022年4月,Lynk宣称成功发射世界上第一个通过FCC许可为手机提供直连服务的商用卫星Lynk Tower 1,其轨道高度为496～510 km。2023年1月,Lynk发射了轨道高度为525～545 km的Lynk Tower 2和Lynk Tower 3。2023年7月,Lynk发布视频展示了其通过低轨卫星实现与普通手机进行双向标准语音通话的最新成果。

Lynk卫星星座采用6U立方星,使用地面运营商网络频段(1 GHz以下),为3GPP标准手机提供全球覆盖的短消息和数据通信服务,通过与地面运营商的合作及共享基础设施,地面用户可从蜂窝网络无缝漫游至太空网络。Lynk公司已与加拿大Rogers、新西兰Spark和2degrees、加纳Telecel Group、澳大利亚Optus、BICS等20家运营商建立合作关系,基于合作方的地面移动通信网络为存量手机提供通信服务。

1.1.3 Omnispace低轨卫星星座

美国Omnispace公司成立于2012年,其从破产的卫星运营商ICO Global处购买了S频段频率使用许可(上行1 980～2 010 MHz,下行2 170～2 200 MHz),计划使用S频段研发基于3GPP标准的全球5G网络,为企业和政府客户提供可直连卫星的物联网和宽带服务[3]。S频段是全球唯一的国际移动通信(International Mobile Telecommunications,IMT)卫星和IMT地面均可使用的频段,也是5G非地面网络(Non-Terrestrial Network,NTN)中重要的目标频段,还是手机直连卫星的最佳频段之一。2022年4月,已发射两颗命名为Spark-1和Spark-2的低轨卫星。

1.1.4 SpaceX低轨卫星星座

美国SpaceX公司成立于2002年,其Starlink星座计划于2019—2024年批量发射卫星入轨,建立覆盖全球的卫星网络,提供高速互联网接入服务[4]。截止2023年6月,已累计发射超过4 300颗低轨卫星。当前,Starlink系统在应用场景、使用成本、用户便利性等方面与现有地面4G/5G网络存在较大差距,主要定位在服务于人口稀疏、通信设施欠缺和服务不足的地区,是地面网络系统的补充。Starlink使用Ku和Ka频段,这些频段受限于终端天线尺寸和链路预算,以及国际电信联盟(International Telecommunication Union,ITU)的落地功率限制规则,还不能直接用于手机直连卫星。

在手机直连方面,SpaceX公司与美国T-Mobile地面运营商合作,将利用2 000余颗“星链”V2.0卫星和T-Mobile地面频谱资源开展手机直连卫星服务,为所有T-Mobile网络的4G/5G智能手机用户提供直连卫星双向消息和语音通话功能。SpaceX已于2022年12月和2023年4月向FCC提交天线硬件和频率使用申请,计划2023年年底前发射技术试验卫星,联合T-Mobile在美国大陆、夏威夷、波多黎各等地区开通beta版卫星直连服务,2024年年中完成卫星部署,在南北纬58°范围内提供服务。此外,SpaceX还与欧洲Salt、新西兰One New Zealand、加拿大Rogers地面运营商达成合作协议,拓展全球业务范围,基于合作方的地面移动通信网络为存量手机提供通信服务。

1.1.5 苹果/全球星低轨卫星星座

2022年9月,美国苹果公司和全球星(Globalstar)卫星通信公司宣布合作,基于Globalstar现有的低轨卫星通信系统,通过改造升级支持手机直连卫星功能和服务[5]。苹果公司在2022年9月发布的iPhone14系列手机中,正式推出手机直连卫星通信功能;于2022年11月在美国(包括波多黎各和美属维尔京群岛)和加拿大部分地区开通卫星紧急消息服务。苹果手机直连卫星服务仅在没有蜂窝网络和WiFi覆盖的场景下可用,用户可根据手机软件提示对准卫星方位,通过卫星发送定制化应急救援消息。

Globalstar使用专有通信协议,允许苹果设备访问现有的24颗低轨卫星星座。Globalstar拥有上行链路的L频段1 610～1 618.7 MHz、下行链路的S频段2 483.5～2 500 MHz的全球频谱授权,现有设备下行数据速率可达9.6～256 kbit/s。Globalstar表示将把85%的容量分配给苹果,其余用于提供窄带物联网(Narrow Band Internet of Things,NB-IoT)服务。苹果公司同意承担95%的发射新卫星的相关费用(预计2025年将再增加17颗),以扩展和更换寿命结束的卫星。

苹果手机基带采用高通5G X65芯片,支持全球星的n53通信频段(2 483.5～2 495 MHz),采用了波束成形、定向天线阵列等技术。苹果公司采用垂直整合的模式,在系统和卫星侧与Globalstar公司合作,并自主开展手机设计和运营服务,在消费市场首创实现手机直连卫星服务运营。

1.1.6 高通/铱星二代系统

2023年1月,高通与铱星公司达成协议,将卫星连接纳入“下一代高级安卓智能手机”[6]。它将使用铱星公司拥有66颗卫星的低轨卫星星座,为双向紧急信息、SMS短信和其他信息应用提供全球服务。紧急消息服务预计将于2023年下半年在新一代高端安卓手机上首次推出。铱星公司的第二代卫星星座Iridium-NEXT于2019年1月完成,而第一代卫星星座随着卫星寿命的结束而退役。铱星系统使用的频段是1 616～1 626.5 MHz ,其中7.775 MHz独占,其余共享。

1.1.7 联发科/Bullitt/Skylo

2023年2月,联发科发布MT6825 IoT-NTN独立芯片组,支持3GPP Release 17 NTN标准,同时只增加了不到10美元的设备或智能手机成本,获得2023年上海世界移动通信大会亚洲突破性设备创新奖。该芯片组可添加到任何4G/5G设备上,并可以连接到同步轨道卫星星座,如Inmarsat和EchoStar。2023年,英国智能手机制造商Bullitt宣布与联发科已开展了18个月的合作,将推出具备双向卫星通信能力的智能手机以及一个蓝牙配件,可以为任何智能手机提供卫星连接。2023年2月,联发科与NTN服务运营商Skylo合作,使用Inmarsat的6颗L频段同步轨道卫星网络,为智能手机和物联网制造商开发具有内置卫星连接的新设备、传感器和可穿戴设备,但目前还没有宣布进一步推出新服务或产品。

1.2 国内发展现状

目前,我国手机直连卫星已有初步发展,通过改造和利用现有卫星资源,快速实现手机直连卫星的短消息和语音功能,主要为北斗短报文系统和天通系统。尽管现有手机直连卫星系统还未经过大规模应用验证,但已具备发展手机直连卫星的基础和条件。

1.2.1 华为/北斗导航系统

2015年,中国推出了第三代北斗导航系统,实现全球覆盖[7]。2022年9月,华为公司与中兵集团合作,发布支持北斗短报文功能的Mate50系列智能手机,用户可在极端环境下发送单向北斗卫星消息进行求助,实现了全球首个手机直连卫星短信服务。2023年3月,华为发布新一代P60系列智能手机,支持北斗双向卫星通信,进一步提升了手机直连卫星通信的能力。

1.2.2 中兴/中国电信/紫光展锐

中国电信卫星公司牵头,计划2023年下半年推出具备“天通”卫星双向应急短消息和语音业务功能的融合手机终端;中国电信卫星公司、中兴通讯、紫光展锐联合推出基于天通卫星透明转发的NTN IoT功能,并完成试验验证,可实现双向低速短报文业务。

2 典型应用场景

手机直连卫星具备广域连接能力,在面对跨洋、跨境、跨域等超远程应用场景时,可以提供全域无缝覆盖的通信能力,是区别于传统地面通信的基础技术特征。同时,手机直连卫星还具备较高的安全可靠能力,在灾害和战争时,可提供多重覆盖,保障通信安全可靠、机动灵活。基于以上技术特征,梳理出如下典型应用场景。

2.1 政府市场应用场景

2.1.1 边境巡防通信

边境巡防的主要需求是卫星宽带移动通信、精准位置服务,支持边防干警日常巡防过程中等宽带数据传输、情报快速回传、应急救援保障等功能。主要应用场景是日常巡防作业,网络宽带应达到每终端用户接收10 Mbit/s、发送1 Mbit/s。边防组网样式是分级树状网或星状网为主,基层单位与所属指挥机关构成连通体系。主要应用装备包括固定通信站点、应急通信指挥车、动中通车辆、便携式终端、手持终端,还包括直升机指挥站等。

基于卫星手机直连,可实现边境巡防场景下的宽带移动通信、精准位置导航等功能,提高边防通信保障能力、筑牢维护国家主权领土完整和海洋权益的安全屏障。

2.1.2 应急救援通信

应急救援的主要需求是卫星宽带移动通信、精准位置服务以及车载或单人便携终端,提供任务小队范围内集群通话和指挥调度服务[8]。在发生重特大自然灾害和安全生产事故时,经常面临“无路、无网、无电”等极端条件,通信装备的轻型化和低功耗尤为重要。同时,应急管理工作要求卫星通信网络具备高可靠性和高稳定性,现场信息回传对通信链路带宽要求也不断提升(如现场4K超高清视频信息采集回传、用于现场三维建模的无人机倾斜摄影数据回传、应急指挥平台GIS数据推送等)。

基于卫星手机直连,可实现应急救援场景下的宽带移动通信、精准位置导航等功能,切实提高通信保障、前线感知能力,有效保障通信联络、应急指挥、数据传输、灾情监测等功能的实现,支撑应急指挥决策。

2.1.3 广域森林通信

广域森林的主要需求是建设专业应用平台,实现融合通信、统一指挥、协同调度、可视管理,支撑生态监管、远程巡查、森林防火等功能[9]。系统能力需支持覆盖广域林区的防火监控和无缝电子围栏的建设需求。森林防火视频监控通常布设在高塔上,用于大范围高清监控,需要大带宽网络通信。根据《公共安全视频监控联网系统信息传输、交换、控制技术要求》(GB/T 28181—2016),重要前端设备到监控中心的传输带宽应不小于2.5 Mbit/s。

基于卫星手机直连,可实现林区广域覆盖的宽带通信、高清音视频监控等功能,保障国家生态安全、森林防火等指挥工作高效开展,支撑以国家公园为主体的自然保护地体系建设。

2.1.4 地调人员通信

地调人员的主要需求是宽带卫星通信网络及精准位置信息服务,支持野外地调人员实现野外作业实时数据化、云端化、音视频连接、应急救援保障等功能。以西南地区为例,特别是青藏高原大部分地区,多为手机信号盲区,与外界通信不畅,一旦遇到危险灾害,很难得到外界的救援。根据地质行业标准《野外地质工作后勤保障要求》(DZ/T 0351—2020),要为野外人员、车辆、船舶和飞机配置北斗终端等报位设备,在通信信号未覆盖或信号不稳定的地区,需要配备卫星电话、对讲机等通信设备。

基于卫星手机直连,可实现野外场景下的宽带移动通信、精准位置导航等功能,提高森林资源调查水平和效率,促进林草行业信息化发展。

2.2 国际市场应用场景

2.2.1 驻外工商业机构人员通信

我国驻外工商业单位员工众多,地点分布于全球160多个国家,不少所在国家及地区地面网络覆盖差,移动用户使用体验远不如国内。该类人员长期在国外居住、工作和生活,生活枯燥,缺乏便捷、性价比高的个人全球移动通信手段。此外,海外互联网与国内网络互通存在瓶颈,直通国内需求比较迫切。出于安全性、访问国内网络的便利性等需求,希望使用中国的卫星互联网为其提供安全、便捷的全球漫游和网络服务。

基于卫星手机直连,可实现跨国公司海外员工的宽带移动通信,保障海外员工和海外经贸人员的个人宽带通信需求,提高工作效率、丰富娱乐生活,促进我国企业和个体的海外业务拓展。

2.2.2 短期出境漫游

目前,全球地面网络覆盖并不均衡,许多国家移动用户使用体验远不如国内,且数据漫游资费昂贵,全球162个国家及地区单日漫游流量费用超过50元;广袤的草原、森林、山区、沙漠、海洋等旅游热点区域缺乏网络覆盖;中国互联网国际出入口拥塞比较严重,从境外访问国内网络比较困难,若提升速度需更换当地号码,手续繁杂。

基于卫星手机直连,可在出境旅游过程中享受方便快捷、价格适中的宽带卫星移动通信服务。

2.2.3 通信欠发达国家及地区个人移动通信

目前,全球的移动互联网发展水平呈现不均衡的发展格局。东亚、北美、欧洲、大洋洲的部分区域发展较为迅速,手机普及率和移动互联网普及率都较高,非洲、中东、南美的部分区域,普及率相对较低,截止到2018年,全球仍有39亿人没有接入互联网。卫星互联网的发展,可以有效提高普及率较低区域的互联网接入和服务水平,基于卫星手机直连,解决其短时间内难以完成大规模地面网络建设的问题。

2.2.4特殊地形国家及地区个人移动通信

特殊地形国家及地区主要包括海岛和草原的国家及地区,这些国家及地区受地形与成本限制,建设通信基础设施十分困难,目前互联网接入率较低,网络覆盖情况欠佳[10]。

海岛国家是指在国土范围内,拥有众多岛屿且相对分散的国家。在众多分散的岛屿大规模建设地面互联网需要巨大的资金投入,费效比低。草原国家是指在国土范围内,有面积广阔的草原覆盖、大量畜牧从业人员的国家。草原地区地广人稀,很多区域存在信号覆盖盲区。

基于卫星手机直连,可以有效提高以上国家及地区互联网信号覆盖率,解决其缺乏资金建设大规模地面互联网的问题。

2.3 行业市场应用场景

2.3.1 道路交通监管

由于北斗短报文传输能力较弱,主要适用于被动式监管,而面对日益复杂的交通环境和安全规范管理的升级,需要一种更智能、更主动的监管方式来协助管理部门管理[11]。

基于卫星手机直连,可支持驾驶室实时监控画面的远程传输、双向语音对讲、报警联动、车辆行驶数据监测等应用,有效降低行车风险,保障司乘人员生命安全,为交通监管部门进行大数据分析、安全监管提供数据传输保障,有效弥补地面系统信号覆盖不足的难题。

2.3.2 远洋船员通信

远洋贸易航程长,一般需要数月至数年,然而船员可用的通信容量和速率十分有限,14%的商船公司从不提供船上个人通信服务,只有36%的公司长期为船员提供通信服务。经验丰富的船员更希望在有足够互联网接入服务的公司工作,在同等条件下,他们很有可能会跳槽到通信条件更好的公司。由此可见,远洋船员对于互联网接入的需求十分强烈,而目前MSS或VSAT手段存在的带宽不足、信道昂贵等问题,限制了互联网接入供给,无法满足远洋船员个人通信、娱乐需求。船载宽带终端通信需求为50 Mbit/s,个人宽带终端通信需求为2 Mbit/s。

基于卫星手机直连,可实现海上场景下的宽带移动通信,满足远洋船员上网娱乐、安全保障、商务服务等需求。

2.3.3 草原牧民通信

草原牧民的主要需求是卫星宽带移动通信、精准位置服务以及适中的使用成本,将日常网络应用延伸到草原放牧过程中,实现视频直播、位置导航、天气预警等功能,并且能够第一时间掌握各处牧场状况、牛群羊群状况以及相关市场信息[12]。草原、草场区域的地面移动网络主要沿着道路建设,网络覆盖十分有限。牧民具有大范围流动的特点,在放牧、转场过程中很多地区是地面通信网络覆盖盲区。

基于卫星手机直连,可实现草原场景下的宽带移动通信、精准位置导航等功能,满足牧民放牧过程中的上网娱乐、安全应急通信等需求。

3 3GPP NTN标准演进

近年来,随着卫星互联网爆发式增长,3GPP考虑了充分利用地面移动通信网络技术成果、便于实现天地网络深度融合等因素,致力于为消费者提供基于5G NR和NB-IoT等技术规范的卫星通信服务。在3GPP Rel-15阶段,针对NTN发布了研究报告TR 38.811[13],主要对NTN部署场景、网络架构、信道模型、NR NTN设计约束进行了分析和研究,并在Rel-16阶段的研究报告TR 38.821[14]中给出了网络架构、物理层和协议栈的技术问题和解决方案。

基于前期对NTN的关键技术研究成果,3GPP在Rel-17阶段,针对宽带接入和物联网应用场景,正式形成了第一个NTN的技术规范,为手机直连卫星产业发展打下坚实基础。基于Rel-17 NTN技术规范,如前文所述,联发科、中兴通讯等厂商已完成了NTN芯片研制、双向短信及语音验证等工作。3GPP NTN标准演进持续推动手机直连应用落地,其在业务与系统(Services &Systems Aspects,SA)、核心网与终端(Core Network &Terminals,CT)和无线接入网(Radio Access Networks,RAN)方面的标准化时间表[15]如图1所示。基于当前最新的研究进展,本节将将对NR NTN和IoT NTN的标准演进方向进行详细介绍。

3.1 NR NTN演进方向

在3GPP Rel-17 规范中,NR 能够在基于透明载荷的GSO 和 NGSO 网络假设场景下支持NTN,为地球上固定或移动的小区中具有GNSS功能且功率等级至少为3[16](23 dBm)的用户设备(User Equipment,UE)提供服务。在Rel-18阶段,3GPP进一步提出了一个新的工作项(Work Item,WI)来定义基于NR NTN增强功能,以便实现如下目标[17]:

① 支持10 GHz以上频段部署。3GPP将考虑相关共存场景和分析,以确保为NTN引入的卫星频段不会影响现有规范,不会导致3GPP指定的与NTN频段相邻的地面频段网络服务质量下降。Rel-18指定了超过10 GHz的3个新的NTN频段(n510、n511和n512 )。

② 覆盖增强。充分考虑NTN的大星地时延和卫星高速运动特性,提供优化的覆盖性能,特别是面向直连手机终端时,对天线增益有更现实的假设(如商用智能手机的-5.5 dBi天线增益),而非简单地考虑0 dBi天线增益。

③ 移动性和服务连续性增强。具体包括为地球移动小区指定小区重选增强方案、为RRC空闲态或非激活态的终端指定低功耗的小区重选增强方案、 为RRC连接态的终端指定NTN-NTN切换增强以及馈电链路切换信令增强。

④ UE位置可验证。要求网络运营商可验证UE位置,即能够检查 UE 报告的位置信息(例如估计 UE 在网络侧的位置)并指定是否需要机制来满足监管要求,如合法拦截、紧急呼叫、公共警告系统等。

3.2 IoT NTN演进方向

3GPP Rel-17规范于 2022 年 3 月完成,支持基于NB-IoT和增强型机器类型通信(enhanced Machine-Type Communication,eMTC)的卫星接入,以解决农业、运输、物流等领域的大规模物联网用例。与NR NTN一致,NB-IoT和eMTC同样考虑在基于透明载荷的GSO 和 NGSO 网络场景,为地球上固定或移动的小区中具有GNSS功能且功率等级至少为3[16](23 dBm)的UE提供NTN服务。Rel-18中面向IoT NTN提出了一个新的WI,以定义进一步增强的NB-IoT NTN和eMTC NTN,以便实现如下目标[18]:

① 移动性增强。具体包括:支持无线链路失败前的相邻小区测量和相应的测量事件触发、支持适用于eMTC和NB-IoT的相邻小区星历系统信息信令以及重用 Rel-17 NR NTN 中引入的移动性增强方案来 eMTC的移动性等。

② 性能增强。一方面,通过禁用混合自动重传请求(Hybrid Automatic Repeat Request,HARQ)反馈减轻HARQ等待对UE数据速率的影响。HARQ是一种“停等”协议,只有在收到相应的反馈后,HARQ进程ID才能被重用,可能会出现由于无空闲HARQ进程ID而无法传输新数据的情况。另一方面,3GPP工作组计划研究改进的GNSS机制,以在长连接时间内进行UE预补偿并降低功耗。

③ 增强对不连续覆盖的支持。与 NR NTN 相比,许多 IoT NTN用例中的UE可能不需要连续覆盖。因此,需要研究并指定不连续覆盖情形下的移动性管理和节能增强方案。

由上述对NR NTN和IoT NTN标准演进方向的梳理可知,3GPP将面向手机直连市场应用需求,在Rel-17基础上继续为手机直连宽带接入和物联网业务提供标准化方面的支持,引导3GPP工作组内的全球运营商、设备商进行NTN关键技术突破,实现协议优化、覆盖增强、容量增强和节能增强。形成兼顾TN和NTN特点的统一6G网络。

4 问题和建议

4.1 卫星能力和协议体制等关键技术尚待突破

手机直连卫星系统的设计和建设面临诸多技术问题。手机直接与卫星进行通信,对通信链路预算提出极大挑战,目前受限于卫星通信容量、手机终端发射功率、星载天线尺寸、天线方向性追踪能力不足等缺陷,现有卫星手机直连仅能实现低速通信业务,亟待突破高性能通信载荷、自动方向追踪天线、低功耗宽频基带芯片等技术,才能进一步提升业务速率,提供语音、高速数据等业务。手机实现天地融合通信,对通信体制设计提出极大挑战,需解决星地频谱高效共享、用户和通信链路移动性管理、非对称上下行业务流量等技术问题,目前协议体制还处于技术路线探索和验证阶段。

建议:发扬新型举国体制优势,联合高等院校、科研院所、产业链合作伙伴等,组织开展天地融合网络架构和关键攻关,研制高性能星载处理平台,突破多波束相控阵天线技术、天地链路增强技术、天地资源分配技术、天地频率干扰规避技术、高集成度手机芯片技术等核心关键技术。构建天地一体的试验验证环境,开展面向手机直连卫星业务的地面试验验证和在轨测试,支撑技术方案验证、产品测试、组网测试以及兼容性与互联互通验证等。

4.2 产业链核心基础工业能力尚存在短板

我国具备独立设计、研制和生产各类卫星、运载火箭的能力,但应该看到我国整体产业化水平较欧美强国尚有一定差距:① 产业核心基础工业能力存在短板。手机直连卫星系统相关产品受限于工艺路线、核心元器件等基础工业能力,成本难以大幅下降,国际竞争力不足。② 关键产品的产业化水平有待提升。卫星批产能力、火箭运载能力亟待提高,快速发射、可回收发射技术有待突破。目前卫星通信产业应用规模小,尚未形成完备的产业链上下游,无法高效支持系统建设和大规模应用。

建议:面向手机直连业务涉及的卫星制造、发射、地面站建设、通信服务等多个环节开展产业攻关,充分利用好现有公网产业生态资源,重点牵引产业链开展卫星和手机关键组件、芯片、核心软件、配套仪器仪表及工具等开发工作,促进上下游产业链融合发展,实现卫星、火箭、手机等的规模化生产和供应,培育形成高效协同自主可控的产业生态。

4.3 手机直连卫星市场规模和商业模式创新不足

手机直连卫星系统市场规模相对有限,主要用于应急通信和地面网络无覆盖区域的通信。如何快速扩张市场规模,将成为该业务可持续发展的核心问题。手机直连卫星的商业模式也尚未成熟,可借鉴的案例较少,苹果公司采用垂直整合与自主运营成功实现商用,但铱星等手机直连系统受制于商业模式,导致应用推广受阻,国际市场的推广也需要因地制宜地创新商业模式。

建议:探索适合我国手机直连卫星发展的商业模式,如与地面通信网络融合、提供差异化服务等,推动产业健康有序发展。拓展手机直连卫星在各个领域的应用,通过试点项目展示卫星通信优势,形成示范效应。协同各行业合作伙伴拓展新领域,为用户创造价值,实现多方共赢。

4.4 频轨资源紧缺严重制约手机直连卫星发展

频谱资源是手机直连卫星系统建设的核心资源,以其稀缺性成为新形势下国际博弈的焦点。目前我国卫星互联网频率轨道资料申报相对滞后,但频率轨道资源竞争形势严峻,“星链”等系统为推广其手机直连卫星业务,积极抢占全球市场和可用的频谱资源,一旦其形成行业垄断和市场壁垒,将影响和限制我国手机直连卫星系统的发展。

建议:研究制定符合我国国情的频率轨道资源管理政策和技术标准,科学合理地规划频率轨道资源,确保卫星通信系统稳定与效能。先行结合移动通信频谱重耕在4 GHz以下,为低轨星座系统安排可用频率;再面向6G愿景,在6G网络频谱规划中,将7 GHz以下部分频率分配给天地融合移动通信系统使用。积极参与国际频率轨道资源管理和分配机制,争取更多的资源份额。加强与国际组织的沟通与合作,共同维护全球频率轨道资源的公平分配。

5 结束语

手机直连卫星通信是卫星互联网领域的重大创新,开展手机直连卫星通信技术研究将填补该领域的空白,其科学技术价值、特色和创新点主要包括以下四方面:① 手机直连是卫星互联网迭代演进的发展方向。面向卫星互联网市场化、商业化、国际化的发展需求,实现满足大众用户普惠服务的手机直连卫星通信,将是卫星互联网迭代演进的重要方向。② 手机直连卫星通信将促进产学研融通发展。手机直连卫星通信研究将在现有的基础上,进一步促进产学研融通发展,支撑卫星互联网标准化、国际化进程。③ 手机直连卫星通信将支撑产业链攻关布局。手机直连卫星通信将进一步补强卫星互联网产业链供应链,推动提升全产业链创新能力和整体效能。④ 手机直连卫星通信将在未来贡献较大通信增量市场。随着卫星互联网终端的普及,手机直连功能将作为电信行业新的消费增长点,爆发大量用户需求和使用场景。