手机直连卫星背后的关键技术有哪些

中国信科陈山枝等在《6G 星地融合移动通信关键技术》中提到手机直连卫星的进展：

苹果公司(Apple) 基于Globalstar 卫星, 于2022 年实现双向短消息发送功能;

AST Space Mobile 联合AT&T, 于2023 年4 月完成了天基双向通话；

中国信科2023 年6 月发布基于5G NTN 透明转发的高低轨一体化系统及星地融合宽带业务验证;

华为公司2023 年8 月发布基于高轨卫星实现双向短消息和语音功能的智能手机Mate 60 Pro;

中国移动2023 年9 月完成NR NTN 低轨卫星模拟验证, 支持手机直连卫星宽带业务;

星链(Starlink) 2024 年1 月通过美国T-mobile 网络发送和接收了短信。

更进一步，在今年的8月6日、10月15日，我国低轨卫星互联网星座“千帆星座”先后以“一箭18”的方式成功发射第一、二批组网卫星，目前在轨36颗卫星，按计划进行在轨测试任务。

“手机直连卫星”是近两年来的技术热点，国内外相关厂商已在进行设备研制。从工程技术角度讲，面对巨型星座组网及与地面设备流畅的通信，依然存在不小挑战。

当前，5G-NTN体制的手机直连卫星方案初步按照3GPP R17/18协议进行，部分厂家已进行地面模拟验证及试验星在轨验证阶段。

那么，这其中到底有哪些关键技术，以及如何确保卫星上天后，终端能够稳定接入卫星并进行通信，这是工程师们十分关心的问题。

在2023年的MATLAB用户大会上，恩艾（NI）分享了他们的观点。

要使得5G协议适用于低轨卫星系统，显然需要针对卫星信道特点和高速移动带来的多普勒频移等问题进行适配修改。

手机直连卫星的价值在于，与地面通信网络实现互补，确保在关键时刻不失联。

技术演进的过程预计持续3~5年，包括通信协议、应用终端、业务类型等多个方面。

在技术研发过程中，一个不得不面对的现实是：如何完成地面系统验证？显而易见的是卫星信道只能依赖于信道模拟器完成，发射机+信道模拟器+接收机，组成一套验证系统。

NI公司显然也看了这样的商机，提出了基于SDR的原型验证系统。对于设备商而言，只有通过自己的设备，借助信号源、频谱仪、信道模拟器、GNSS模拟器等，完成系统验证。

系统网络级的验证显然十分重要，星地超宽带信道模拟器可用于模拟星地之间的通信信道。

目前市场上的信道模拟器一般价格不菲，是德科技、坤恒顺维等企业已研发出多通道、大带宽、多频段的信道模拟器。

要想把地面5G NR的通信协议搬上卫星，并不能一蹴而就，需要对上、下行的同步、接入等进行技术增强。

NI分享了搭建的简易NTN原型验证系统，NTN用户终端+信道模拟器+卫星gNB。

毫无疑问，对于卫星通信系统而言，天线技术将扮演重要角色。当前，相控阵天线技术日趋成熟，不管是载荷还是地面终端，相控阵的波束跟踪能力至关重要。

“波束赋形”技术在此刻更体现其重要性，成百上千的阵元如何调控才能完美实现精确的波束指向和跟踪，是业界关心的重要问题。

射频天线固然重要，同样对于基带波形而言，NTN也并不简单。从5G 的NR协议就可知道，面对各个信道的物理层实现，需要众多研发工程师投入，整个系统的实现，需要上百人的投入。

在物理层中，我们经常会遇到slot调度等，需要配合高层协议栈，完成基带信号的收发。

星地同步技术极为重要，我们需要在预定时间内完成波形的收发。例如在接入过程中，我们经常会遇到TA的计算。此外，整个系统的时间同步方案将决定能否实现业务灌通。

面对复杂的卫星通信系统，动态轨道环境下，能否准确计算TA和多普勒频移补偿值，将决定是否能够正常入网和业务操作。

总结下来，手机直连卫星的关键技术：

巨型星座组网技术

端到端地面原型验证技术

相控阵波束扫描跟踪技术

星地同步技术

多普勒频移补偿技术

面对未来的通信需求，我们通信人还要继续贡献力量，接力实现全人类“永不失联”。

参考： 1.MATLAB EXPO，5G NTN与“手机直连卫星”快速原型 2.5GNTNTechnologies, Standards, and System Design ---<完>--- 更多关于5G、卫星通信、FPGA、数字IC、通信算法等内容，可关注微信公众号【FPGA算法工程师】