存量5G手機直連低軌衛星通信技術研究

孫曉南 周世東 侯利明 康紹莉

1 中信科移動通信技術股份有限公司 北京 100083

2 清華大學 北京 100084

引言

近年來，衛星通信以其覆蓋范圍廣、傳輸容量大、不受地形環境限制等特點受到越來越多的關注，成為5G(第五代移動通信)及未來6G(第六代移動通信)無線通信網絡的重要組成部分和潛在業務增長點。以StarLink和OneWeb為代表的低軌寬帶互聯網星座建設如火如荼，可為用戶提供寬帶衛星互聯網接入服務，其商業前景備受關注。國際標準化組織3GPP(第三代合作伙伴計劃)已經完成了5G標準化的R17版本，支持NTN(非地面網絡)場景的接入服務，包括透明轉發模式下的衛星通信服務[1-2]。2022年5月，ITU(國際電信聯盟)也發布了《IMT-2020衛星無線電接口愿景與需求報告書》，標志著5G衛星通信標準正式向全球征集候選技術方案，ITU計劃在2025年前對提交的候選技術進行評估，并完成5G衛星無線電接口的標準建議書[3]。與寬帶衛星互聯網應用相比，手機直連衛星模式以其受眾廣、終端便攜、市場潛力巨大等特點，自2022年開始成為新的研究熱點。國際上，以AST Space Mobile為代表的美國初創衛星公司積極開展手機直連衛星的技術試驗，SpaceX和T-mobile合作表示將部署能夠利用手機直接接入的衛星網絡，愛立信、泰雷茲、高通聯合聲明將共同研制5G NTN衛星系統，蘋果公司也表示iPhone14等產品將支持衛星通信。國內的衛星運營商、地面運營商、系統廠商、終端廠商等，均在積極關注手機直連衛星的需求與技術發展[4]。手機直連衛星是5G及未來6G網絡發展的一個重要方面，使得應用最廣泛的移動通信終端與覆蓋范圍最大的衛星網絡緊密結合，是增強終端能力與網絡覆蓋廣度的重要方法，是對傳統的依靠專用終端的、以話音及低速率業務為主的衛星移動通信的重新定義，是面向6G真正實現隨遇接入、無縫覆蓋的重要舉措。手機直連衛星系統的基本愿景為：地面移動網絡手機終端可以無感知地在地面移動網絡和衛星網絡間接入和切換，真正實現手機終端在全球范圍內的無縫覆蓋以及不間斷服務[4-7]。

手機直連衛星技術因為現有巨大的手機終端數量而備受業界的青睞。據統計，截至2023年初，全球活躍的移動終端接入數量超過55億，如此海量的手機終端規模使得存量手機直連衛星模式具有極大的商業潛力。因此，業內商業巨頭紛紛將目光投向手機直連衛星領域，手機直連衛星模式也呈現出了不同的技術特點，主要有3條技術路線，其一為基于傳統衛星通信技術的手機直連應用，基于傳統體制定制終端，比如iPhone14手機終端計劃通過GlobalStar衛星接入；其二為基于3GPP R17 NTN版本的手機直連[8]，需要未來新開發終端，比如泰勒斯、高通和愛立信聯合發表聲明的未來開發；其三為基于當前的存量手機直連衛星，基于存量終端，比如R15版本的5G手機或LTE手機[9]。考慮到存量終端規模很大且用戶的換機時間拉長，本文重點研究第三種技術路線的5G存量手機直連衛星涉及的關鍵問題。

1 手機直連衛星關鍵技術指標和技術路線

對于低軌衛星通信系統，通信頻段、終端的發送功率等因素的不同，終端的形態也會有所不同。從終端的天線類型來看，衛星通信終端可以分為拋物面終端、相控陣終端、普通手持終端等多種類型。手機是普通手持終端的最典型代表，其傳統上連接地面蜂窩網絡，在特定場景下需要連接衛星網絡。因此，本節主要分析手機直連衛星情況下，能夠達到的關鍵技術指標，以及潛在的技術路線。

1.1 手機直連低軌衛星的關鍵技術指標分析

手機直連衛星相比手機在地面蜂窩網工作，在一些關鍵技術指標方面會有較大的影響。下面對一些主要指標的影響進行分析。

1)峰值速率

手機直連衛星系統受終端天線增益、發射功率等因素的影響，造成上下行速率受限，其峰值速率相比VSAT終端或傳統地面網絡而言有較大降低。

2)頻段帶寬

手機直連衛星系統，受無線傳播特性以及終端天線形式等因素的影響，一般工作在低頻段，如L、S或C頻段。按照ITU的規劃，低頻段可用于衛星移動通信業務的帶寬一般低于20MHz，該帶寬遠低于5G NR的可用帶寬以及傳統衛星通信的帶寬。

3)譜效

由于手機直連衛星系統功率受限，低信噪比導致高階調制難以應用，同時衛星距離地面較遠，傳統的MIMO技術難以用于單星增容，因此這些因素都會限制手機直連衛星系統的頻譜效率。

4)多普勒頻偏

低軌衛星由于運動速度快，因此會帶來較大的動態特性。即便是在較低的L和S頻段，低軌衛星帶來的多普勒頻偏也有數十千赫茲，對頻率同步也會造成較大的影響。

1.2 手機直連低軌衛星的技術路線

依據終端所采用的技術體制的不同，手機直連低軌衛星至少存在三種技術路線，如表1所示。

表1 手機直連衛星的潛在技術路線

1)技術路線一：使用專用終端模塊的手機直連衛星。

上個世紀就已經出現了支持手持終端接入的衛星通信系統，主要以話音為基本業務，典型的應用系統包括銥星系統、GlobalStar系統以及Inmarsat系統等。21世紀初，我國也建成了支持手持終端接入的天通一號衛星通信系統。傳統的衛星電話主要分為地球同步衛星系統和低軌衛星星座系統，其中Inmarsat系統和天通一號系統均為地球同步衛星通信系統，而銥星系統和GlobalStar系統為低軌衛星星座系統。傳統的手機直連衛星通信模式具有協議定制化、終端專屬化等特點[10-11]。

協議定制化。傳統的手機直連衛星通信系統的空口協議均為專屬定制協議，不同的衛星通信系統間不能互聯互通，空口協議互不相同。比如：銥星系統采用類似GSM協議，GlobalStar采用擴頻技術，Inmarsat第四代星采用GMR-1 3G協議，天通一號也采用私有的定制化通信協議。

終端專屬化。傳統的手機直連衛星通信系統的手持終端均為專屬終端，只能在本系統內使用，不能與其他的衛星通信系統相通。為了使用方便，市場上也有一些雙模終端出現，既能連接衛星系統也能接入其他通信系統，比如地面移動通信網絡。但是受制于應用需求和場景的局限性，傳統衛星手持終端的成本高、價格貴，導致終端的應用數量有限，造成系統盈利能力差，反過來進一步局限了傳統衛星通信系統的產業鏈，使得傳統的衛星手持終端成為一種小眾化的產品。

2)技術路線二：使用3GPP NTN協議的手機直連衛星。

3GPP從R14開始成立了“NR(新空口)支持NTN的解決方案”工作組，探討NR空口傳輸技術用于NTN場景的可行性。在R17階段，針對透明轉發模式下的NTN技術進行了研究，并于2022年6月，完成了R17版本的NTN標準化工作[1-2]。在無線空口方面，主要涉及物理層時序關系的增強、上行時頻同步技術的增強、HARQ技術的增強等關鍵技術。

物理層時序關系的增強。NTN場景下，相比地面網絡，衛星的覆蓋范圍增大、傳輸的時延增加，因此原NR標準中定義的時序關系及參數取值均需要增強，R17協議中增加了k-Mac參數(用于補償時序調度)，擴展了k-offset等參數的取值范圍。

上行時頻同步技術的增強。NTN場景下單向傳輸時延增大，對于低軌衛星場景，衛星的快速運動造成嚴重的多普勒效應，影響上行時頻同步。R17版本標準中終端需要根據星地傳輸時延和頻率變化情況對上行時頻進行預補償。

HARQ技術的增強。NTN場景的大傳輸時延導致原NR的HARQ進程難以滿足需求，因此需要擴展原HARQ進程以及支持關閉HARQ進程等。

在R18階段，針對手持終端上下行鏈路受限的特點，3GPP開展了覆蓋增強項目的研究。在未來的R19階段，3GPP仍將會持續開展NTN標準的完善、增強工作。

3)技術路線三：基于存量手機的手機直連衛星。

2022年以來，業界逐漸關注存量5G手機，即基于R15版本的手機終端，直連接入衛星系統的技術[7,9]。當前R15版本的手機終端不支持3GPP NTN技術，因此如果要存量手機接入衛星系統，則終端側的技術特性不能更改，那么潛在的解決思路只能是對網絡側進行適應性改造，以適應衛星通信場景的深衰落、大延時等技術特點。所以，存量手機直連衛星的研究重點就集中在網絡側協議的優化和改造。

考慮到5G技術在全球的商業應用進程，當前及今后相當長一段時期，基于R15版本的5G終端將成為市場上的主流。同時，由于低軌衛星部署成本上的優勢，也成為我國及歐美發達國家衛星互聯網系統部署重點。因此，本文以存量5G終端為基準開展手機直連低軌衛星通信關鍵技術研究工作，充分發揮衛星通信拓寬無線網絡時空維度的特點，將網絡覆蓋從城市、鄉村等區域伸擴展至“空天地海”，實現全球無縫覆蓋，為滿足“萬物互聯、全球覆蓋、泛在智能”等需求夯實牢固基礎。

2 存量5G手機直連衛星的主要挑戰

對于存量5G手機終端而言，目前采用3GPP R15版本的協議主要適用于地面蜂窩通信。相比地面蜂窩網移動通信系統，低軌衛星通信系統具有鏈路距離遠、衛星運動快等特點，會帶來信號衰落嚴重、時延大、時頻變化迅速等問題，這些都會嚴重影響5G NR通信協議的正常運行。因此，面向低軌衛星通信的長鏈路距離、大傳輸時延、衛星快速運動等特征，5G存量手機直連衛星存在著技術挑戰。下面進行具體分析。

2.1 大時延對時序關系造成影響

衛星通信相比地面蜂窩網通信，主要的特點就是傳輸距離遠，即便是以軌道高度600km的LEO衛星為例，星地間直線單向通信延時為2ms，遠遠大于地面蜂窩網系統。傳輸距離遠造成的一個主要問題就是傳輸時延大，對物理層協議的影響主要體現在定時同步和時序關系這兩個方面。

地面5G移動通信系統是對定時同步和時序關系要求非常嚴格的系統。衛星通信超大的傳輸時延，一方面超過地面蜂窩系統設置的定時補償范圍，影響同步、隨機接入等過程；另一方面使得地面蜂窩系統設置的定時參數或計時參數的取值范圍不能滿足要求，從而造成時序的混亂。

對于3GPP R15 NR協議，其主要定時參數如下[1-2]。

1)NR下行共享信道(Physical Downlink Sharing Channel，PDSCH)到上行控制信道(Physical Uplink Control Channel，PUCCH)的偏移范圍(K1)：0，1，2，3，…，15時隙。對于15kHz子載波間隔(Sub-Carrier Spacing, SCS)，最大往返時延(Round Trip Time，RTT)為15ms，對于30kHz SCS，最大支持RTT=7.5ms。

2)NR下行控制信道(Physical Downlink Control Channel，PDCCH)到上行共享信道(Physical Uplink Sharing Channel，PUSCH)的偏移范圍(K2)：0，1，2，3，…，32時隙。

3)時間提前量(Time Advance，TA)指示范圍：最大值為2ms。

對于衛星通信，以技術報告TR38.821[8]中LEO衛星600km軌道高度為例，其鏈路距離及傳輸時延如表2所示。

表2 低軌衛星傳輸時延分析

將表2的參數結合當前5G NR協議定義的取值進行對照，可以看出：

當SCS=15kHz，5G NR 協議定義的最大RTT=15ms，能夠支持軌道高度為600km的再生衛星模式(RTT=12.88ms<15ms)，不能支持軌道高度為600km的透明轉發衛星模式(RTT=28.408ms>15ms)。

當SCS=30kHz，5G NR協議定義的最大RTT=7.5ms，既不能支持軌道高度為600km的再生衛星模式(RTT=12.88ms>7.5ms)，也不能支持軌道高度為600km的透明轉發衛星模式(RTT=28.408ms>7.5ms)。

因此，要想5G存量手機直連低軌衛星，意味著衛星軌道高度需要明顯降低，以保證衛星通信的RTT滿足目前5G NR定義的最大RTT取值要求。依據初步測算，支持5G存量終端的低軌衛星軌道高度，再生處理衛星可控制在740km軌道高度范圍內，但透明轉發處理衛星只能控制在280km軌道高度范圍內，如表3所示。

表3 支持5G存量手機直連衛星的衛星軌道高度

2.2 大時延對隨機接入造成影響

衛星通信的遠距離、大時延，會導致地面系統設計的隨機接入過程不適用于衛星通信，例如容易造成隨機接入流程的時序產生混亂。經分析，對隨機接入過程的影響主要在以下方面：1)大傳輸時延導致終端在隨機接入響應窗范圍內收不到隨機接入響應(Random Access Response，RAR)消息，從而終端重復發送前導碼(Preamble)，因此RAR發送策略需要調整；2)RAR中的尋呼命令(Tracking Area Command， TAC)表示的范圍不能滿足衛星場景大時延的要求，在TAC表示范圍不變的情況下需要對基站做定制化修改；3)隨機接入信道的循環前綴和保護間隔小于衛星通信場景的傳輸延遲，因此，隨機接入信道會對其他物理信道造成干擾。

2.3 衛星高速運動對時頻同步造成影響

低軌衛星圍繞地球高速運動，運動速度帶來較大的多普勒頻偏和多普勒變化率，同時也帶來較快的時延變化，這些都會對系統時頻同步帶來影響。地面通信系統的頻偏主要由終端的運動引起，其范圍通常在1kHz以內；而衛星通信系統的頻偏主要由衛星的運動引起，軌道越低衛星運動越快，多普勒頻移也越大，通常高達幾十上百kHz。因此，衛星通信系統較大的多普勒頻偏會明顯超過存量手機的頻偏適應范圍，使得存量手機很難搜索到衛星通信的同步下行信號。同時，衛星通信系統的多普勒高動態變化，也會增大存量手機頻率同步的難度。另外，對于上行接收而言，不同手機終端的上行多普勒頻率不一樣，也會增加基站側的檢測難度。

2.4 遠距離傳輸對信號損耗造成影響

衛星通信傳輸距離遠，造成信號的衰落強度大。對于常規5G終端而言，發射功率受限導致上行鏈路受限，這種情況在衛星通信下將會更為明顯，即遠距離傳輸將對手持終端的上行鏈路相比下行鏈路帶來更大壓力。因此，存量5G手機終端直連衛星，必須克服手機發射功率和天線增益不夠的問題。

綜上所述，存量5G手機終端直連低軌衛星通信面臨嚴峻的技術挑戰，由于終端側協議和參數不能修改，因此，為了適應衛星場景，潛在的解決思路只能對網絡側進行適應性改造。

3 存量5G手機直連衛星的關鍵技術

為了解決低軌衛星通信帶來的大延時、高動態、大衰落等特點鏈路傳輸的影響，在存量5G手機直連衛星采用地面5G協議不能發生改變的情況下，衛星通信的網絡側必須做相應的改造來適應終端，對應的關鍵技術主要有時頻同步技術、隨機接入技術、自動重傳請求技術、覆蓋增強技術等。

3.1 時頻同步技術

為了實現存量5G手機接入低軌衛星通信系統，需要解決時頻同步問題。基站側需要對下行信號的定時和頻率進行預補償，同時對上行接收信號的定時和頻率進行后補償。對于終端側而言，無需軟硬件升級改造。存量手機直連衛星場景下，由基站側對時頻進行補償和調度時序保障。

1)頻率補償方案

一般情況下采用頻率補償和動態定時補償的方式來解決快速時頻變化的問題。頻率補償的主要方案如下。

①下行信號：基站基于波束中心點做頻率補償，終端基于下行信號做頻率跟蹤，補償殘留偏差；

②上行信號：終端不做上行頻率補償，由基站側完成對上行信號的檢測。

由于存量手機對頻偏的適應范圍較小，因此存量手機直連低軌衛星時，需要基站側將衛星運動帶來的多普勒頻偏限制在一個較小范圍內。為了達到上述要求，需要采用波束夾角較小的衛星波束，這樣波束邊緣點與中心點的頻率偏差被限定在較小范圍內，下行信號接收時可以通過存量手機終端直接進行解調；上行信號的頻偏也被限制在較小范圍內，利于基站側信號檢測和解調。由基站側補償波束中心點的多普勒頻偏，使得存量手機在衛星波束中，感受不到由衛星運動帶來的較大的多普勒頻偏。

2)定時補償方案

定時補償方案與頻率補償類似，由基站側負責對超出存量手機定時補償范圍的額外延時進行補償。基站側定時補償選取波束中心與地球表面交點為參考點，存量手機終端僅需要補償終端到參考點的時延，基站側補償參考點到衛星以及衛星到信關站的時延，如圖1所示。使得存量手機終端在衛星波束中感受不到大傳輸時延對定時同步的影響。

圖1 定時補償示意圖

物理層需要通過定時補償的方式抵消超大傳輸時延帶來的定時同步問題，針對上行信號和下行信號分別開展定時補償。主要的解決思路如下。

①下行信號：基站基于某一參考點做定時補償，終端基于下行信號做定時跟蹤，補償殘留偏差；

②上行信號：終端基于閉環TA進行補償，基站側補償公共部分和動態變化部分。

以5G NR的TA補償為例，支持的最大TA取值范圍為2ms，轉化為單程距離約為300km左右。為了支持手機直連衛星通信，則需要將衛星波束邊緣到定時補償參考點的距離控制在300km以內，此時存量手機的定時補償參數無需更改。同時考慮到PRACH(隨機接入信道)格式等因素的影響，衛星波束寬度建議控制在20km左右，對存量手機的時頻同步影響較小。綜合上述問題，時頻補償的實現可以通過下述途徑完成，潛在的解決方案分析如下：

多普勒頻移的變化必須由基站補償，適用于凝視波束，而且波束的半徑必須較小，否則波束中心和波束邊緣的多普勒相差大，一般半徑小于20km。

由于時延變化快，終端無法快速跟蹤TA的變化，基站需要實時補償變化部分。

綜上所述，可以得到下述結論：低軌衛星移動帶來的時頻變化，可以由基站來解決，終端無感知。但是該方案也將會帶來以下問題，需要引起關注。

①基站需要補償每個波束的定時變化和頻率變化，增大了基站的復雜度。

②波束的半徑較小，如果實現全域覆蓋，需要大量的波束，導致需要更多衛星或單顆衛星支持更多波束，使得建網成本增加，天基基站設備體積和實現復雜度更大。

3.2 隨機接入技術

對于5G NR手機而言，其在低軌星座手機直連衛星模式下的隨機接入方案，可以沿用5G NR的四步隨機接入方式。隨機接入過程中面臨的問題可以通過下述思路解決。

1)RAR window解決方案

從前面的分析可知，對于5G存量手機而言，在直連衛星通信隨機接入過程中，現有的RAR window參數對系統影響比較大。目前標準中RAR window可配置的最大取值為10ms，軌道高度為600km的衛星的RTT為12.89ms，因此，終端(User Equipment，UE)在發Preamble之后按照R15協議配置開啟RAR window存在監聽不到PDCCH的情況，導致RAR接收失敗。這將導致UE將不斷地重發前導碼，且在RAR接收窗內無法收到對應的RAR消息，如此往復，UE無法接入網絡。因此，針對該問題基站側需要做適應性修改。

為了解決存量手機RAR window長度受限的問題，需要在網絡側做機制修改，使得存量手機能夠支持星地大延時下的隨機接入過程。主要的解決思路為：網絡側為UE配置周期間隔較長的隨機接入機會(RACH Occasion，RO)，網絡側在收到UE發送的第一個前導碼信號后，不僅反饋對應的RAR消息，還反饋包含UE后續可能重新發送的前導碼對應的多個RAR消息，這些RAR消息再經過傳輸時延后到達UE某個有效的RAR window內被正確解調[9]。選取3GPP技術標準TS 38.211[1]中表6.3.3.2-2索引246的配置，PRACH為格式C2，配置周期為每個系統幀都包含1個RO，在子幀4，候選前導碼數量設置為2。如圖2所示，按照上述配置主要的修改方案描述如下。

圖2 RAR接收解決方案時序圖

UE在T1時刻發送Preamble，發起隨機接入，傳輸經過5ms(假設單向傳輸時延為5ms)，前導碼信號到達基站。

基站處理需要2ms，則基站在(T1+5+2)ms時刻發送RAR。

UE在發送前導碼后開啟RAR window，但是UE超時未收到RAR信息，UE選擇重傳前導碼，選擇的前導碼為4個侯選值中的一個，選擇的RO為下一個系統幀的子幀4對應的RO。重傳后UE又開啟RAR window，重傳時刻記為T2(假設T2=T1+10ms)。

UE在(T1+5+2+5)ms時刻收到T1時刻發送的前導碼反饋回來的RAR，此時對應的是(T2+2)ms時刻，正處于T2時刻發送Preamble之后的RAR window時段。

為了使UE能夠識別該RAR是發給自己的，基站需要做定制化修改，基站需要把與2個前導碼相對應的RAR在UE相應的RAR window區域發送，RAR中攜帶UE所有2個候選的前導碼對應的上行授權資源信息；同時基站用于加擾RAR消息的RA-RNTI也需要下一幀的RO時域信息來產生。這樣UE就能在下一個RAR window中監測到RAR，解析RAR后，就不會重復發送前導碼了，根據RAR中指示的上行資源，選擇合適的資源發送Msg3消息。

此外，對于競爭解決方面，目前競爭解決定時器最大取值為80ms，可以適應衛星系統較長的RTT，UE在發送完MSG3之后按照網絡側配置開啟競爭解決定時器，不需要進行擴展，現有協議可以工作。

2)PRACH帶來的干擾問題

衛星場景下，隨機接入信道的循環前綴和保護間隔小于空口的傳輸延遲，隨機接入信道會對相鄰的物理信道造成干擾，因此，對PRACH的RO時頻域配置需要進行約束，選擇周期較大的RO進行配置。

3.3 自動重傳請求(Hybrid Automatic ReQuest，HARQ)技術

對于5G存量手機而言，UE發送下行PDSCH的HARQ反饋，基站根據收到的HARQ反饋的內容確定是否需要進行HARQ重傳。UE在發送HARQ后，開啟定時器drx-HARQ-RTT-TimerDL，如果該定時器過期且PDSCH沒有被正確解碼，開啟定時器drx-RetransmissionTimerDL進行重傳指示的監聽。目前NR中drx-HARQ-RTT-TimerDL最大取值范圍為56個符號，即最多4個時隙后開始監聽重傳指示，而低軌衛星的RTT遠高于此值。以600km高度為例，透明轉發模式下RTT為28.408ms，星上處理模式下RTT為12.88ms，如果UE在4個時隙后開始監聽，那么在開始監聽的一段時間內屬于無效監聽，造成UE功率浪費，同時由于drx-RetransmissionTimerDL取值范圍為0～320slot，如果此值配置較小會導致定時器已經過期還未收到重傳指示，因此可以考慮以下兩種解決方案。

1)保持參數drx-HARQ-RTT-TimerDL取值范圍，drx-RetransmissionTimerDL實際配置時考慮衛星的大時延影響(取值不能太小)，保證在定時器取值范圍內可以接收到重傳指示，但是會造成UE功率的浪費。

2)基站不必在收到HARQ反饋后再進行同一HARQ進程的調度，直接通過下行控制信息(Downlink Control Indicator，DCI)域的新數據指示(New data indicator，NDI)來通知UE是新傳還是重傳。這樣可以不改動兩個定時器的取值范圍也可以保證UE的有效監聽及參數配置的靈活性。

因上述兩種方案均不涉及現有規范[1-2]的修改，合適的參數配置可以保證目前存量手機的數據傳輸。對于上行數據傳輸，對應定時器drx-HARQ-RTTTimerDL和drx-RetransmissionTimerDL的取值范圍與下行一樣，也存在上述問題，可以考慮相同的解決方案。

3.4 覆蓋增強技術

對于衛星通信應用場景，由于大傳輸時延引起的路徑損耗，導致鏈路預算不足，同時手機終端發射功率受限制，且不能做改動，只能改變衛星側的收發能力，例如將衛星的軌道高度降低以減少路徑損耗，將衛星的天線增大以提高增益。下面以3GPP TR 38.821[8]中衛星和終端參數為例，分析存量手機接入衛星的上行鏈路情況。上行鏈路支持的帶寬暫定為360kHz，支持子載波間隔15kHz下的2個PRB。為了便于對比，下面分別計算了LEO 600km衛星軌道情況下，終端在星下點、30 仰角和10 仰角位置時的鏈路情況，見表4。

表4 5G存量手機直連衛星上行鏈路計算示例

從表4可知，5G存量手機直連衛星情況下，隨著終端仰角的變化，上行鏈路信噪比逐漸惡化，當終端仰角為10 時，C/N=-6.7dB<-5dB，意味著信噪比已不能支持5G最低譜效的調制編碼方式了。此外，當終端仰角過低時，容易受到地面反射等影響，也不利于多星間的干擾抑制，因此，建議5G存量手機直連衛星應用時，設置終端仰角門限，比如以仰角30 為分界線，支持5G存量手機在仰角大于30 時接入衛星網絡。

另外，隨著衛星天線技術的發展，大口徑天線的使用也能改善手機直連衛星的鏈路情況。目前，美國AST SpaceMobile公司的BlueWalker3原型機[12]，便采用了64平方米的相控陣天線，在太空中展開能夠獲得高天線增益。同時，使用低頻段也能夠降低路徑損耗，增強信號穿透性。此外，通過使用波束增益更高、范圍更小的跳波束技術，可以進一步提高單波束的發送增益，進而提升鏈路性能。在大口徑衛星天線或天線跳波束使用后，手機直連衛星的鏈路情況將有顯著的改善。

4 結束語

隨著手機直連衛星成為業界的熱點議題，運營商也在探討如何去利用衛星網絡來支持存量終端，預期盤活手機存量市場、提升衛星通信商業價值。本文分析了衛星網絡支持存量5G終端面臨的技術挑戰和關鍵技術解決方案。總體來看，因為終端不涉及改動，支持存量終端的衛星網絡不僅需要去解決時頻同步、隨機接入、自動重傳請求、鏈路預算不足等系列技術問題，而且在軌道高度、波束大小、支持的用戶數等方面均存在諸多限制，可支持的傳輸速率和業務類型也非常有限，從整個網絡的建設投資與收益講未必是最佳解決方案。因此，業界也越來越多地關注基于3GPP R17 NTN的手機直連技術路線。

面向未來，手機直連衛星也將是6G網絡發展的重要標志。6G階段，星地網絡將融為一體，以統一網絡架構、統一空口協議以及統一頻譜規劃管理等為基本元素，將5G NTN階段的星地融合體制兼容逐步轉變為6G星地融合統一系統。手機作為應用最廣泛、數量最多的移動終端類型，其直接接入衛星服務模式可為用戶帶來極大的便利性，擴展手機的應用范圍，也帶來巨大的商業價值。6G的手機直連衛星模式下，手機用戶能夠無感知地服務于星地融合網絡中，真正實現全球無縫覆蓋、用戶隨遇接入以及無感知的星地一致服務。