手機直連衛星技術現狀及專用芯片集成模式手機實現

摘" 要：隨著華為支持手機直連衛星手機終端的推出，手機直連衛星成為衛星移動通信的一個重要熱點和關注方向。手機直連衛星本質是一個衛星通信系統，通過衛星中繼進行手機之間的業務互通。文章闡述了手機直連衛星的內涵，技術發展路線的三個方向以及各自特點。針對專用芯片集成模式，詳細設計了直連衛星手機的系統架構，并對不同處理單元進行了詳細硬件、軟件設計，方案已應用到多款手機。

關鍵詞：手機直連衛星；衛星移動通信；專用芯片集成模式；衛星通信單元

中圖分類號：TN927+.2" 文獻識別碼：A" 文章編號：2096-4706（2025）01-0017-05

Status of Mobile Phone Direct Connection Satellite Technology and Implementation of Dedicated Chip Integration Mode Mobile Phone

Abstract： With the launch of Huawei's mobile phone terminal supporting mobile phone direct connection satellite， mobile phone direct connection satellite has become an important hotspot and attention direction of satellite mobile communication. The essence of mobile phone direct connection satellite is a satellite communication system that communicates business between mobile phones through satellite relay. This paper expounds on the connotation of the mobile phone direct connection satellite， the three directions of the technical development route and their respective characteristics. Aiming at the dedicated chip integration mode， it designs the system architecture of the mobile phone directly connecting satellite in detail， and designs the hardware and software of different processing units in detail. The scheme is applied to a variety of mobile phones.

Keywords： mobile phone direct connection satellite; satellite mobile communication; dedicated chip integration mode; satellite communication unit

0" 引" 言

衛星通信技術是一種通過衛星與地面終端進行通信的技術。它是一種高速、高效、廣域覆蓋的通信方式，適用于非常規通信情況，如極地、海洋、山區和沙漠等邊遠地區、災害區域、戰爭區域以及移動通信等領域。衛星通信技術因其無須鋪設線纜、無視地理障礙物、靈活便捷且高度可靠等特點，已成為一種備受矚目和廣泛應用的通信技術。衛星通信技術主要由地面站、星間鏈路和衛星三部分組成，地面站是衛星通信系統的控制中心，負責將信息傳輸至衛星上進行轉發，控制衛星的工作狀態等。星間鏈路是衛星與地面站之間的無線電連接網絡，用于傳輸信號和數據，其承載能力決定了衛星通信系統的可靠性和高效性。衛星是衛星通信系統的核心部分，具有信號放大、修改和轉發等功能，衛星本身的設計決定了衛星通信系統的具體能力[1]。

衛星通信具有覆蓋范圍廣、通信距離遠、不受地理地形限制等優勢?；谶@些特征，人們開發了地球同步衛星系統、中軌衛星系統、低軌衛星通信系統，并研制了對應的各類通信終端。這些系統和設備被廣泛應用于國防、航空、海洋、石油、電力、氣象等領域。

然而，傳統衛星終端存在體積大、重量重、使用不便等缺點。針對這些問題的其中一個解決方案是“手機直連衛星”概念，即實現日常使用的手機直接與衛星連接進行通信。

1" 手機直連衛星含義

1.1" 手機直連衛星本質

“手機直連衛星”從字面上理解，是指商用手機采用衛星系統直接進行移動通信的系統。按照衛星通信業務類型劃分，手機直連衛星實質上屬于衛星移動通信系統，如圖1所示。

衛星移動通信系統由通信衛星、運控系統和應用系統等部分組成。衛星部署在地球軌道上，用來接收和轉發終端或信關站的無線信號，實現遠距離、跨區域的信號中繼。運控系統負責完成衛星的運行監測和管理，保持、監視、管理衛星的軌道位置和姿態，并控制衛星的星歷等。應用管理中心負責用戶的業務管理、費用管理等。應用系統包括信關站和用戶終端：信關站完成對衛星資源分配、用戶注冊和業務的管理；用戶終端面向用戶完成各類通信業務，包括語音、短信和數據業務等[2]。

1.2" 通話業務流程

1.2.1" 衛星終端與地面網通信

衛星終端與地面移動網、固定電話網之間進行通話時，衛星終端話音通過無線鏈路發射到衛星；衛星的用戶鏈路天線接收到衛星終端的無線信號后，將其轉換到饋電鏈路頻段，并發送到地面信關站；信關站收到無線信號并完成業務解析后，根據目的號碼將話音碼流轉發到地面移動網或地面固定電話網；地面網終端收到碼流后還原話音。反之亦然。

1.2.2" 衛星終端之間互通

衛星終端間通話時，衛星終端話音通過無線鏈路發射到衛星；衛星的用戶鏈路天線接收到衛星終端的無線信號后，將其轉換到饋電鏈路頻段，并發送到地面信關站；信關站收到無線信號并完成業務解析后，根據目的號碼重新把話音流編碼并調制到無線載波上發送到衛星；衛星通過用戶鏈路把收到的無線信號轉發到被叫衛星終端；衛星終端接收、解析并還原話音。反之亦然。

2" 手機直連衛星國內外技術發展及現狀

2.1" 國內外現狀

衛星移動通信系統主要包括低軌和高軌星座系統。低軌衛星具有傳輸時延小、鏈路損失小等優點，其缺點是需要衛星數量較多，運行管理復雜。國外低軌系統代表有銥星（IRIDIUM）、全球星（Globalstar）等系統，其中銥系統由美國銥星公司委托摩托羅拉于1997年開始建設，1998年正式運營，2000年宣布破產后由美國軍方在2001年注資繼續運營。該系統由66顆低軌衛星組成，可提供包括南極和北極在內的全球范圍內話音、短信和數據業務。衛星手機大小為140 mm×60 mm×27 mm，重量為247 g，可滿足人們便利攜帶需求[3-4]。國內于2021年4月成立了中國衛星網絡集團有限公司，著力建設我國低軌衛星互聯網系統，計劃發射幾百顆實現衛星組網，達到一卡即可全球通信的目的，向用戶提供話音、短信、物聯網和數據業務。

高軌衛星系統采用地球同步軌道，具有傳播時延大、投資少、技術復雜度低等特點，但是不能實現兩極覆蓋。國外高軌系統代表有INMARSAT、THURUYA等系統，THURUYA系統于2000年建設并投入運營，提供話音、短信、G3類傳真和數據業務等，其衛星手機輕達212 g。

國內高軌代表為天通一號系統，它是我國第一個自主可控的衛星移動通信系統。從2016年至2021年，該系統共發射了3顆GEO通信衛星，其中01星覆蓋國土、領海及其外延200 km，02星覆蓋日韓及其周邊、二島鏈以西海域，03星覆蓋印度洋、東亞地區。天通一號單顆衛星支持10萬用戶在線，提供話音、短信和高達384 kbit/s的數據業務，其作為國家戰略性通信基礎設施，在軍事、政府、經濟等活動中發揮重要的通信保障作用。天通行業終端重約為268 g。華為公司2023年推出了基于天通一號衛星系統的Mate 60 Pro系列衛星移動手機終端，是全球首款消費類衛星移動終端，從此，手機直連衛星業務產品正式進入消費類通信市場。

2.2" 手機直連技術發展路線

手機直連衛星技術路線可分為以下3類：

1）路線1。不改變傳統消費手機的地面網絡模式，而是在手機中添加衛星模式的基帶處理和射頻處理模塊，并修改手機天線以滿足衛星通信需求。在該方案中，兩種通信模式只能二選一，終端體積和功能均有所增加。蘋果手機的全球星通信功能和華為手機的天通通信功能均采用此方案[5]。

2）路線2。采用新技術將地面網基站直接運行在衛星上，這樣地面網手機可直接上星，無須更換手機即可完成通信。AST公司的BlueWalker3低軌衛星，配置64 m2超大陣列天線，支持地面LTE手機接入，測試下載速度達到14 Mbit/s[6]。該方式下頻譜和用戶均由移動網絡運營商提供，衛星公司則向移動網絡運營商提供衛星接入服務。

3）路線3。根據衛星通信特點，結合地面移動通信標準，推出二者相容的3GPP標準，使地面通信和衛星通信同步發展。R17標準是第一個支持手機直連衛星的5G標準，得到了高通、紫光展銳等廠家的支持[7]。

3" 專業芯片集成模式的手機設計

3.1" 整機設計

本模式下，采用“多模融合、可擴展、低功耗、小體積”的設計理念，根據硬件可重構、軟件可編程的思路設計終端整機[8-9]。終端采用了應用處理單元（AP）+通信處理單元（CP）的方式，AP單元負責外圍設備的連接控制，用戶界面及交互等，CP單元負責基于衛星的移動通信，兩者互相協作，共同實現衛星手機功能，其架構如圖2所示。

整機硬件詳細組成如圖3所示，除了AP和CP單元外，還主要包括北斗單元、顯示單元、存儲單元、Wi-Fi單元、視頻輸入單元、SIM卡單元、人機交互單元、外部接口單元、傳感器單元、供電單元等。AP單元及其外圍電路完成地面網模式通信；CP負責的天通單元在AP單元的控制下實現用戶的衛星電話、短信和數據業務；北斗單元負責北斗定位和北斗短報文收發；供電單元負責整機供電管理等功能。

3.2" 硬件設計

3.2.1" 應用處理單元設計

AP處理單元采用的是展銳公司的UMS9620平臺，用于地面5G模式和整機的應用并實現終端的人機交互。UMS9620是一款集成了2G/3G/4G/5G調制解調器的高性能應用處理器，其架構如圖4所示。

芯片由4個高性能ARM內核Cortex-A76（最高主頻2.7 GHz）和4個ARM核Cortex-A55（最高主頻2.1 GHz）組成。此外，它還包括一組廣泛的接口，用于連接相機、觸摸屏顯示器和UFS/eMMC/SD卡。芯片配備了Arm? NeonTM引擎的應用處理器，能夠支持最新的OpenOS及其要求苛刻的應用程序，例如網頁瀏覽、電子郵件和游戲，還集成了多標準多媒體加速器和高級音頻子系統，以提供高級多媒體應用和服務，例如流式音頻和視頻。此外，芯片為低功耗ASIC設計和電源管理開發了專有架構和算法，為很多應用實現高性能和低功耗。

3.2.2" 衛星通信處理單元設計

衛星模塊采用集成度較高的MSC06A芯片，這是一顆高性價比的SoC芯片，芯片內集成了天通一號基帶處理器、射頻收發器、電源管理、PSRAM和FLASH存儲器，支持USB2.0（Host和Slave）、SDIO2.0（Master和Slave）、UART、I2C、SPI、I2S和GPIO等外部接口，芯片架構如圖5所示。

衛星單元和應用單元均有PCM接口，可用來連接音頻設備。然而，地面5G模式在應用單元實現，因此音頻設備必須連接到應用單元的PCM接口上，以便完成地面網的話音處理。衛星通話時，音頻數據通過PCM接口進入應用單元，在應用單元完成衛星話音編解碼，然后通過SPI接口與衛星單元進行交互，最終承載到衛星信道[10]。

3.3" 軟件設計

3.3.1" AP和CP間交互流程設計

天通衛星模式時，應用單元使用SPI通道傳輸語音數據和短信數據，使用UART通道傳輸AT指令，如發送撥號命令、接收來電指令等，如圖6所示。

具體介紹如下：

1）作為主叫撥打電話時，應用單元（AP）的RIL層發出撥打電話的AT指令，通過UART發送到CP負責的衛星單元（CP），然后在SPI通道中，發送AP采集到的經過聲碼器壓縮后的PCM語音數據到CP，同時，接收CP從天通信道中收到的語音數據，然后再發送到聲碼器進行解壓縮。

2）作為被叫接聽電話時，CP從UART通道發送收到電話的AT指令給AP。電話接通后，CP通過SPI通道向AP發送來自衛星信道的語音數據；同時，AP向CP發送采集到的經過聲碼器壓縮后的衛星標準語音數據。

3）發送短信時，AP的RIL層首先將發送短信的AT指令通過UART發送到CP，然后在SPI通道中，將編輯好的短信數據發送到CP進行衛星信道承載。收到短信時，CP收到衛星信道短信后，通過UART通道發送AT指令到AP，然后通過SPI通道發送短信內容給AP。

3.3.2" 通信協議軟件設計

衛星通信協議棧主要包括非介入層（NAS層）和接入層（AS層）。NAS層主要負責業務管理和移動性管理，AS層則包括無線資源管理層（RRC層）、鏈路控制和媒體接入層（RLC/MAC層）以及物理層（PHY層）等，共同完成衛星移動通信業務。衛星業務主要包括話音和短信兩種業務。在進行話音業務時，CP直接將通過SPI接口接收到的話音承載到PHY層，完成編碼、調制，并通過射頻發送到衛星；在進行短信業務時，CP各層需要按照協議對短信數據進行分幀、組包等過程，然后才能將其承載到物理信道，其協議處理流程如圖7所示。

3.4" 測試驗證

按照專用芯片集成模式完成手機設計及實現后，除了進行手機常規測試外，還需對手機的衛星通信功能進行測試，滿足要求后才能移交生產。測試內容主要包括衛星模式啟停測試、對星測試、入網時長測試、不同速率話音測試、短消息測試等，測試驗證結果如表1所示。

4" 結" 論

專用芯片集成模式是目前最直接、見效最快的手機直連衛星方法，無須改變衛星移動通信系統和地面網本身，通過手機界面中的模式切換實現星地通話。華為、小米等公司利用此模式的手機已出貨上億臺，推動手機直連衛星產業的迅速發展。隨著技術發展，手機直連衛星有望成為推動衛星移動通信乃至整個衛星通信領域應用大發展的第一動力。手機直連衛星是真正大眾用戶負擔得起、符合個人使用習慣的、屬于個人消費級產品的衛星通信解決方案。

參考文獻：

[1] 廉長亮，王星妍.衛星移動通信系統的組成與應用分析 [J].集成電路應用，2023，40（4）：309-311.

[2] 廖梁兵.天地一體化信息網絡信關站設計 [J].電聲技術，2023，47（3）：137-139.

[3] 王韻涵，李博，劉詠.國外低軌衛星互聯網發展最新態勢研判 [J].國際太空，2022（3）：7-12.

[4] 賴新權，黎璐玫.低軌互聯網衛星發展現狀及監測方法研究 [J].中國無線電，2024（5）：59-60+72.

[5] 吳流麗，廖建華，宋健，等.手機直連衛星技術發展綜述 [J].通信技術，2024，57（5）：429-435.

[6] 李思棟，李俠宇，孫建成，等.手機直連衛星應用發展與挑戰 [J].電信科學，2024，40（4）：43-55.

[7] 劉會，葉陽，丁志東，等.星地融合下的手機直連關鍵技術研究 [J].電信科學，2024，40（4）：10-17.

[8] 姜元山，王運付，劉霞，等.衛星與5G融合多模物聯網終端的實現與應用探討 [J].物聯網技術，2023，13（3）：101-103+107.

[9] 舒然.基于北斗和衛星移動通信的多模終端設計 [J].信息系統工程，2023（12）：86-89.

[10] 韓旭東.SPI接口內嵌CRC校驗的設計實現 [J].微處理機，2023，44（3）：46-49.