手機直連衛星，技術不難但商業化不易

劉艷

近日，一則報道再次推高了坊間對手機直連衛星的關注度。據參考消息，愛立信正在研發一種新的通信手段：在地球任意地點，無須大型地面設備或地面基站中轉，僅憑一部智能手機就能與人造衛星實現數據交換。預計這種新的通信方式將于2025年實現商用，到2050年有望實現與目前5G規格相當的通信速度。

早在20世紀90年代，相關機構就在設想“無處不在”的通信網絡，一眾研發機構及商業公司為此目標前赴后繼。從2017年到2022年，3GPP等機構大力開展并推動基于5G的衛星通信探索。4月25日，美國衛星通信初創公司AST SpaceMobile宣布打通了全球首個天基蜂窩語音通話。隨著3GPP將衛星網絡劃入非地面網絡（NTN）并開展研究與標準化工作，星地融合序幕徐徐拉開。

技術與商業模式需要平衡

近期，能“上星”的高端手機一直吸引著人們的高度關注，衛星與手機的連接或許不難，但走向商用卻并不容易，利用低軌道通信衛星實現全球無死角移動通信的夢想很豐滿，但現實卻是骨感的。

1997～1998年，美國銥星衛星通信公司（以下簡稱銥星公司）委托摩托羅拉公司設計了一套全球衛星移動通信系統，由于72顆（其中6顆為備用星）人造衛星的排布就像銥原子核外電子分布，因此該系統被稱為銥星。

作為商業化低軌道衛星的鼻祖，銥星基本不依賴地面設施即可實現全球覆蓋。但是，這個全球最具創造力的系統，卻于2000年3月隨著銥星公司宣布破產而中場落幕。

回憶這段往事，中國信息通信科技集團有限公司副總經理陳山枝分外感慨：“20世紀90年代，幾乎同期出現的銥星系統（低軌道衛星通信）和地面蜂窩移動通信（GSM）彼此競爭，但銥星卻因為巨額的研發和系統建設費用導致公司申請破產，而地面蜂窩移動通信因為用戶基數大、成本優勢明顯，從2G一路發展到5G，商業化之路十分成功。”

客觀地說，當時銥星已突破了星間鏈路等關鍵技術問題，系統基本結構與規程初步建成，并開始提供包括移動電話、尋呼和數據傳輸等主要業務。從這個角度看，銥星成功了。但是，計劃總投資23億美元的銥星，到1998年組網完成時，實際耗資50多億美元，巨額的成本讓銥星公司破產時背負了40多億美元債務，但當時的客戶卻只有兩萬多家（據測算約100萬用戶才能實現盈利）。

不僅實際耗資遠超投資預算，價格不菲的銥星因產品質量和服務未能滿足客戶需求，在市場上也遭受到了冷遇。尤為值得關注的是，摩托羅拉啟動銥星建設時，絕大部分城市、近郊農村、交通干線、旅游勝地等人口密集的區域已被地面網絡覆蓋，摩托羅拉“人們愿意為一個號碼通全球而付出一點高價”的想法過于一廂情愿，導致初代銥星最終化為現代通信的一個里程碑。

“技術先進，價格不會成為障礙”，雖然這一觀點始終有市場賣點，但銥星留下的前車之鑒，是理念超前、技術先進難敵市場需求，技術與商業模式始終需要一個平衡點，這從銥星重組后轉向行業應用而涅槃重生可見一斑。

搭建5G非地面網絡

理想始終不會泯滅，愛立信計劃將5G帶出地球。

2022年7月，愛立信宣布，與法國泰雷茲、美國高通各自開展包括多重研究與仿真模擬的細致研究，三方計劃對5G非地面網絡進行以智能手機為重點的測試與驗證。

這意味著未來5G智能手機可以在地球上任何地方使用5G連接，同時寬帶數據服務實現完整的全球覆蓋，那些通常只能被數據連接能力有限的傳統衛星電話系統覆蓋的區域也在其中。

正如愛立信高級副總裁兼首席技術官艾瑞克所言，愛立信、泰雷茲和高通合作開展的這一測試和驗證將成為通信史上的一座重要里程碑，其最終結果可能會表明無論是在海洋中央還是在最偏遠的森林，用戶都可以在地球上的任何地方通過聯合搭建的5G衛星與地面連接，獲得高端、安全和經濟的通信服務。

此次測試的目標是驗證實現5G非地面網絡所需的各種技術組件，包括5G智能手機、衛星有效載荷和地面5G網絡部件，以及智能手機的外形尺寸是否可以支持5G非地面網絡，從而使未來的5G智能手機成功轉變為衛星手機。

愛立信將驗證一個5G虛擬RAN（vRAN）堆棧，該堆棧為了處理通過低地球軌道衛星傳播的無線電信號而經過了專門修改（模擬5G無線電波在太空真空和地球大氣層中的傳播情況），泰雷茲將驗證適合在低地球軌道衛星上部署的5G無線衛星有效載荷，高通則提供用于驗證未來5G智能手機是否可以接入5G非地面網絡的測試手機。

艾瑞克補充道，現在討論何時能夠將此次合作所產生的5G原型衛星發射到軌道上并投入使用還為時過早，但愛立信、泰雷茲和高通計劃進行的這項具有高技術含量的地面測試和驗證工作是使之成為現實的關鍵。

用于通信的衛星將沿近地軌道運行，其與距地表約3.6萬公里的靜止衛星相比離地球更近，如果搭載在智能手機上的通信半導體的性能得到提高，即便不利用地面固定大型天線也能聯通衛星。

顯然，借助低軌道衛星建立5G連接將大大增強5G智能手機的漫游服務能力。

星地融合是未來主流方向

地面蜂窩移動通信一路發展到5G，用戶規模不斷擴大，商業化程度較高。相比之下，衛星通信的商業化程度與地面蜂窩移動通信系統顯然不在一個量級。

目前較為成熟的星鏈計劃，聚焦于通過其低軌道衛星為用戶直接提供通信服務，雖然是地面移動通信的一個補充，但并未考慮兩者之間的深度融合。

而已經得到了主流智能手機芯片和終端廠商支持的5G R17版本標準家族中的非地面網絡，其目的是將衛星通信等非地面網絡納入到移動通信的體系中，實現與地面移動通信的融合和共同商用，絕非地面移動通信網絡和衛星通信網絡“兩張皮”發展。

英國薩里大學教授孫智立表示，蜂窩移動通信一直面向地面用戶，直到全球覆蓋的需求對地面蜂窩移動通信提出了巨大的挑戰，衛星通信的優勢才顯示出來，從而成為5G以及未來6G技術不可或缺的一部分。

孫智立進一步指出：“為支持5G/6G在大連接、低時延、高可靠性方面的需求，衛星通信從高軌走向全軌（高中低軌）、從窄帶走向寬帶已是必然。從標準化和產業化角度看，地面通信和衛星通信這兩個產業生態的演進路徑將完美融合。”

華為則認為以蜂窩為主、衛星通信為輔，才能建立起覆蓋全球的、適合各種應用場景的網絡。但是，即便是構建起這樣一張通信網絡，仍存在一定的挑戰，華為6G首席科學家王俊在2023全球6G技術大會上曾指出，衛星直連手機具備可行性，但提升頻譜效率和運維管理是難點。

“高軌道衛星離地球遠，覆蓋面積大，但時延長；低軌道衛星離地球近，時延小，但覆蓋面積小。因此要用許多衛星形成星座來實現全球覆蓋。空間軌道和頻譜是稀缺資源，多種衛星相結合可以增加頻譜利用率，有效利用珍貴的頻譜資源。”孫智立進一步指出，能夠用于衛星通信的頻譜資源比較有限，同時衛星產生的波束遠大于地面無線網絡，使得頻譜的利用率遠不如地面無線網絡，這將直接影響通信的容量。

孫智立強調，在引入低軌道衛星網絡時，要做好衛星數量和覆蓋范圍的權衡。對衛星網絡進行動態管理可降低衛星網絡傳輸成本，有利于滿足網絡服務質量的要求。

王俊則特別指出：“現在低軌衛星每顆星基本上只有幾分鐘的服務時間，每幾分鐘就會發生一次大規模用戶切換。在大規模用戶管理和運營時，如何在星星和星地之間實現無縫切換，在未來很長一段時間內都是較大的挑戰。”