手机直连低轨卫星通信：架构、关键技术和未来展望*

孙耀华，许宏涛，彭木根

（北京邮电大学网络与交换技术国家重点试验室，北京 100876）

0 引言

IMT-2030（6G）推进组发布的《6G 总体愿景与潜在关键技术白皮书》[1]提出，6G 将利用天基实现陆地偏远地区、海上和空中覆盖，最终构建星地融合的移动通信网络。在星地融合背景下，第三代合作伙伴计划（3GPP,3rd Generation Partnership Project）已开展支持手机直连卫星的非地面网络（NTN,Non-Terrestrial Network）的标准制定工作，预期为个人用户提供全球泛在接入[2-5]。

实现手机直连卫星通信的技术路线主要包括基于多模终端的方案、面向存量手机终端的方案以及基于3GPP NTN 标准的方案。多模终端方案可视为目前卫星通信技术的延伸，便于手机直连业务的快速落地，但由于其采用私有协议，无法迅速做大生态链。面向存量手机终端的直连方案基于3GPP 标准对基站侧进行增强，手机终端不需要改动，在NTN 标准体制还未完全明确的情况下，该模式可以快速部署推广。然而，该类方案需解决现有基站上星性能回退的问题，星上也需做较大的改动以实现基站功能。基于3GPP NTN 标准的方案则面向增量终端直连卫星，终端/基站需升级以支持Release 17（R17）及之后的版本，产业支持广泛。

当前，国内外企业积极开展手机直连试验验证和业务落地。在多模终端技术路线方面，苹果手机通过内置Globalstar 卫星通信模块支持短消息发送；华为Mate 50 内置北斗通信模块，支持L 频段的单向短报文通信，Mate 60 内置天通卫星通信模块，提供通话与短信业务。面向存量手机终端，Lynk Global 公司已发射7 颗技术验证卫星，完成了在轨卫星与存量手机进行双向语音通信的外场实验验证；SpaceX 计划推出基于4G LTE 上星的存量手机直连业务；AST SpaceMobile 低轨试验卫星BlueWalker 3 搭载了64 平方米的巨型相控阵天线，实现了存量手机与试验星通话和5G 连接测试。NTN 技术路线方面，Omnispace 公司利用n256 频段，于2021 年实现了商用5G 终端通过卫星获取语音和数据服务的演示验证，目前已有2 颗实验卫星在轨运行；中国移动联合中兴通讯等实现了全球首个运营商基于3GPP R17 IoT-NTN的技术外场验证，并于2023 年9 月实现了低轨通信环境下NR-NTN 的实验室验证；中国电信基于天通卫星完成了NR-NTN 终端直连卫星现网环境测试验证。

标准化方面，3GPP R17 确认空口标准支持星上透明转发和星上处理两种模式，并对无线接入网关键技术进行了增强[6]；R18 为满足灵活多样的网络架构和业务需求，研究无GNSS 能力终端的支持以及覆盖、移动性管理方面的增强[7]；未来R19 版本将逐步开展基站上星架构的标准化。后文首先对手机直连低轨卫星的架构进行探讨，随后对手机直连低轨卫星的关键技术进行详细介绍，最后给出未来的技术发展方向。

表1 为手机直连卫星实验验证与应用：

表1 手机直连卫星实验验证与应用

1 手机直连低轨卫星网络架构

本文将手机直连低轨卫星的网络架构分为四类，包括基于透明转发的NTN 手机直连低轨卫星架构、基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构、基于完全可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构、基于集成接入和回传的手机直连低轨卫星架构。

1.1 基于透明转发的NTN手机直连低轨卫星架构

基于透明转发的NTN 手机直连低轨卫星架构如图1所示，透明转发架构由NTN 终端、透明转发卫星、信关站、NTN 地面基站、地面核心网、公共数据网组成。其中，透明转发卫星功能包括射频滤波、频率转换和信号放大，和地面信关站共同作为NTN 基站的远端射频单元。终端与卫星间的服务链路（service link）以及卫星与信关站间的馈电链路（feeder link）均采用NR-Uu 接口，而信关站则通过前传链路与NTN 基站连接。由于该架构在星上仅实现射频功能，其余接入网功能均部署在地面，系统能够进行跨整个协议栈的集中处理和协调，高效支持CoMP、MIMO、负载平衡、切换管理等功能。此外，射频和物理层间的分离允许重用射频组件以服务不同无线接入技术，从而提升了物理层的可拓展性。然而，该架构面临空口传输时延长、对馈电链路传输资源要求较高等问题，例如在100 MHz 的基带信号带宽下，单个天线端口就需要614 Mbps 的传输资源。为此，3GPP R17 在已有定时参数基础上引入额外偏移量用于涵盖星地传播延时的影响，同时允许关闭HARQ 机制提升长传播时延下的信道资源利用率[8-9]。除此之外，由于该架构不存在星间链路，数据转发严重依赖信关站，难以实现全球网络部署。

图1 基于3GPP NTN透明转发卫星的手机直连低轨卫星架构

1.2 基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构

（1）基于物理层功能切分的方案

为降低基于星上透明转发的网络架构对馈电链路带宽的要求，考虑基于部分可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构。根据3GPP 38.816[10]，NR 物理层的潜在功能划分如图2 所示，预编码模块位于层映射之后、OFDM调制之前。在划分方案2 中，星上仅具有调制和射频功能，其余物理层功能在地面实现，此时馈电链路传输的信号维度为预编码之后的信号维度，即天线端口数。而在划分方案1 中，星上同时具有预编码、调制、射频功能，其余物理层功能在地面实现，此时馈电链路传输的信号维度为预编码前的信号流数。因此，方案1 能够节省馈电链路带宽资源，但相对方案2 星上实施复杂度增大。根据调研结果，美国AST Spacemobile 采用的手机直连低轨卫星网络架构参考了方案2，在Blue Walker3 试验星上实现了预编码功能。

图2 星上部分可再生处理下的星地功能切分方案

（2）基于MAC 层及以上功能切分的方案

考虑到NR 基站完全上星会对卫星搭载能力以及基站供电带来更高挑战[11-12]，可进一步采用基站集中式单元（gNB-CU,gNB Centralized Unit）和基站分布式单元（gNB-DU,gNB Distributed Unit）分离的部署模式。如图3 所示，基站部分上星架构由终端、星上DU、地面CU、核心网、公共数据网组成，CU 和DU 间的逻辑接口定义为F1 接口，承载在馈电链路上。

图3 基于CU-DU分离的手机直连低轨卫星网络架构

参考3GPP 38.816 和38.811 协议[8,10]，星地间DU-CU 功能的潜在切分方式如图4 所示：

图4 星地DU-CU功能切分潜在方案

方案一将PDCP、RLC、MAC、物理层划分于星载DU，RRC 层则位于地面CU。该划分方式下，整个用户平面均位于DU 中，有利于实现低延迟数据传输。

方案二将RLC 层及以下划分于星载DU，PDCP 层及以上划分于地面CU。该切分方式便于对多星流量负载进行协同管理，并且其实现基础已在LTE 双连接技术中进行了标准化，因此是一种最为直接、标准化工作增量最小的切分方式。

方案三对RLC 层内部进行划分，将RLC 低层及以下划分于星载DU，RLC 高层及以上划分于地面CU。RLC下层由分段功能构成，RLC 上层包含ARQ 和RLC 的其他功能。在该切分方式下，星上不负责处理ARQ 协议，可以降低对计算和数据缓存的要求，但由于ARQ 协议对时延敏感，口空传输效率易受馈电链路时延影响。

方案四对MAC 层内部进行划分，将MAC 低层及以下划分于星载DU、MAC 高层及以上划分于地面CU。MAC 高层负责控制多个MAC 低层与集中式资源调度，能够执行CoMP 等干扰协调机制。对时延具有严格要求或性能与时延密切相关的功能则位于MAC 低层，如HARQ、信号测量、随机接入控制。该划分方式能减少F1 接口对时延的要求，还能够高效地执行多卫星小区干扰协调。然而，在MAC 层内部进行功能划分会导致CU-DU 间的接口复杂度增大，调度决策也将受到星地馈电链路传输时延的影响。

方案五将完整的物理层划分于星载DU，MAC 及上层划分于地面CU。该划分方式下，地面可以实现MAC层及以上的资源池化，但需要CU 中的MAC 层和DU 中的PHY 层间进行子帧级定时交互，同时CU 与DU 间的馈电链路传输时延也将影响HARQ 性能。

方案一至方案五对应的CU 功能逐渐增强，DU 功能逐渐减弱。相应地，随着CU 功能增多，F1 接口的传输数据有效载荷中数据包头增多，带宽需求逐步增大，对F1 传输时延的要求也越来越严格。

1.3 基于完全可再生处理的手机直连低轨卫星网络架构

（1）面向存量终端且基于基站完全上星的手机直连低轨卫星网络架构

该类架构目前以支持4G 存量终端为主，架构如图5所示，其由普通4G 手机终端、卫星、信关站、地面核心网、卫星运营商网络和公共数据网组成。其中，卫星采用可再生处理技术，搭载完整的功能增强4G 基站（eNodeB）。为了实现存量4G 终端无感知接入，星载基站需针对空间节点高动态、大多普勒频移与时延等问题进行协议增强，例如，在HARQ 机制中根据调度的用户信息提前发送ACK 以适应大传播时延，同时在星载基站中引入地面网络干扰感知技术，提升频谱共享下用户链路上行信号的接收成功率。数据流转上，存量手机依靠4G 空口直连低轨卫星，用户数据经过星间链路转发，下传至卫星运营商网络，再传输至地面运营商网络。当涉及用户在天基和地基网络间的切换时，本质上为用户在两张网络间的漫游。

图5 基于4G LTE基站上星的存量手机直连低轨卫星架构

当前，该架构被Lynk Global 与SpaceX 等公司广泛采用，实现手机直连业务的快速部署。Lynk Global 已与全球30 多个移动通信运营商签订了手机直连卫星服务商业协议。2023 年10 月11 日，SpaceX 宣布将推出基于4G LTE 体制的存量手机直连星链业务，特别地，2023 年12 月1 日，FCC 对SpaceX 2 代星链星座部署与运行蜂窝网卫星进行了许可，允许SpaceX 在美国本土使用T-Mobile频段，将1 910—1 915 MHz 和1 990—1 995 MHz 分别用于手机直连卫星的上行链路和下行链路通信。业务方面，SpaceX 预计2024 年实现短信发送，2025 年实现语音通话和互联网业务，同年分阶段实现物联网业务。此外，星链卫星V2.0 将在Ku、Ka 天线和星间激光终端基础上，额外配备面积达25 平方米的大型天线，以弥补手机直连链路预算的不足。

（2）基于NTN 基站的手机直连低轨卫星网络架构

3GPP Rel-16 研究了基于NTN 基站的手机直连低轨卫星网络架构。如图6 所示，基站完全上星架构由NTN终端、NTN 星载基站、信关站、地面核心网、公共数据网组成。其中，卫星具有射频滤波、频率转换、信号放大、解调/ 解码、星间路由、编码/ 调制、无线资源管理、接入控制等功能[14]。NTN 终端与卫星间的服务链路采用NR-Uu 接口，卫星与信关站间的馈电链路可以采用DVB-S2X 或5G NR 通信体制以承载控制面NG-C 和用户面NG-U 数据，信关站则提供卫星与地面核心网的连接。此外，该架构不紧密依赖地面基础设施，可以通过星间多跳回传实现全球覆盖。由于基站完全上星后显著缩短了终端到基站的距离，能为物理层与MAC 层提供更小的传播时延[15]。

图6 基于NTN基站上星的手机直连低轨卫星网络架构

1.4 基于集成接入和回传的手机直连低轨卫星架构

为了更好地实现星间链路与卫星拓扑管理，还可以考虑基于集成接入和回传（IAB,Integrated Access and Backhaul）技术的5G NTN 网络架构[16]。如图7 所示，一个IAB 网络包含锚点IAB（IAB-donor）和IAB 节点，IAB 节点通过一跳或多跳的形式连接到IAB-donor。IAB 节点由终端功能部分IAB-MT 和分布式基站功能部分IAB-DU 组成。IAB-MT 具有UE 的部分功能，它可以以UE 的身份与另一个IAB 节点的IAB-DU 或者IABdonor 连接。IAB-DU 具备gNB-DU 的功能，允许来自普通UE 或者IAB-MT 的接入。任意IAB 节点通过其IABMT 与父节点相连，通过IAB-DU 为其子节点提供服务。IAB-donor 为IAB 拓扑执行集中资源管理和路由管理等。NTN 借助IAB 架构可将卫星作为IAB 节点，基于IABDU 与IAB-MT 的互连实现基于星间链路的卫星间多跳连接和数据传输。

图7 基于IAB的手机直连低轨卫星网络架构

2 手机直连低轨卫星关键技术

2.1 时频同步技术

在移动通信中，终端需要与通信网络进行初始时频同步，并在接入网络后不断跟踪时频偏以维持同步状态，确保数据传输能够正常进行。在手机直连低轨卫星通信场景下，由于低轨卫星相对地面用户快速移动，通信过程中产生的多普勒频偏和定时变化率将远超地面移动通信场景。以低轨卫星轨道高度600 km、载波频率2 GHz 为例，星地最大多普勒频移可达40 kHz，同时最大定时提前与定时变化率分别高达7 ms 与38 μs/s。针对频偏，以单载波传输为例，在透明转发场景中，NTN 基站可通过星历信息和卫星波束中心点位置计算频偏并进行预补偿，同时广播星历信息与波束中心点位置，非波束中心点用户根据广播信息计算与中心用户的频差以进行用户链路频偏二次补偿；在可再生场景中，星载基站根据终端和信关站位置分别补偿用户链路和馈电链路频偏，非中心用户针对中心用户位置进行频偏补偿。在多载波系统中，手机终端通过导频接收处理获取载波级实时多普勒频偏，然后在发送上行信号或接收下行信号时对信号进行预补偿。对于时间补偿，同样选用参考点补偿方式，当将参考点选定在卫星侧时，手机以星地往返传输时延作为时间提前量进行补偿。

2.2 链路状态预测技术

自适应调制编码（AMC,Adaptive Modulation and Coding）是一种链路自适应技术，主要思想为接收端根据解调参考信号（DMRS,Demodulation Reference Signal）的信噪比估计链路特性，将测得的信噪比的估计值映射得到信道质量指示（CQI,Channel Quality Indication）参数并反馈给发送端，发送端根据CQI 参数采用匹配信道状态的数据调制和信道编码方案，最大化信道利用效率。具体而言，在手机直连卫星的下行传输场景中，用户根据DMRS 测得CQI 并反馈到卫星，卫星根据CQI 调整调制编码方案；在上行传输场景中，卫星根据上行DMRS 测得CQI，然后下发控制信令使用户调整调制编码方式[17]。由于星地链路传输延迟严重，导致CQI反馈/ 控制信令下发滞后于链路状态变化[17]，影响AMC技术性能。为解决上述问题，可在接收端采用链路状态预测技术获得未来的信道CQI，以弥补反馈滞后的影响。目前，链路预测技术主要依靠基于时间序列的预测算法，核心思想为利用当前和过去时刻的链路状态信息预测未来时刻的链路状态，具有计算复杂度低和实时强性的优点，但高动态性的星地链路可能导致时间序列数据不稳定，而传统的时间序列预测算法通常假设数据间存在线性关系，因此难以适用。基于机器学习的预测算法能够通过卷积神经网络（CNN）提取采样数据特征，随后利用长短时记忆网络和门控循环单元提取时间序列数据的依赖关系，同时考虑多种信道影响因素如频移、多径数目等，以提高预测准确性，更好地适应星地快速时变链路[18-20]。

2.3 物理层波形技术

正交频分复用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技术由于具有频率资源利用率高、调制解调过程易于硬件实现、抗频率选择性衰落等优点，在地面移动通信中得到广泛使用。但OFDM 波形同时具有较高的带外辐射、CP 开销和峰均比等问题。考虑到低轨卫星通信具有功率和频谱资源受限以及器件非线性程度高等特点，难以直接将OFDM 波形应用于手机直连低轨卫星通信。为此，可考虑采用广义频分复用（GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing）[21]技术作为OFDM 技术的扩展。GFDM 是在OFDM 基础上，结合滤波器组的一种非正交调制技术，不仅保留了OFDM大部分优点，还具有低带外辐射、数据块结构灵活、低峰均功率比等优点。通过采用循环移位滤波器及时域窗函数，GFDM 各个子载波波形主瓣的带外衰减速率能大幅增加，进而降低带外功率泄露，减少相邻频段干扰。此外，GFDM 通过循环移位滤波器实现子符号在时域的叠加传输，每组叠加子符号只需添加一次CP，无需像OFDM 一样为每个符号添加一次CP，可以减少CP 开销，提高通信频谱效率。在传输相同数据量时，GFDM 需要的子载波数更少，配合限幅性能优良的滤波器可以有效降低峰均比。已有研究[22-23]分析了OFDM 和GFDM 的误码性能，指出在数字广播电视的超高频场景中GFDM 误码性能优于OFDM，并证明GFDM 相较OFDM 对时序偏移和相位噪声具有更强的鲁棒性。

2.4 星载大型天线技术

传统民用非手机直连卫星通信系统（如SpaceX 公司的Starlink V1.0），地面终端的天线直径一般为20～30 cm 在手机直连低轨卫星通信场景下，考虑到用户使用体验，难以安装该类天线。因此，主要通过在卫星侧安装功率更大、增益更高的大型天线实现手机直连卫星通信。星载大型天线技术的核心为在卫星上搭载大规模天线阵列，提高阵列总增益，解决星地链路损耗问题。其中，相控阵天线由于具有灵活度高、覆盖面大、抗干扰性强等优点，预期成为未来低轨卫星普遍使用的天线形态。大型星载相控阵天线能提供较大的发射功率与较高的增益，能满足窄波束传输、波束指向灵活调整以及多点波束传输等需求。美国SpaceX 公司发射的首批Starlink V2.0 mini 卫星部署了比V1.0 规模更大的相控阵天线。AST SpaceMobile公司的在轨测试卫星BlueWalker3 同样搭载了大型相控阵天线，完全展开后的面积达64 平方米，是目前尺寸最大的商业相控阵天线。受限于卫星搭载能力，需要通过采用高收纳比的二维在轨展开技术，将不同工作频率的收发天线在相同口径面积内集成，构建高增益、低剖面、超轻薄、收发共面的大面积高精度相控阵天线。

2.5 随机接入技术

当手机终端具备精准星历信息和自主定位能力时，能够通过上行前导发送时的时频偏预补偿实现对地面移动通信系统前导序列的沿用，但当导航定位信号被拒止、手机定位能力不可用时，使用现有前导序列直接接入卫星将易导致定时提前估计失败。此外，传统四步随机接入在星地长时延下存在效率低、接入速度慢的问题。为此，考虑以地面移动通信随机接入方案为基础，对手机直连卫星场景中上行随机接入进行适应性增强，主要包括用户终端侧初始时频预补偿方案设计、星地兼容的前导序列格式设计和极简随机接入流程设计。时偏补偿方面，卫星通过公共物理下行共享信道指示公共时偏值，手机以该值作为时间预补偿值。星地兼容的前导序列设计以最大程度复用地面系统已有ZC 序列生成及检测模块为目标，通过灵活级联ZC 序列并在两种序列间进行差异化功率分配，降低前导检测过程中的多用户干扰影响，支撑大量用户并发接入[24]。星地极简接入流程将接入过程分为卫星广播、用户同步信号检测与前导生成、卫星多用户检测与传输资源分配，通过简化星地间信令流程，实现快速接入[25-26]。

2.6 波束管理技术

低轨卫星星座广覆盖下，网络流量空时分布不均特征显著，此外，多星波束联合调度涉及因素众多，决策复杂度高。传统固定波束资源分配分下，难以适配业务流量空时分布非均匀特点，导致资源浪费[27]。为此，亟需研究更加高效的波束资源管理体制。考虑到波束资源调度可进一步分为波束与小区间服务关系规划、服务时间及波束频率规划以及波束内用户间资源调度，可采用分层的波束资源管理架构[28]。具体地，在基于星上部分可再生的网络架构下，地面CU 负责根据用户上报的业务需求、波束小区位置信息、卫星星历等信息进行周期性、网络级的波束资源调度，给出下一调度周期波束-小区服务关系、服务时间和所用频率分配，在波束规划周期内，星上DU 则对各波束内的用户进行更细粒度的无线资源分配。此外，为了支持卫星波束跳变，还需研究波束信息指示、波束切换和波束恢复机制。波束指示信息包含卫星向用户提供的目标波束工作频点、带宽和可用服务时间，用户通过对比目标波束索引值和当前波束索引值确定是否触发波束切换流程。波束切换与恢复可分两种情况进行讨论，第一种是控制波束与业务波束分离的宽窄波束场景，第二种是控制波束与业务波束结合的场景。在宽窄波束场景中进行波束切换时，宽波束负责为用户提供目标业务波束的时频资源信息，用户通过检测目标波束的CSIRS 实现同步。由于用户与宽控制波束一直维持同步状态，当波束切换失败时，用户通过宽波束指定的上行传输资源反馈失败事件，随后网络通过宽波束向用户再次发送目标业务波束时频资源信息。在控制波束和业务波束融合的场景中，用户通过检测SSB 实现与目标波束间的下行同步并获取接入资源信息，当用户上行接入失败时，用户通过上行随机接入信道向网络反馈波束切换失败事件。网络收到随机接入请求后，再次分配接入资源。

2.7 移动性管理技术

由于低轨卫星高速移动，单颗卫星覆盖地面用户的时间较短，需要用户和卫星间进行频繁切换以保证通信连续性。然而，手机直连低轨卫星场景下，大量用户并发切换易导致切换成功率低、传输中断时间长以及信令开销大等问题。针对海量用户并发切换，在切换开始前，可基于用户业务模式、传输速率需求及卫星负载限制对用户进行群组分类，减少切换过程中的重复信令传递，有效降低切换开销和平均切换时延，提升切换成功率。此外，传统星间切换方案主要从单一判决指标出发，为实现零传输中断的星间切换，需研究基于多属性判决的星间无缝切换技术[29-30]。核心思想为基于卫星仰角、数据队列延迟、空闲信道资源和发射功率等多指标提出多属性融合算法，进行切换链路预判决同时进行资源预留，并在切换过程中执行基于用户双激活协议栈（DAPS,Dual Active Protocol Stack）的软切换。位置管理方面，终端与卫星波束小区的双重移动性显著增加了位置管理开销，同时卫星广覆盖与长距离星地链路将带来极大的寻呼成本与信令传输延迟。为实现低开销位置管理，可以基于地面移动通信网络中的位置管理体制，设计地面固定的多层位置区和通用信令结构，构建时空融合以及用户移动和业务特征感知的位置管理方案。

3 未来展望与技术挑战

为增强手机直连下的天基网络信息服务能力，未来还需开展通导一体化、星载边缘计算、终端直通通信、时分双工通信等技术研究。

3.1 通导一体化

低轨卫星系统具有信号损耗小、多重覆盖等优势，将通信与定位导航功能整合，可以提供更加丰富的信息服务。传统低轨导航方案中，受限于低轨卫星体积、功耗、成本等因素，低轨卫星普遍采用高稳晶体振荡器作为时频基准构建的基础，但随着光学和微机电系统的进步，低功率、小体积的原子钟，如芯片级原子钟，能够为低轨卫星提供高精度时间基准。另一方面，传统地面测控系统测距、测速、测角技术与卫星激光链测距、航天器自主测控等新技术能实现卫星精确定轨，从而构建高精度空间基准。在高精度时空基准基础上，低轨卫星可独立产生测距信号，通过调制方式、电文、测距码、扩频码等通导一体化信号体制设计实现通导应用中对频谱资源的高效利用[31]，此外，利用波束调度与赋形技术，还能够充分发挥低轨卫星星座在几何精度因子（GDOP,Geometric Dilution of Precision）方面的优势，提升终端的导航信号接收信噪比与定位算法解算速度，满足精度高、时效性强的定位需求[32]。

3.2 星载边缘计算

星载边缘计算是指利用星上部署的计算和存储等资源，实现数据在轨处理等功能。随着航天电子技术的飞速发展，星上处理能力近年来得到了显著增强。早期星上处理器一般采用单双核架构，计算能力弱，如基于X86架构的80386ex 处理器芯片的主频为33 MHz，算力只有11 DMIPS。目前，星载处理器主要为基于ARM 框架的多核处理器，算力显著提升，如基于ARM 框架的HPSC主频为800 MHz、计算能力为15 000 DMIPS[34]。未来，星上处理器将朝着众核、智能以及低成本方向持续发展，将为星载边缘计算提供有力支撑，最终大大降低业务时延，在遥感数据在轨处理、物联网业务、小数据内容分发方面应用前景广阔。

3.3 基于天基的终端直通通信

在战术分队、特殊任务执行等应用场景下，存在用户间通过卫星直接通信的低时延、保密通信需求。为实现终端直通通信，可对接入协议栈的用户面进行增强设计，包括拓展卫星载荷协议栈使其具备全部基站功能，或将用户面功能下沉，卫星载荷仅充当数据传输的管道。若采用拓展卫星载荷协议栈的方案，卫星载荷需实现用户数据收发、调制解调、分段重组、加解密等功能，对载荷处理能力提出严峻挑战。同时，当端到端通信带宽较大或用户数目较多时，该方案将使卫星功耗显著增加。在用户面功能下沉方案中，业务数据的加解密、压缩解压缩、业务分流等功能直接由终端实现，卫星处理载荷不再负责相关的协议处理。同时，为保证分组数据单元与承载的正确对应，服务终端用户的两颗卫星间需建立拓展的Xn-U 接口。

3.4 时分双工通信

在手机直连低轨卫星场景中引入时分双工通信体制，可以应对上下行流量非对称带来的资源浪费问题[35]。通过对帧结构中的上下行时隙进行灵活配置，可以实现有限频谱资源与上下行业务需求的有效匹配。此外，由于下行和上行传输分配在相同频带，TDD 制式在CSI 获取方面具有天然优势，可有效支撑星载大规模相控阵的运用。同时，收发同频也有利于通过双工器或开关电路简化天线设计，降低手机硬件成本。然而，由于星地链路传播时延较大，该技术在手机直连卫星场景中需解决上下行保护时间间隔过大导致的资源浪费问题。

4 结束语

本文首先介绍了手机直连低轨卫星的网络架构，包括基于卫星透明转发与可再生处理的架构等。之后介绍了面向手机直连的低轨卫星通信关键技术，包括时频同步、链路预测、物理层波形、星载大型天线、随机接入、波束管理、移动性管理等。最后，对手机直连卫星下的通导一体化、星载边缘计算、终端直通通信、时分双工技术进行了深入探讨，给出了启发性思路。