手機直連衛(wèi)星是指手機或手持類終端不需要地面中轉設備，直接與衛(wèi)星連接實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸或進行通信的技術。嚴格來說，直連衛(wèi)星的手機也包括傳統(tǒng)專用衛(wèi)星手機。由于專用衛(wèi)星手機往往體積大、重量大且配置外置天線，不便于用戶攜帶，未在消費者群體中獲得大范圍的推廣應用。近期國內外發(fā)展得如火如荼的手機直連衛(wèi)星技術與傳統(tǒng)的衛(wèi)星電話技術最大的區(qū)別是，手機是普通消費級的終端，可將使用最廣泛的手機終端與覆蓋范圍最大的衛(wèi)星網(wǎng)絡緊密結合，具有極大的使用價值和廣闊的應用場景，代表了未來手機直連衛(wèi)星終端形態(tài)的發(fā)展趨勢。手機直連衛(wèi)星作為面向未來的通信技術，已成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)之后的又一個全球關注的熱點。

　　手機直連衛(wèi)星相關技術并非突然井噴式發(fā)展，而是經(jīng)過了長時間的技術積淀。自 1998 年美國銥星系統(tǒng)開通首個衛(wèi)星手機業(yè)務以來，陸續(xù)建設的 Globalstar、Thuraya、海事衛(wèi)星以及我國的天通一號等衛(wèi)星通信系統(tǒng)均支持專用衛(wèi)星手持終端直連衛(wèi)星進行通話。這些系統(tǒng)發(fā)展初期與地面蜂窩系統(tǒng)相互獨立，費用較為昂貴，無法形成與地面蜂窩移動通信相似的規(guī)模效應，發(fā)展較為緩慢。為了有效拓展地面手機網(wǎng)絡的覆蓋范圍，陸續(xù)出現(xiàn)了可供普通手機直接連接衛(wèi)星的手機殼以及集成衛(wèi)星通信和蜂窩通信的雙模手機。為了保證可靠的衛(wèi)星通信，上述終端均配置了外置衛(wèi)星天線，體積小、重量較輕，但也未能在消費者中廣泛推廣。

　　近年來，研究人員開始研究面向未來的手機直連衛(wèi)星技術。新一代的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)要求通信速率大，手機終端重量輕、體積小、功耗低、內置天線，并且集成衛(wèi)星通信和地面蜂窩通信，目前得到衛(wèi)星運營商、地面移動通信運營商、終端制造商和衛(wèi)星制造商等各方面的關注。

　　目前手機直連衛(wèi)星有多種技術路線，按照運營商進行分類，分為以衛(wèi)星運營商為主體的技術路線和以地面移動通信運營商為主體的技術路線；按照終端與衛(wèi)星體制進行分類，分為使用定制手機終端和傳統(tǒng)移動通信衛(wèi)星、使用現(xiàn)有手機終端和星載基站以及采用3GPP標準的天地融合體制手機終端合一的3種技術路線；按照衛(wèi)星軌道使用情況進行分類，分為使用同步軌道（GSO）衛(wèi)星和非同步軌道（NGSO）衛(wèi)星的技術路線。本文重點研究了使用不同軌道衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)的組成架構、技術挑戰(zhàn)、關鍵技術與解決方案。

　　手機直連衛(wèi)星涉及傳統(tǒng)衛(wèi)星運營商業(yè)務和地面移動通信運營商業(yè)務。目前國內外已形成產(chǎn)業(yè)鏈上下游多家公司加強合作的局面，表1展示了典型合作案例。

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　　基于 GSO 衛(wèi)星的技術路線較為成熟，也是當前手機直連衛(wèi)星主流商用路線 月，華為公司發(fā)布基于天通一號衛(wèi)星的Mate60 Pro衛(wèi)星通信手機，支持衛(wèi)星語音通話。中國電信積極開展手機直連衛(wèi)星業(yè)務研究：一方面參與天通一號衛(wèi)星的運營，并開展相關業(yè)務系統(tǒng)的研發(fā)和推廣應用，如與華為、榮耀、小米等手機終端廠商合作，實現(xiàn)普通消費級手機直連衛(wèi)星語音和低速數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務；另一方面，還積極開展基于 5G 非地面網(wǎng)絡（Non-Terrestrial Network, NTN）手機直連衛(wèi)星相關研究。

　　在專用芯片研究方面，聯(lián)發(fā)科技開發(fā)的窄帶物聯(lián)網(wǎng)（NB-IoT）芯片通過Inmarsat的Alphasat高軌衛(wèi)星完成測試，證明通過小幅修改便可讓移動通信技術有效地運行于地球靜止軌道（Geostationary Earth Orbit, GEO）衛(wèi)星，為衛(wèi)星和移動通信網(wǎng)絡的整合奠定基礎。2023 年聯(lián)發(fā)科技開發(fā)了MT6825 物聯(lián)網(wǎng)非地面網(wǎng)絡（Internet of Things Non-Terrestrial Network, IoT-NTN）芯片組，可連接GEO衛(wèi)星，易于轉換為3GPP NTN標準衛(wèi)星網(wǎng)絡使用。我國的平臺型芯片設計公司紫光展銳于 2023 年 7 月發(fā)布了 5G NTN 衛(wèi)星通信通用系統(tǒng)級芯片（System on Chip, SoC） V8821。V8821基于3GPP NTN R17標準，利用IoT-NTN作為基礎設施，易與地面核心網(wǎng)融合。V8821可通過海事衛(wèi)星或天通一號衛(wèi)星，提供數(shù)據(jù)傳輸、文字消息、通話和位置共享等功能。

　　2022 年蘋果公司與 Globalstar 合作，利用 Globalstar的衛(wèi)星為蘋果手機提供緊急SOS信息傳輸服務。Globalstar的定位是一個衛(wèi)星物聯(lián)網(wǎng)解決商，其衛(wèi)星通信主要使用S頻段的2.4 GHz頻段和n53頻段。

　　2022年9月AST SpaceMobile發(fā)射了BlueWalker-3試驗衛(wèi)星，其目標是無須任何地面設備，為用戶手機提供直接的4G和5G互聯(lián)網(wǎng)接入。如圖1所示，為了與地面標準移動電話達到可靠的連接，BlueWalker-3衛(wèi)星配備了展開面積達 64m2 的超大相控陣天線陣列?；贐lueWalker-3 衛(wèi)星，2023 年 9 月 ASTS 與電信運營商AT＆T、沃達豐等實現(xiàn)5G通線 BlueWalker-3試驗衛(wèi)星配備的天線

　　Lynk Global公司發(fā)起的Lynk低軌衛(wèi)星星座項目計劃通過5 000多顆低軌（LEO）衛(wèi)星為現(xiàn)有手機終端提供直連衛(wèi)星通信服務，無須用戶購買額外的附件。2020年2月，Lynk Global通過試驗衛(wèi)星實現(xiàn)了“使用在軌衛(wèi)星向地面標準手機發(fā)送了世界上第一條短信”。同年 9月Lynk Global公司獲得由FCC頒布的衛(wèi)星到手機通信商業(yè)許可。

　　SpaceX 公司擬基于星鏈（Starlink）星座提供手機直連衛(wèi)星業(yè)務。為支持手機直連衛(wèi)星業(yè)務，SpaceX 使用Starlink V2衛(wèi)星在搭載Ku及Ka頻段通信載荷、星間激光鏈路的基礎上，增加一個用于手機直連的面積為 25 m2的陣列天線。Starlink V2衛(wèi)星的天線單元具有大孔徑、高增益、窄波束的特點，可以實現(xiàn)對指定區(qū)域的精準覆蓋，但是單副天線月，SpaceX 發(fā)射了首批 6 顆支持手機直連衛(wèi)星的Starlink V2 Mini衛(wèi)星，用未經(jīng)改造的手機測試通信速率約達到17 Mbit/s。

　　Omnispace 公司致力于建立一個衛(wèi)星星座，使各種移動智能設備能夠在蜂窩網(wǎng)絡和衛(wèi)星網(wǎng)絡之間漫游，相關技術遵循 3GPP NTN 標準規(guī)范。為此，其從ICOGlobal購買了ICO-F2衛(wèi)星和2 GHz S頻段的頻譜許可。2023年2月，Omnispace和Ligado Networks聯(lián)手創(chuàng)建最大的許可衛(wèi)星頻譜組合，用于全球直接到設備的語音、文本和數(shù)據(jù)連接，擴展了Omnispace公司在L頻段的通信許可。

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　　2023年9月，中國移動攜手中興通訊和是德科技完成國內首次運營商NR-NTN LEO衛(wèi)星寬帶業(yè)務實驗室驗證。2024年2月，中國移動發(fā)射了搭載星載基站的衛(wèi)星中國移動 01 星，將在現(xiàn)實條件下進行基于星上再生模式的手機直連 LEO 衛(wèi)星技術測試，該基站載荷基于 3GPP R17 NR-NTN標準。

　　從以上國內外發(fā)展現(xiàn)狀可以看出，我國目前主要發(fā)展的是基于高軌衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星技術，這得益于我國天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)儲備的技術基礎，可以快速實現(xiàn)業(yè)務的推廣應用。近些年國外則更傾向于發(fā)展基于中軌（MEO）和LEO衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)，以提供更高速率的網(wǎng)絡體驗，該技術路線目前挑戰(zhàn)巨大，短時間內難以實現(xiàn)業(yè)務的推廣應用。我國在基于NGSO衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星技術方面仍處于初步探索階段。

　　空間段包括同步軌道或非同步軌道衛(wèi)星，其中同步軌道衛(wèi)星一般僅需要配置較少數(shù)量，而非同步軌道衛(wèi)星則由多層不同軌道高度和傾角的衛(wèi)星構成規(guī)模龐大的衛(wèi)星星座。衛(wèi)星可采用透明載荷轉發(fā)或者星上處理后轉發(fā)的模式，星間采用微波鏈路或者激光鏈路轉發(fā)數(shù)據(jù)，擴展用戶的通信范圍。

　　用戶段主要是指用戶終端設備，通常需要與所連接衛(wèi)星系統(tǒng)適配，包括各種經(jīng)過專門改造的手機終端和普通手機終端。

　　地面段包括測控站、運維管理中心、數(shù)據(jù)中心、地面基站設備以及連接核心網(wǎng)的設備。測控站和運維管理中心負責衛(wèi)星網(wǎng)絡、星座、數(shù)據(jù)、運營等的管理；信關站、地面基站設備以及連接核心網(wǎng)的設備負責數(shù)據(jù)的接入并連接核心網(wǎng)。

　　當前從使用衛(wèi)星的角度來看，手機直連衛(wèi)星可分為基于GSO衛(wèi)星和基于NGSO衛(wèi)星兩種技術路線?；贕SO衛(wèi)星的技術路線源于衛(wèi)星移動通信，技術相對比較成熟，只需要克服少量的困難便可快速實現(xiàn)業(yè)務拓展、擴大用戶群體。基于NGSO衛(wèi)星的技術路線相對而言面臨更多的技術挑戰(zhàn)。下面將從空口側、衛(wèi)星側、網(wǎng)絡側和終端側4個方面，結合GSO和NGSO技術路線的特點分析手機直連衛(wèi)星相關技術挑戰(zhàn)，具體見表2。

　　手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)空口側主要面臨信道特性復雜、誤碼率高和星地精準同步的挑戰(zhàn)?；?LEO 衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)在信道特性和星地同步方面面臨更大的挑戰(zhàn)。

　　星地信道面臨大尺度衰落和小尺度衰落兩種不同的衰落特性。大尺度衰落以大氣吸收、雨衰和地物損耗為代表，小尺度衰落以多普勒頻移、多徑傳播、閃爍效應為代表。衛(wèi)星信號的傳播會受到降雨、云霧、大氣以及手機終端附近的植被或建筑物等多種因素的影響，一方面造成了信道衰減的增加，另一方面也使得其信道特性更加復雜。此外，衛(wèi)星信號質量變化相對較快，這對信號的傳輸和處理帶來了巨大的挑戰(zhàn)，進而影響星地無線通信系統(tǒng)的性能。

　　傳統(tǒng)手機終端與地面基站距離近，終端的移動性是產(chǎn)生多普勒頻移的主要因素，因此多普勒頻移較小。同理，GSO衛(wèi)星動態(tài)性小，多普勒頻移影響也相對較小[17]。由于NGSO衛(wèi)星相對地面高速運動，引起的多普勒頻移達幾十kHz至MHz級別，因此，手機終端與NGSO衛(wèi)星網(wǎng)絡之間的頻率同步存在較大的困難，尤其是與LEO衛(wèi)星之間。假設衛(wèi)星工作在 2 GHz 頻段，在距離地面500 km處以約7.6 km/h的速度運動，則衛(wèi)星運動引起的多普勒頻移近48 kHz，遠超現(xiàn)有5G通信技術體制的適應范圍[18-19]。

　　在頻率使用方面，當前基于 GSO 衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星一般使用移動衛(wèi)星服務（MSS）頻段?；?LEO 衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星，有采用傳統(tǒng)移動衛(wèi)星服務頻段的方案，也有采用地面移動運營商通信頻段的方案。采用地面移動通信的頻段，不符合國際電信聯(lián)盟現(xiàn)行規(guī)則[20]。采用這種頻率使用方案，首先，因地面移動通信與手機直連LEO衛(wèi)星采用相同的頻段，如何避免對頻段內原有合法用戶的有害干擾，該方面的研究較為薄弱；其次，缺乏國際電信聯(lián)盟統(tǒng)一的頻率劃分和保護，手機直連衛(wèi)星之間頻率沖突現(xiàn)象突出，頻率兼容和頻譜共享難度大。當前國際電信聯(lián)盟已經(jīng)就手機直連衛(wèi)星業(yè)務可使用的頻譜問題開展了研究[21]。

　　由于兩個方案的星地鏈路距離的巨大差異，在通信時延方面二者也呈現(xiàn)出明顯的區(qū)別?；?GSO 衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星方案由于星地距離較遠，星地通信時延也相對較高，終端-衛(wèi)星-終端通信時延約為270 ms[22]。基于LEO衛(wèi)星的時延通常在50 ms以內，如OneWeb星座通信時延約為30 ms，Starlink的通信時延不大于20 ms[6]。

　　當前基于 GSO 衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星技術主要用于滿足語音和短消息的需求，相比NGSO衛(wèi)星實現(xiàn)更高速率通信的代價更大，費效比低。典型代表有Thuraya衛(wèi)星系統(tǒng)、海事衛(wèi)星通信系統(tǒng)、天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)等。由于星地超大鏈路損耗，在衛(wèi)星天線和功率受限的條件下，手機直連衛(wèi)星通信速率為kbit/s級別。如天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)的外置天線專用衛(wèi)星手機終端通信速率一般為1.2 kbit/s、2.4 kbit/s、4.0 kbit/s，滿足該通信速率要求的星載大天線設計相對較為成熟。與基于 GSO 的衛(wèi)星相比， NGSO 衛(wèi)星星座由于可以多顆衛(wèi)星同時為多個用戶提供服務，并且NGSO衛(wèi)星距離用戶終端更近，鏈路損耗相對較小，在天線能力和功耗同等的條件下能提供更高的通信速率。因此基于NGSO衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星技術未來主要用于滿足寬帶通信業(yè)務的需求。當前NGSO衛(wèi)星平臺承載能力相對較弱，在手機終端能力受限的條件下，存在鏈路預算不足的問題[23]，必須極大幅度地提高衛(wèi)星載荷的發(fā)射和接收能力[24]。這意味著必須增大天線尺寸和波束數(shù)量。這將帶來以下挑戰(zhàn)：一是天線尺寸增大帶來功耗和重量劇增的挑戰(zhàn)，需要輕量化、低損耗、高集成的星載射頻前端；二是對于超大規(guī)模的陣列，模擬波束網(wǎng)絡非常復雜，特別是在多波束應用中，隨著波束數(shù)量的上升，網(wǎng)絡復雜度急劇增加，大口徑相控陣的模擬波束成形網(wǎng)絡實現(xiàn)難度非常大。

　　手機直連衛(wèi)星網(wǎng)絡側涉及地面電信運營商通信網(wǎng)絡和衛(wèi)星運營商通信網(wǎng)絡。由于前期地面電信運營商與衛(wèi)星運營商獨立發(fā)展，二者分別建立的通信網(wǎng)絡系統(tǒng)在網(wǎng)絡結構、標準體制、特征參數(shù)等方面存在較大差異，因此需要在網(wǎng)絡認證鑒權、業(yè)務漫游等方面進行新的適配研究。除上述地面電信運營商和衛(wèi)星運營商獨立發(fā)展通信網(wǎng)絡，通過網(wǎng)絡側技術融合互聯(lián)的手機直連衛(wèi)星方式外，還存在基于3GPP NTN標準星地共同演進建設，以及在衛(wèi)星網(wǎng)絡中使用現(xiàn)有地面網(wǎng)絡技術的方式。當前3GPP NTN標準規(guī)范仍在進一步研究中，而衛(wèi)星側采用地面網(wǎng)絡的方式的性能仍需進一步測試驗證。不管是針對哪種方式，如果衛(wèi)星不能星間組網(wǎng)，在全球部署時都需要部署大量的信關站，部署和運營成本將急劇增加。

　　基于GSO衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)終端側主要面臨手機終端小型化與鏈路預算不足的挑戰(zhàn)。GSO衛(wèi)星和NGSO衛(wèi)星由于星地距離相差巨大，星地空間自由損失也相差很大。在通信信號頻率為2 GHz時，GSO衛(wèi)星到地面的信號損失高達189.54 dB，而LEO衛(wèi)星（以軌道高度500 km計算）到地面的信號損失約為152.45 dB，鏈路損耗差約37 dB。在使用超大星載天線后，基于NGSO衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)終端側可采用消費者現(xiàn)有普通手機終端，終端側基本不涉及重大技術挑戰(zhàn)。消費者使用的普通手機連接地面基站，信號的傳輸距離一般是幾千米，考慮到電磁和輻射標準、功耗、內部空間大小等因素，內置天線功率并不高；若與 GSO 衛(wèi)星直連，信號需傳輸數(shù)萬千米，鏈路損耗較大，需考慮在手機內置大功率天線。若基于現(xiàn)有衛(wèi)星并改造手機終端實現(xiàn)手機直連衛(wèi)星，需要在手機終端內置衛(wèi)星通信專用模塊。如何在有限的空間內將基帶、射頻處理、功率放大器、濾波器以及衛(wèi)星模塊高密度集成并降低功耗、增加散熱，將是在手機終端小型化中面臨的挑戰(zhàn)。

　　針對手機直連衛(wèi)星存在的技術挑戰(zhàn)，下面將從空口側、衛(wèi)星側、網(wǎng)絡側、終端側4個方面分別對相應的關鍵技術進行分析。

　　針對星地信道特性復雜、傳輸誤碼率高的挑戰(zhàn)，可考慮采用混合自動重傳請求（Hybrid Automatic Repeat Request, HARQ）技術提高無線通信系統(tǒng)性能。HARQ結合了自動重傳請求（ARQ）和前向糾錯（Forward Error Correction, FEC）兩種技術，在增強數(shù)據(jù)傳輸可靠性、提高系統(tǒng)吞吐量的同時降低通信時延。然而，在手機直連衛(wèi)星技術的應用背景下，星地鏈路具有更高的傳輸時延，這增加了HARQ機制的復雜性，可以考慮以下解決方案。

　　（1）優(yōu)化HARQ的重傳策略，使其能夠有效處理高時延的情況。例如，可以根據(jù)信道質量的變化情況自適應調整重傳次數(shù)，在信道質量較好時減少重傳次數(shù)，在信道條件較差時增加重傳次數(shù)。

　　（3）混合使用ARQ和FEC技術，在傳輸過程中先嘗試通過FEC進行糾錯，如果失敗再進行ARQ重傳。

　　首先利用主同步信號（Primary Synchronization Signal, PSS）序列的時頻特性，在本地生成 2N+1 組帶有整數(shù)倍頻偏的PSS時域序列組，每組包含3個不同索引號的PSS時域序列，將所有這些PSS序列分別與接收到的信號進行滑動互相關，估算出PSS序列的起始位置，并且判斷出最大相關峰值所對應的本地PSS序列索引號，確定扇區(qū)ID。所設計算法檢測度量函數(shù)如下

　　其中，r(n)為接收信號，為本地PSS序列，idx為扇區(qū) ID 值，icfo為整數(shù)倍頻偏值，L 表示單個子幀內PSS的采樣點長度。通過接收序列與2N+1個本地PSS副本組進行滑動相關，當最大相關峰值大于預設判決門限時，得到最大的相關峰值所對應的位置偏移d作為接收到時域數(shù)據(jù)的定時點，相關性最大的本地PSS序列所對應的扇區(qū)ID值和整數(shù)倍頻偏值即為接收序列的扇區(qū)ID值和整數(shù)倍頻偏值。

　　PSS定時偏移估計以及整數(shù)倍頻偏估計完成后，利用時域的本地 PSS 序列共軛點乘接收到的時域 PSS 符號，再分成兩部分分別求和，最后估計頻偏大小

　　其中，為第i副天線接收到的PSS序列，為本地生成的PSS序列共軛，N為正交頻分復用（OFDM）符號FFT樣點長度。如果接收為2副天線，相關運算結果合并為C=C1+C2 ，也可以多個 PSS 信號聯(lián)合估計，由此計算歸一化小數(shù)倍頻偏，從而實現(xiàn)初始同步。

　　在星載天線波束成形中采用數(shù)字波束成形。采用數(shù)字器件，在單元/子陣上對信號數(shù)字化，波束的幅度與相位控制在數(shù)字域實現(xiàn)。數(shù)字波束成形可采用天線本地成形方式，信號通過光纖與艙內基帶處理器相連，基帶處理器從頂層對全陣多副子天線的波束掃描控制、信號路由進行調度，每副子天線可以在獨立掃描、波束匯聚、蜂窩模式、重構窄波束之間切換使用。除了天線本地的波束成形外，通過光纖互聯(lián)到基帶處理器的信號，還可以選擇若干副相鄰的子天線，乃至全部天線進一步合成，合成以后等同于采用更大口徑、更高增益的天線，該合成可在基帶處理器上實現(xiàn)。為了提高星地鏈路預算，可以考慮采用分布式天線陣列，由多顆衛(wèi)星的天線陣波形疊加，實現(xiàn)分布式波束成形。

　　傳統(tǒng)手機基站由天線、遠端射頻模塊（Remote Radio Unit, RRU）、光纖、基帶處理單元（Base Band Unit, BBU）、機房等部分組成。其中5G基站中，BBU的非實時部分被分離出來，定義為集中式單元（Centralized Unit, CU），負責處理非實時協(xié)議和服務，BBU 的其他部分作為分布式單元（Distributed Unit, DU），負責處理物理層協(xié)議和實時服務。BBU的部分物理層處理功能與原RRU及無源天線合并為大規(guī)模有源天線單元（Active Antenna Unit, AAU）。

　　手機直連衛(wèi)星技術可以考慮將基站部署到衛(wèi)星上，實現(xiàn)直連衛(wèi)星用戶和地面基站用戶接入同一個網(wǎng)絡，減少網(wǎng)絡時延?？梢钥紤]將實時性要求高的業(yè)務接入和信令處理部分部署在衛(wèi)星載荷上，將網(wǎng)絡控制、資源配置部分放置在地面?zhèn)取Ｈ鐚?G基站的DU等部分部署在衛(wèi)星載荷上，將 CU、AAU 部分部署在地面?zhèn)?。輕量化的載荷可以降低制造和發(fā)射成本，便于手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)的快速推廣應用。

　　一是星地網(wǎng)絡融合：實現(xiàn)衛(wèi)星核心網(wǎng)絡與地面移動網(wǎng)絡國際信令節(jié)點鏈路直通。在 No.7 信令國際網(wǎng)間結算（iSTP）節(jié)點及其網(wǎng)關側，優(yōu)化和配置衛(wèi)星核心網(wǎng)媒體網(wǎng)關（Media Gateway, MGW）的信令代碼、移動交換中心/拜訪位置寄存器（MSC/VLR）的GT（Global Title）碼，確保漫游用戶在被叫場景下正確地路由和尋址。

　　二是信令轉換：衛(wèi)星通信系統(tǒng)和地面移動通信系統(tǒng)可能在信令方面存在區(qū)別，需要開展信令轉換技術研究。例如衛(wèi)星側采用 3G 寬帶碼分多址接入（Wideband Code Division Multiple Access, WCDMA）移動應用部分（Mobile Application Part, MAP）信令協(xié)議，而地面移動通信網(wǎng)絡采用 C-MAP 信令協(xié)議。此時需研究基于 GC 網(wǎng)關實現(xiàn)G-MAP/C-MAP協(xié)議轉換，確保異構網(wǎng)絡控制信息正確地翻譯握手。

　　三是業(yè)務信令優(yōu)化：優(yōu)化手機終端的SIM（eSIM）卡識別流程、入網(wǎng)鑒權流程以及通信業(yè)務信令流程。最終實現(xiàn)地面移動網(wǎng)絡用戶以漫游形式駐留衛(wèi)星網(wǎng)絡，發(fā)起和接收衛(wèi)星語音、短信業(yè)務。

　　在傳統(tǒng)漫游組網(wǎng)方式下，存在漫入網(wǎng)絡服務商不能自主掌控漫游用戶和運營數(shù)據(jù)的問題，因此需要研究衛(wèi)星網(wǎng)絡二次鑒權認證技術，實現(xiàn)對來自地面移動網(wǎng)絡用戶衛(wèi)星業(yè)務訂購權限的管控。通過在衛(wèi)星核心網(wǎng)增加用戶歸屬方漫游碼號權限表，記錄用戶歸屬方碼號、用戶ID（來源于用戶歸屬方用戶關系管理系統(tǒng)）和業(yè)務權限（語音、短信），并以此數(shù)據(jù)為基礎實現(xiàn)漫游業(yè)務二次鑒權。

　　星地融合的電路域 IP多媒體子系統(tǒng)（IMS）語音解決方案主要是通過制定新的IMS應用協(xié)議棧，實現(xiàn)衛(wèi)星移動通信網(wǎng)絡與全IP化地面移動通信網(wǎng)絡的協(xié)議轉換、信令互通和媒體流互通，完成衛(wèi)星與地面網(wǎng)絡用戶的互聯(lián)互通。

　　由于手機的輕薄化設計需求，手機內部各組件高度緊湊、集成化，新增衛(wèi)星天線將使得手機內部空間更加緊張，因此考慮天線共形設計，甚至天線與手機邊框結構共形。在設計天線時，極化損耗也是必須考慮的因素。極化損耗一般發(fā)生在收發(fā)信號極化不匹配的情況下，如當線性極化天線接收圓極化天線信號時，會發(fā)生極化損耗。由于圓極化波可以有效減少雨霧天氣對電磁波傳輸?shù)挠绊?，因此衛(wèi)星通信常用的是圓極化波，而地面移動通信手機天線采用線性極化方式。當線性極化天線接收圓極化天線%的信號功率會因為極化損耗而無法傳遞到接收天線。該損失在手機終端這種小型化、能量受限、功率受限的應用背景下必須克服。因此，提出一種雙線性極化天線定向擬合圓極化技術。該技術采用一個3 dB電橋耦合器對內嵌于手機的兩個正交雙頻線性極化天線饋電，同時在高頻段和低頻段形成兩個等幅相位正交的激勵，實現(xiàn)多天線圓極化定向擬合，仿線所示。

　　手機終端內部板載元器件布局緊湊，增加衛(wèi)星通信模塊勢必也會增加空間的大幅度占用。因此需通過改進工藝制程，將多個模塊集成到一個SoC上。具體而言，包括如下技術：一是通過提高工藝制程，將基帶、射頻、存儲等集成到一個SoC上，解決芯片小型化問題；二是采用微控制單元+數(shù)字信號處理器+專用集成電路（MCU+DSP+ ASIC）的低功耗可重構SoC架構，解決軟件可重構問題。

　　由于手機終端的高度集成，為了避免在使用過程中器件發(fā)熱累積而導致性能下降，影響用戶體驗，甚至損壞硬件，散熱設計也成為一個必須重點考慮的問題。考慮使用更加先進、高效、穩(wěn)定的均熱板（Vapor Chamber, VC）液冷散熱技術，其散熱原理如圖5所示。相較于傳統(tǒng)的散熱方式，VC 液冷散熱技術具有更高的散熱效率和更快的響應速度。具體解決思路如下。

　?。?）手機散熱分析：采用紅外測溫和溫度傳感器相結合的方式，對手機終端在高負載工作情況下的溫度分布進行測量和分析，確定實際散熱需求和優(yōu)化效果。

　?。?）散熱材料研究：研究和開發(fā)適合 VC 液冷的材料，提高到熱效率和散熱效果，確保手機終端長時間穩(wěn)定工作。

　　手機直連衛(wèi)星作為未來天地一體化融合的典型場景和技術手段，得到了國內外廣泛的關注，新的研究和實踐不斷出現(xiàn)。本文針對基于不同軌道衛(wèi)星的手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)進行研究，總結了手機直連衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)展現(xiàn)狀，分析了空口側、衛(wèi)星側、網(wǎng)絡側和終端側面臨的技術挑戰(zhàn)，提出了相應的關鍵技術及解決方案，為未來手機直連衛(wèi)星技術的發(fā)展提供了技術支撐。需要注意的是，盡管手機直連衛(wèi)星技術發(fā)展火熱且具有廣闊的應用前景，但其并不能取代地面移動通信的地位，而僅是作為地面移動通信的有效補充，以實現(xiàn)通信廣域覆蓋、解決網(wǎng)絡覆蓋匱乏區(qū)域的通信難題。此外，鑒于當前階段手機直連衛(wèi)星在技術上仍面臨諸多巨大挑戰(zhàn)，全面商業(yè)化還有一定的距離，產(chǎn)業(yè)鏈上各廠商和科研院所需要逐步推進相關的研究工作，加大相關技術創(chuàng)新，以推動手機直連衛(wèi)星通信的大規(guī)模應用。