手机直连卫星技术发展综述

admin 2024年7月3日23:05:23评论8 views字数 7868阅读26分13秒阅读模式

摘要

为满足下一代移动通信空、天、地一体全球无缝覆盖,随时随地安全可靠人、机、物无限连接的需求,星地一体融合组网技术成为第 6 代移动通信技术(6th-Generation Mobile Communication Technology,6G)潜在关键技术之一。其中,如何实现手机直接通过卫星进行通信成为产、学、研界关注的焦点。探讨了手机直连卫星面临的挑战及不同模式,介绍了相关商业项目进展,总结了目前需关注的问题,并为我国手机直连卫星产业的发展提出了相关启示建议。

内容目录:

1 手机直连卫星模式

2 手机直连卫星项目进展

2.1 Lynk Global

2.2 AST&Science

2.3 SpaceX

2.4 中兴、中国电信、紫光展锐

3 手机直连卫星面临的难题

4 结  语

随着卫星互联网技术的飞速发展,继以星链系统为代表的 Wi-Fi 热点式卫星互联网模式之后,手机直连卫星的互联新模式也逐步成为各界的关注焦点 。传统通信卫星运营商、新兴通信卫星运营商、地面移动运营商、卫星制造商、手机厂商及大众用户均被这种可能改变未来卫星通信行业游戏规则的新场景所吸引。以美国 AST&Science、Lynk global、SpaceX 等公司为代表的新兴企业,争相在手机直连卫星领域布局 。

手机直连卫星互联新模式的出现受益于以下几个方面的因素。(1)技术方面。一是卫星发射技术的进步,包括一箭多星、火箭回收利用等颠覆技术的创新;二是卫星制造技术的进步,包括材料、电源、加工技术的进步;三是集成电路技术的进步,卫星的小型化、模块化、组件化,以及星上处理能力的增强;四是通信技术的进步,随着移动通信技术的代际演进,大规模天线、毫米波技术、波束赋形等的进步,地面蜂窝移动通信技术也可以应用到卫星上。(2)需求方面。随着行业应用和人类活动范围的拓展,卫星通信全球覆盖和空间覆盖的优势开始显现。至今,地面移动通信系统覆盖的人口已经超过 70%,但是受制于技术经济因素,只覆盖了 20% 的陆地面积,按地球表面积计算大概只有 6%。随着行业发展,航空、远洋、渔业、石油、环境监测、户外越野活动,还有国家战略和军事通信等,对通信系统的广域和空间覆盖方面的需求十分强劲。

据报道,美国国防部对手机直连卫星技术保持高度关注,因为这将使国防部能够为作战人员配备更小、更轻、功能更强、价格低廉的通信设备。其商业服务通信办公室(Commercial ServicesCommunications Office,CSCO)正在开展市场研究并寻求军事用户的反馈。

综上,超前布局手机直连卫星技术是顺应未来天地星地一体融合组网演进趋势的必然选择,后文先对手机直连卫星不同模式进行探讨,随后对相关商业项目进展进行详细介绍,最后总结手机直连卫星面临的挑战并给出未来展望。

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手机直连卫星模式

在传统手机—卫星通信应用中,手机和卫星之间没有建立直接连接,需要借助地面接收设备(俗称锅)实现间接通信。在这种方式下,地面接收设备与卫星之间利用卫星专用通信协议和 Ka/Ku 等卫星通信频段进行通信。地面接收设备接收卫星信号后,通过无线路由器转换成 Wi-Fi 信号,普通手机通过 Wi-Fi 接入上网,如图 1 所示。美国星链 V1.0系统、我国的亚太高通量卫星通信系统等目前采用的就是这种模式。

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图 1 传统手机与卫星通信模式

而在手机直连卫星应用中,手机需与卫星之间建立直接通信连接,实现模式主要有以下几种:

(1)专用手机直接连接模式。此模式通过定制化的专用卫星手持终端实现卫星通信。这种模式下,专用卫星手持终端使用卫星专用通信频段,通过卫星连接到信关站,再接入地面公共网络实现通信功能,如图 2 所示。专用卫星手持终端的天线较大,发射功率也比较高,价格也比较昂贵,通常应用在海事、应急救援等专用领域。采用此模式的有天通、铱星、GlobalStar Inmarsat 等。

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图 2 专用手机直接连接模式

(2)改进手机直接连接模式。此模式通过在普通手机中增加卫星通信芯片,实现手机与卫星及运营商基站双连接的能力,如图 3 所示,即不改卫星,改手机。这种模式下,地面移动通信和卫星通信相对独立,通过模式间的切换来实现与地面基站或卫星的通信。此类技术的优势在于利用现有通信星座和卫星通信协议,终端升级较快,难点在于天线及功放芯片的小型化和低功耗设计。目前,改手机模式已成功实现并正进行商业推广,但应用仍以应急消息为主,暂时不支持宽带数据业务。如华为 Mate50 采用北斗短报文通信射频基带一体化芯片,通过北斗三号短报文通信服务确保用户在极端情况下的通信。Mate60 依托天通一号卫星系统实现语音通话,是全球首款支持卫星通话的大众智能手机。苹果 iPhone14 利用高通 X65 基带芯片及定制射频芯片,通过全球星卫星通信服务发送求救信息,实现紧急求助功能。高通公司开发了一款名为 Snapdragon Satellite 的产品,可以添加到 Android智能手机和其他设备中,其通过 Iridium 卫星实现紧急 SOS 服务、短信服务(Short Message Service,SMS)和其他低带宽消息的应用。英国加固手机制造商 Bullitt 推出了其首款支持卫星的智能手机,通过与硅谷初创公司 Skylo 及 Inmarsat 等地球静止轨道(Geostationary Orbit, GEO)运营商的合作,该手机可以在蜂窝网络覆盖范围外发送和接收短信。

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图 3 改进手机直接连接模式

(3)通用手机直接连接模式。此模式基于3GPP 等现有标准移动通信协议,通过构建新的通信卫星星座,实现通用手机与卫星的直接通信功能,即不改手机,改卫星,如图 4 所示。这种模式可谓真正的手机直连卫星。在此场景下,普通手机不做改动,直连接入卫星,所有的技术问题都需要在卫星上实现解决,卫星可认为是置于太空中的移动基站。此类技术优势在于对终端改动小,存量手机就能够连接卫星,难点在于卫星需要配备高功率发射机、高增益天线及兼容 3GPP 标准的软件栈,制造、发射和运维成本很高,同时卫星使用地面移动通信频谱目前不被政策允许。

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图 4 通用手机直接连接模式

目前,该卫星模式取得一定突破,正逐步开展测试应用,主要利用低轨道卫星。例如美国初创公司 AST 与电话电报公司、日本乐天电信公司开展合作测试,使用未经改装的三星 GalaxyS22 智能手机进行了首次美日双向卫星语音通话。链客全球公司展示了向 1 000 部存量手机发送单向应急预警信息的能力,并发布了卫星与存量手机进行双向语音通信的测试视频。太空探索公司 SpaceX 正在与地面移动通信运营商合作,探索利用星链卫星连接运营商手机用户,实现卫星短信服务。

(4)未来天地融合通信标准模式。随着技术和需求的发展,未来建设天地融合通信系统基本形成共识。因此,3GPP、ITU 等组织一直在推动手机直连卫星的相关标准制定,基于下一代非地面网络(non—terrestrial networks,NTN)通信协议体制,设计新的通信芯片和终端,实现手机与卫星的直接通信功能,即改标准,如图 5 所示。2022 年 6 月,3GPP 宣 布 第 5 代 移 动 通 信 技 术(5th-GenerationMobile Communication Technology,5G)Release 17标准冻结。R17 引入的一项重要的全新特性就是NTN,采用统一的空中接口,通过卫星网络与地面网络协同,使终端具备同时接入卫星和地面无线网络的能力,实现网络全球立体无缝覆盖,包括透明传输和再生传输 2 种网络架构。这意味着未来遵循这一标准的终端设备将具备同时接入卫星和地面无线网络的能力。该模式的优势在于产业链支持度较高,难点在于需要开展协同组网、协议增强、终端兼容等关键技术攻关。

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图 5 未来天地融合通信标准模式

目前,Omnispace 公司采取这个技术路线,按照 3GPP 5G R17 中定义的 NTN 规范,运营其未来的卫星星座 。三星电子在 2023 年 2 月 23 日表示,已经获得了一种新的标准化 5G NTN 调制解调器,该调制解调器可以在没有蜂窝网络连接的地方直接进行智能手机卫星通信。三星计划将这款调制解调器集成到自己的 Exynos 芯片中,该芯片用于众多型号的三星智能手机,这将加速 5G 卫星通信的商业化,并为 6G 驱动的万物互联时代铺平道路。

由表 1 可知,手机直连卫星几种模式各有优劣,相互补充。随着 5G NTN 标准的不断完善、6G 技术的不断探索、芯片和终端技术的不断创新,星地融合通信将完成从卫星通信和地面移动通信的标准体制到卫星通信和地面移动通信的系统全面融合,为最终建成天、地一体融合通信网络赋能。

表 1  手机直连卫星 3 种模式对比

手机直连卫星技术发展综述

手机直连卫星项目进展

2.1 Lynk Global
美国 Lynk Global 公司(简称 Lynk 公司)成立于 2017 年,致力于从低地球轨道(Low Earth Orbit,LEO)利用地面网络频段为全球标准手机用户提供移动通信服务。2020 年初,Lynk 公司利用卫星测试平台向地面普通安卓手机发送一条文本消息,首次实现了地面普通手机直接连接卫星,使其成为历史上第 1 家在卫星基站和标准移动蜂窝设备之间成功建立双向连接的公司。该公司声称其采用了手机欺骗(类似伪基站)技术途径,当手机超出地面移动蜂窝网络信号覆盖范围时,将以漫游方式接入Lynk 公司的卫星进行通信。2022 年 2 月 8 日,Lynk公司在其第 5 颗试验卫星“香农”上成功建立了卫星与 6 000 台智能手机、平板电脑、物联网设备等的双向连接。同年 9 月 16 日,Lynk 公司获得联邦通信委员会(Federal Communications Commission,FCC)的批准,在全球运营其由 10 颗比萨盒形卫星组成的首个星座。截至 2023 年 2 月,Lynk 公司共成功发射了 3 颗商业卫星 Lynk Tower 1、2、3。在MWC23 期间,Lynk 展示了其向 1 000 部存量 3GPP手机发送单向应急预警信息的能力。

Lynk 公司宣称,已经与全球近 30 家运营商签订了合同,目前正在十几个国家测试其手机与卫星的通信能力。Lynk 公司的服务最初较多专注于短信类低数据速率服务业务,其最终计划是将星座扩展到 5 000 颗卫星的规模,从而为手机提供宽带互联网服务。

2.2 AST&Science

美 国 AST&Science( 简 称 AST) 公 司 成 立 于2017 年,该公司致力于建设可与智能手机直接通信以提供移动互联网接入服务的低轨道空间移动系统,基于地面网络频段为广大智能手机用户提供全球无缝的移动宽带网络。空间移动系统由 168 颗商业卫星组成 Blue Bird 星座,第 1 阶段计划发射20 颗商业卫星,完成对赤道区域的覆盖;第 2 阶段发射 45 颗商业卫星,完成对北美、欧洲和亚洲的覆盖;第 3 阶段发射 45 颗商业卫星,完成全球覆盖;第 4 阶段发射 58 颗商业卫星,实现更高的数据速率。

2019 年 4 月,AST 公司发射了第 1 颗 6U 立方体试验卫星 Blue Walker 1,以测试使用 LTE 协议来管理 LEO 轨道的通信延迟及多普勒效应影响。2022 年 9 月,AST 公司发射了 Blue Walker 3 试验卫星,并于 11 月中旬部署了大型相控阵天线,旨在测试卫星和未经修改的 LTE 和 5G 设备之间的实时地面、海上和空中的语音、视频和数据通信。Blue Walker 3 天线孔径约为 64 m2,是 LEO 轨道有史以来最大的商业相控阵天线。

2023 年 4 月 20 日,AST 公司与美国电话电报(简称 AT&T)公司和日本乐天电信公司合作,使用未经改装的三星 Galaxy S22 智能手机及其 Blue Walker3 测试卫星进行了首次语音通话。该公司拥有 FCC的测试许可证,可以使用蜂窝频率连接得克萨斯州和夏威夷的手机,然后在 Q 和 V 波段将流量引导回地面网关。然而,AST 公司仍需要获得监管许可,才能使用其 Blue Bird 星座提供商业通信服务。同年6 月,AST 公司在夏威夷使用多部日常使用的智能手机进行了 4G LTE 下载速度的测试。4G LTE 下载速度测试使用了 AT&T 频谱和诺基亚 RAN 技术,初始速度高达 10.3 Mbit/s,并对 AT&T 员工的语音通话进行了进一步测试。

AST 公司原计划在 2023 年底发射 Blue Bird 星座的首批 5 颗商业卫星——Blue Bird Block 1。Blue Bird Block 1 原计划重量 3 000 kg,相控阵天线将由 64 m2 增大至 400 m2,是名副其实的巨型相控阵天线。但由于制造过程的延误和成本超出预算,前5 颗商业卫星的发射已推迟到 2024 年第 2 季度,重量也被削减为与 Blue Walker 3 重量相当,约 1 500 kg。其余 20 颗 Block 2 卫星将于 2024 年晚些时候发射,其 比 Block 1 卫 星 大 50%。AST 公 司 表 示, 需 要Block 2 卫星才能覆盖最具商业吸引力的市场。

目前,AST 公司宣称已经与服务于超过 20 亿手机用户的移动网络运营商达成了合作协议。

2.3 SpaceX

2022 年 8 月 25 日,T-Mobile 与 Starlink 之间建立了合作伙伴关系,计划通过 Starlink 2.0 为手机提供直连卫星通信服务。Starlink 2.0 的性能是 V1.0 的10 倍,单星带宽可能高达 180 Gbit/s,长 7 m,重 1.25 t,相控阵天线达 25 m2(也有报道称有 32 m2)。现役最新的 V1.5 版,单颗重量 277 kg。Starlink 2.0 将在远离传统手机信号塔的地方当使用卫星为 T-Mobile用户提供蜂窝网络覆盖服务时,采用 PCS 频谱(即LTE band 2,1 900 MHz)。首批 6 颗支持直连手机功能的星链卫星于 2024 年 1 月 2 日发射,计划在2024 年测试卫星短信业务,2025 年推出语音和数据服务 。

2023 年 3 月 1 日,瑞士运营商 Salt 宣布将与Starlink 合作,为瑞士全境提供无处不在的增强通信服务,Starlink 卫星通信将兼容瑞士现有的存量手机和下一代手机系统,并于 2024 年开始服务,且该项服务将于 2025 年扩展到语音和数据服务。4 月 3 日, 新 西 兰 电 信 公 司 One NZ( 前 身 为Vodafone NZ)宣布与 SpaceX 签署合作协议,计划2024 年下半年为新西兰提供全域覆盖的通信网络,为新西兰人或公司提供安全的通信服务。

此外,还有很多其他公司正在利用已经批准用于移动卫星服务的频率开展卫星直接到设备的业务,例如 Ominspace、西班牙初创公司 Sateliot、空白空间公司等。

2.4 中兴、中国电信、紫光展锐

随着 5G NTN 标准的发布,国内紫光展锐等芯片厂商陆续发布支持 5G NTN 标准的芯片,中国电信、移动、Vivo、中国信科等也正在开展 5G NTN卫星通信的测试。2023 年 5 月,中国电信卫星公司携手紫光展锐、中兴通讯、佰才邦、vivo、鹏鹄物宇、移远通信等产业合作伙伴共同完成了 S 频段(n256 频段)5G NTN 技术上星和业务验证等工作,并实现了手机与卫星的直连通信。此外,中国移动研究院携手 OPPO、中兴通讯、是德科技等产业合作伙伴率先完成国内首款 5G 物联网(Internet of Things,IoT)NTN 手机直连卫星实验室验证,该试验手机支持双向语音对讲和文字消息。

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手机直连卫星面临的难题

尽管手机直连卫星目前有较好的发展前景,但其仍然面临着诸多难题 。主要挑战表现在以下几个方面。

(1)卫星信道和地面信道的传播特性不同,卫星通信传播距离远,信号传播功率耗大且传输时延大,给链路预算、时序关系和传输方案等方面带来挑战,例如,手机到地面基站只有几百米到公里级,而手机到卫星至少有几百公里甚至上万公里,时延过长会让手机认为基站距离太远从而断开与基站连接。此外,受限于手机的发射功率和天线增益,星上需要大口径高增益天线和高功率发射机才能保证双向通信。

(2)卫星高速的移动给时间同步跟踪性能、频率同步跟踪(多普勒效应)、移动性管理(频繁波束切换和星间切换)、调制解调性能等方面带来一系列挑战。目前,3GPP 标准 5G 能支持 500 km/h的终端移动速度;而低轨卫星离地面手机约 300~1 500 km,卫星相对地面的移动速度约 7.1~7.7 km/s,即 25 560~27 720 km/h,远超过目前 500 km/h 的速度限制。

(3)星地通信频率使用方面,受限于终端天线、链路预算以及 ITU 的限制规则,2 GHz 及以下频段是手机直连卫星的热点频段。但目前,只有少量频谱可用于卫星系统(移动卫星服务频率),大部分频率为地面移动通信使用,而目前政策不允许将地面移动频谱用于卫星通信。要实现手机直连卫星宽带通信,需要突破现有频率的管理规则。目前,相关机构也在积极推动频率管理规则的修订,美国联邦通信委员会 FCC 在 2023 年 3 月 17 日就手机移动卫星服务许可事宜提出了《单一网络的未来:太空补充覆盖(Single Network Future: Supplemental Coverage from Space)FCC23-22》的监管框架初步草案 ,允许卫星运营商与地面服务提供商的合作,灵活使用分配给地面服务的频谱运行天基系统,从而扩大地面服务服务商许可用户的手机信号覆盖范围,特别是在偏远、未得到服务和服务不足的地区。2024 年 3 月 14 日,FCC 一致投票通过其太空补充覆盖监管框架。

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结  语

手机直连卫星作为下一代移动通信的形态之一,已经逐渐成为业界共识。虽然目前各类手机直连卫星商业项目和有关联通测试取得了一定的进展,但当前的主要焦点仍为链路层面的连通性,其在通信速率、用户体验、覆盖范围等方面离最终实现商业化还有很大的提升空间,尤其是星地高效频谱共享、天地间信息网络统一组网协议、移动性管理、超大规模天线等诸多关键核心技术还有待进一步突破。在可预见的未来,手机直连卫星更适合作为地面移动通信系统的补充手段,为人口稀疏、基础设施不发达的地区提供补充覆盖。同时,卫星可以无须通过境内地面网络系统直接实现跨境通信,能够突破地面互联网信息安全监管。在我国境内的卫星通信终端可以通过轨道上的卫星星座,直接将数据信息传输到境外网关站进行落地,这对网络安全监管构成新的挑战,因此配套监管法律法规和产业政策体系有待进一步健全。

面对复杂的行业发展环境和激烈的外部竞争,一方面应该积极布局相关技术和产业,另一方面也要做好网络安全防范工作。一是要做好顶层规划和设计,出台国家层面的手机直连卫星发展指导性文件、配套监管法律法规和产业政策体系,指导产业界有序合规地加快基础设施及网络建设;二是要瞄准前瞻性、革命性的创新技术,加快手机直连卫星通信关键核心技术攻关,推动手机产业与低轨卫星通信产业的融合发展;三是要做好网络安全防范工作,需要将安全与网络融合,进行一体化设计,将网络安全内置于卫星网络之中,同时还应做好监测和防御,以防范网络攻击。

引用格式:吴流丽 , 廖建华 , 宋健 , 等 . 手机直连卫星技术发展综述 [J]. 通信技术 ,2024,57(5):429-435.
作者简介 >>>

吴流丽,女,博士,工程师,主要研究方向为无线网络安全、机器学习、光网络安全等;

廖建华,男,博士,正高级工程师,主要研究方向为内生安全、网络安全等;

宋  健,男,硕士,助理工程师,主要研究方向为大数据平台、机器学习、网络安全等;

王  平,男,博士,工程师,主要研究方向为知识图谱、网络安全等;

季  伟,男,博士,工程师,主要研究方向为移动通信、网络安全等;

余  川,男,博士,工程师,主要研究方向为移动通信、网络安全等。

选自《通信技术》2024年第5期(为便于排版,已省去原文参考文献)

手机直连卫星技术发展综述

原文始发于微信公众号(信息安全与通信保密杂志社):手机直连卫星技术发展综述

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  • 本文由 发表于 2024年7月3日23:05:23
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                   手机直连卫星技术发展综述http://cn-sec.com/archives/2915426.html

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