摘要
近年来，卫星通信领域快速发展，蓬勃的市场需求催生了多种类型的卫星终端，卫星直连手机凭借其优秀的通信性能和便携的使用场景，成为备受瞩目的产品类型。文章从国内外卫星通信产业的发展情况出发，对卫星直连手机的技术路线和应用场景进行梳理，结合芯片技术架构展望天地多模手机的演进过程，提出融合芯片一体化方案的多模卫星直连手机是卫星终端的发展方向，同时从频谱、功耗、成本和技术体制等方面，对多模终端面临的挑战进行了分析，并给出卫星直连手机终端的发展方向预测。
关键词
通信终端技术；卫星直连；手机终端；天地多模；芯片
引言
随着人们对于在偏远地区、海洋等无地面蜂窝网络覆盖区域内通信需求的增加，卫星通信的市场潜力和用户基础正在迅速扩大。卫星通信领域的技术也在不断进步，各种创新解决方案不断提出并得到实施，极大地拓展了卫星通信的应用范围和潜力。
卫星通信在全球迅猛发展，无论是国际还是国内市场，都显示出了其强大的发展潜力。国外SpaceX、Lynk、AST和OneWeb等公司正在加速发展建设卫星星座，其目标是实现全球高速互联网服务的普及。与此同时，国内在卫星通信领域也取得了显著成就。得益于国家政策的扶持和民营航天企业的崛起，中国的在轨通信卫星数量持续增加。国内企业在卫星制造、发射服务、地面设备生产以及卫星运营服务等关键产业链环节实现了技术突破和产业升级。卫星通信与5G移动通信的深度融合，以及面向6G的天地一体化通信，是未来发展的必然趋势。3GPP提出的5G NTN技术将极大地加速这一进程，中国积极参与到这些技术标准的制定中，推动地面与卫星通信技术持续创新，也拓宽了卫星通信的用户群体[1]。
01 卫星通信整体介绍
1.1 卫星通信产业情况
卫星通信产业目前正处于快速发展阶段，随着技术进步和市场需求的增长，特别是高通量卫星(HTS)技术的应用[2]，使得卫星通信带宽需求持续增长，推动了卫星向大容量、小型化、星座化方向发展。5G和未来6G 技术的发展为卫星通信与地面网络的深度融合也提供了新机遇，促进了天地一体化的通信网络构建。此外，政策支持和民营航天企业的兴起也为卫星通信产业注入了新的活力，预计未来将实现更广泛的应用场景和更高效的服务能力。
以Starlink为代表的低轨宽带星座作为新兴网络信息基础设施，成为多个国家地区发展热点。高轨卫星性能在持续演进，基于低轨卫星的互联网迅猛发展，且低轨星座的批量化部署成为常态，美、欧、俄等各国政府都在加大投入，手机直连卫星领域也取得实质性进展。
1.2 国内卫星通信发展现状
国务院在《十四五发展规划》中提出要建设高速泛在、天地一体的信息基础设施；工信部在十四五信息通信行业发展规划中提出要做好卫星通信服务，建设卫星通信网络等新一代通信网络基础设施；国家发改委也明确将卫星互联网纳入“新基建”范畴，卫星互联网被纳入国家政策支持的重点方向；北京、上海、广东等各省市也积极响应国家政策，出台了相应的卫星互联网行业政策，推动卫星产业发展。中国星网、中国卫通、中国时空信息、上海垣信等卫星公司大力投入卫星互联网，中国移动、中国电信、中国联通等运营商纷纷入局，时空道宇、银河航天等企业也加快发射卫星，极大推动了国内卫星通信产业的发展。
中国自主的天通卫星通信服务，通过L频段提供话音、短信和数据传输业务，特别适用于偏远地区、海洋和航空等传统通信盲区，增强了应急通信能力，促进了经济社会发展均衡。北斗卫星导航系统以其全球定位和独特的短报文通信功能，在多个关键领域如交通、农业和灾害预防中提高了效率和安全性，展现了导航与通信融合的创新应用，对国家安全和民生保障具有重要意义。这些卫星通信系统沿着定制化技术体制独立发展，主要服务对象是政府和特定行业，产业链较为稳定独立，但也面临着产业规模小、成本较高等问题。随着卫星通信产业的发展，卫星通信服务正逐步进入公众用户的视野。面向公众用户的卫星通信将更强调性价比，这就需要一个庞大产业链带来的规模化和成本效益。
1.3 卫星通信终端分类
卫星通信系统包含通信卫星、地面系统、卫星通信终端等部分。其中卫星通信终端包括VSAT(甚小口径终端)、手持终端等多种类型。VSAT终端通常配备小型天线，可实现高效卫星通信，广泛用于企业、政府等，也可安装在车辆、船舶等交通工具上，提供稳定通信服务，广泛应用于物流、海渔运输等领域；手持终端主要用于海上航行、探险考察等偏远或紧急通信场景，携带方便。其中直连卫星的手机终端类型多样，极大地拓宽了卫星通信的边界。
02 卫星直连手机方案
当前手机直连终端主要技术方案包括卫星单模、存量手机方案、天地多模方案，本文重点介绍天地多模方案。天地多模方案又分为卫星通信模组外挂方案(在蜂窝手机主芯片旁)和融合芯片一体化方案。随着技术的演进和需求的提升，芯片一体化方案有望成为卫星融合通信终端的主流演进方案。
2.1 卫星单模方案
卫星单模手机是专为卫星通信而设计的手机终端，它专注于提供高效、稳定的卫星连接服务，不依赖于地面网络。卫星单模终端的结构示意如图1所示，这类手机通常具备更强的卫星信号接收能力，适用于极端环境或需要高度保密通信的场合，是面相专业用户和特殊行业的产品。
单模卫星手机主要面向野外、海洋等卫星通信等场景的应用，一般结构设计较为简单耐用。由于单模手机不具备地面网络能力，不能用于地面蜂窝网络覆盖的补盲。单模卫星手机通常由主芯片与射频模组及其外围组成，其基本结构与通信方式与单模蜂窝网络手机类似。
图 1 卫星单模终端方案
2.2 存量手机方案
存量手机方案，即使用现有市场上的智能手机，通过网络侧协议增强、信号增强等方式，在不修改手机硬件的情况下，实现了从传统移动通信向卫星通信的跨越，让用户在保持原有手机使用体验的同时，也能在偏远地区或没有地面网络覆盖的环境下，享受到卫星通信带来的广域连接。如太空探索公司(SpaceX)在Starlink 官网推出了星链直连手机业务，可实现存量LTE手机直接连接卫星，无需改动硬件、固件和特殊应用程序即可实现手机直连星链发送文本、语音和数据[3]；AST、AT&T以及沃达丰等厂家面向存量手机提供卫星通信服务的天基5G宽带连接服务测试中，创造了大于10Mb/s 下载速率纪录[4]。
这种设计既保留了用户的习惯，又增强了手机的通讯能力，但其需要网络侧设备与协议进行强化，且对网络侧的基础设施要求极为严格，使原本为地面蜂窝通信网络设计的终端与协议可以在卫星与地面之间的传输环境下使用。这会造成网络侧改造与运营成本均保持较高的水平。此外由于卫星通信传输距离更长，上行与下行衰减同样更严重，存量手机终端也应尽可能使用最大发射功率，以确保卫星通信服务的稳定性。这种网络侧改造成本导致存量手机方案只能作为单纯地面通信模式向天地多模通信模式发展的过渡方案。
2.3 天地多模方案
天地多模手机通过集成现有卫星资源或面向天地融合，实现卫星通信和蜂窝网络等多种通信模式于一体，满足用户根据所在位置和网络环境选择需要的通信方式的需求，通过卫星网络和地面网络的互补，实现无线通信网络覆盖在全球范围内的无缝连接。
2.3.1 卫星通信模组外挂方案
外挂芯片架构在卫星通信领域提供了一种高效且灵活的解决方案，其结构示意如图2所示。在这种方案下，卫星通信芯片作为独立的模块存在，通过标准化的接口与传统手机中的其他主要芯片相连接。这种设计允许开发者根据实际需求，灵活地选择和配置不同的主芯片，以满足各种应用场景和终端设计的需要。从消费级便携式设备到工业级高性能终端，外挂芯片架构都能提供适配的通信解决方案，来满足特定的通信制式和性能要求。现阶段IoT NTN技术相对成熟，产业链中有较为完善的芯片产出。面向IoT的NTN业务一般不用于语音通话、高速上网等蜂窝网络常见业务，但可以进行短消息、低速流量等窄带业务，故也可以通过传统手机外挂IoT NTN模组的方案在一定程度上补足蜂窝网络的覆盖范围，实现天地多模手机方案。
同时，外挂芯片架构还促进了产品的快速迭代与升级。制造商无需对手机终端进行大幅度修改，便可快速增加或调整外挂的卫星通信芯片，来升级卫星通信的能力，并优化性能。这种模块化的设计大大缩短了产品开发的周期，提升了系统的灵活性和可扩展性，降低了研发成本，使企业能够更快地响应市场变化，和现有产品结合实现符合消费者需求的新产品迭代。
在当前技术背景下，天通、北斗等私有体制卫星通信系统下的天地多模手机，由于手机主芯片无法集成卫星通信功能，这些手机普遍采用了外挂独立卫星通信芯片的设计方案。
图 2 天地多模终端外挂方案
在实际应用过程中，除上述典型外挂方案外，也会出现基于典型方案的变种以及过渡方案，将蜂窝通信与卫星通信的基带或天线等进行部分融合。如iPhone 14/15系列提供的卫星紧急SOS服务[5]中，并未完全采用外挂芯片方案，而是将卫星通信与蜂窝通信基带进行了一定程度上的融合。
2.3.2 融合芯片一体化方案
传统地面蜂窝网络一体化芯片将应用处理器、蜂窝基带处理单元、射频单元等高度集成于芯片上，极大提升了通信设备的效率与性能。一体化芯片以其紧凑的设计使得手机体积更小，同时有效降低手机的重量与耗电量，提升用户体验的同时还能简化生产流程，其结构示意如图3所示。这一高度集成的设计方案，显著优化了通信设备内部结构，极大地提升了设备的运行效率与通信性能，为用户带来更加流畅、稳定的通信体验。现在地面蜂窝通信手机大多数采用了一体化芯片设计，这是行业发展的一个趋势，也是满足消费者需求的重要手段。
在未来通信技术持续革新的进程里，卫星直连手机的诸多技术方案中，融合芯片一体化设计方案作为一项前沿且极具潜力的技术趋势，将逐步成为连接地面与卫星通信、推动移动通信与物联网深度融合的重要桥梁。融合芯片一体化设计方案在传统地面蜂窝网络一体化芯片的基础上，除应用处理器、蜂窝基带与射频功能外，还将卫星通信中涉及的卫星基带处理单元、高性能多频段射频单元也集成在单一芯片之中。通过融合芯片一体化这种高度集成的芯片方案，能够使用户使用大众化手机终端时，在无地面网络覆盖的区域也能享受到稳定的通信服务，满足用户多样化的通信需求。该方案适用广泛，不仅适用于高通量卫星通信场景的需求，同时因为集成化后缩小了整体的体积与功耗，也能应用于物联网(IoT)场景，为不同领域提供强有力的技术支持和解决方案。此外IoT NTN虽然面向物联网为主的窄带通信，但在紧急情况下也能够为手机用户提供应急通信功能。
图 3 天地多模终端外挂方案
03 多模终端面临的挑战
3.1 频谱影响
卫星频谱的高效利用对手机硬件设计提出了多维度且精细化的需求。随着卫星通信技术的不断发展，手机需集成更高性能的射频前端模块，以支持更宽频段的信号接收与发射，确保在复杂多变的卫星频谱环境中稳定通信。这对手机硬件设计提出了较高的要求：天线需要优秀的信号捕获能力并减少干扰，数字信号处理器(DSP)与基带芯片的性能快速解析卫星信号中的有效信息并优化传输效率。
随着通信技术的发展，多模终端需要支持多种通信标准和频段，增加了对有限频谱资源的需求和竞争。首先，不同国家和地区的频谱政策和监管要求可能不同，多模终端需要符合各种法规要求，增加了设计和实现的复杂性。其次，对于多模终端的射频前端设计而言，需要支持多种频段和模式，这可能导致射频前端器件数量的增加，影响终端的集成度、体积和成本。另外，多模终端中的射频芯片设计也面临巨大挑战，射频芯片架构需要适应多模多频段的需求，如何平衡体积、成本和性能之间的关系，以同时支持不同模式和频段的共存。最后，由于多模终端引入的多个频段，如何管理多模终端的干扰也是一个挑战，包括多模终端在频率共享和干扰规避方面面临挑战，需要考虑空间隔离、频率共享机制等技术来减少干扰。
3.2 网间协同
多模终端在天地一体端网协同方面面临的主要挑战是网络切换。对于多模终端在不同的状态如空闲态和连接态，在不同的通信环境和网络制式间如何进行切换，如从蜂窝网络到卫星网络，要求终端具备高度智能化的移动性管理能力。这种能力涉及到实时监测网络条件、预测用户移动轨迹、评估网络质量等，并根据这些信息智能选择最佳的通信路径。同时，终端还需要能够快速响应网络变化，实现平滑的切换过程，最小化通信中断，确保用户体验的连贯性。此外，多模终端的设计还必须考虑到功耗优化，因为频繁的切换和持续的网络搜索可能会显著增加能耗。因此，如何在保证通信效率和稳定性的同时，实现低功耗运行，是多模终端设计中的一个关键问题。
3.3 天地功耗管理
卫星多模手机终端需要在地面移动通信网络和卫星通信网络之间无缝切换，以满足用户在不同场景下的通信需求。然而，这两种通信模式在功耗上存在显著差异。地面移动通信网络由于基站密集、信号强，手机终端在通信过程中的功耗相对较低。而卫星通信网络由于卫星距离远、信号衰减大，需要更高的发射功率和接收灵敏度，从而导致功耗显著增加。因此，实现天地功耗管理成为了一个重要的技术挑战。
P提出了扩展不连续接收等节能技术，并研究了非连续卫星覆盖场景下的UE功耗节能增强技术，如在无覆盖状态下进入低功耗模式(PSM、MICO模式)等。如何在这些低功耗模式下对UE的状态进行有效管理，确保在无覆盖时不进行不必要的PLMN接入尝试，同时在恢复覆盖时能够迅速响应的技术[6]。UE相关的节能技术包括改进UE的覆盖检测算法，以增强其在不同状态下的切换效率；基于UE对网络覆盖情况的预测和动态调整，设计更智能的功耗节省策略；UE在不同RAT之间切换时，设计保持低功耗和高效服务恢复的方案，对多RAT环境下的信令和功耗管理策略进行优化，以确保功耗节省机制在不同RAT之间的一致性和兼容性。
为了应对这一挑战，可通过开发高效的功耗管理算法，并根据当前的网络环境、用户行为以及电池状态等因素，智能地调整手机终端的功耗状态。同时，还可以通过优化卫星通信模块的硬件设计，提高能效比，降低通信过程中的能量消耗。
3.4 卫星智能对准
卫星多模手机终端在通信过程中需要保持与卫星的精确对准，以确保信号的稳定传输。然而，由于手机终端的体积小、重量轻，且用户在使用过程中会频繁移动和改变姿态，这使得卫星对准成为了一个复杂且具有挑战性的任务。
为了实现卫星智能对准，需要集成先进的卫星跟踪和定位技术。这包括使用高精度的卫星导航接收机来实时获取手机终端的位置和姿态信息，以及利用先进的算法来预测和补偿卫星位置的微小变化。同时，还需要设计高效的卫星天线系统，能够在用户移动和姿态变化时自动调整天线的指向和极化方式，以确保与卫星的精确对准。
此外，还可以考虑引入人工智能和机器学习技术来优化卫星对准过程。通过训练模型来识别用户的使用习惯和移动模式，可以预测未来的卫星对准需求，并提前调整天线系统以做好准备。这样不仅可以提高卫星对准的准确性和速度，还可以进一步降低功耗和延长电池寿命。
3.5 小型化
卫星多模手机终端的轻量化与小型化是实现便携性和广泛应用的关键。然而，在集成卫星通信功能的同时保持设备的轻量化和小型化却面临着诸多技术难题。首先，卫星通信模块需要包含复杂的射频电路、天线系统以及信号处理芯片等组件，这些组件的体积和重量都相对较大。为了将卫星通信模块、射频电路、天线系统以及基带处理器等复杂组件集成到有限的手机空间内，设计者需要采用先进的封装技术和微缩化工艺，以实现高度的集成度。然而，高度的集成也意味着热量密度的增加，如何在如此紧凑的空间内有效管理并散发热量，成为了一个严峻的挑战。设计者需要创新散热解决方案，如采用高效的热管技术、石墨烯散热片等新型材料，以确保设备在高负荷运行时不会出现过热现象，保障用户的正常使用体验。最后，为了实现轻量化与小型化的目标，还需要在软件和算法方面进行优化。例如，可以通过压缩通信协议来减少数据传输量，从而降低对硬件资源的需求；或者通过优化信号处理算法来提高信号处理的效率和准确性，从而减少对硬件性能的要求。
3.6 产品化
将卫星多模手机终端从研发阶段推向市场，实现产品化，同样面临着诸多挑战。首先，产品化需要解决的是供应链的整合与优化问题。卫星通信技术的特殊性使得其元器件、制造工艺等方面与传统手机存在显著差异，如何构建稳定可靠的供应链体系，确保产品质量的稳定性和一致性，是产品化过程中的一大难题。其次，产品化还需要考虑用户需求的多样性和市场定位的准确性。设计者需要深入了解目标用户群体的使用习惯和需求特点，进行有针对性的产品设计和市场推广策略制定，以确保产品在市场中的竞争力和用户满意度。
3.7 成本控制
在卫星多模手机终端的研发和生产过程中，成本控制是一个不可忽视的技术挑战。首先，卫星通信技术的研发成本较高，包括元器件采购、研发人员投入、测试验证等多个方面。如何在保证产品质量和性能的同时，降低研发成本，是设计者需要面对的问题。其次，生产成本也是制约产品市场竞争力的关键因素之一，如何通过优化生产流程、提高生产效率、降低物料消耗等方式来降低生产成本，是制造商需要重点关注的问题。此外，成本控制还需要考虑产品的定价策略和市场需求等因素，以确保产品在市场中的竞争力和盈利能力。
3.8 技术体制的影响
按照技术体制分类，卫星通信技术分为私有体制和公开体制两种。天通、北斗等属于私有体制，基于私有协议开发并提前布局，利用存量资源满足当下市场需求。私有体制方案彼此是独立且隔离的系统，虽然部分体系之间通过关口局互通的方式，实现了部分通信业务的跨系统联通，但不同通信体制下设计的不同通信系统的用户间仍无法完美实现互联互通，软硬件与现有通信系统的不适配限制了私有体制的进一步发展。
3GPP NTN是公开体制，在全球范围内具备完善的商业化产业链，依托几代蜂窝网络通信行业发展基础，使其在终端发展和行业融合方面有其独特优势。拥有丰富产业链且标准公开的技术体制将成为未来技术发展趋势。目前MTK、展锐和中兴都提出了各自的基于3GPP NTN的方案。但3GPP NTN方案仍有待进一步成熟，国内也暂时没有支持这种方案的手机，短期内将保持私有体制各自占领一片江山的局面[7]。
04 总结与展望
在特殊通信领域，单模卫星手机作为一种独立通信解决方案，尽管目前市场份额较小，但其在偏远地区、紧急救援等场景下的独特价值不可忽视。然而，受限于卫星通信技术的成本和覆盖范围，单模卫星手机的应用场景仍较为有限。存量手机是从单一网络通信向天地双模通信转变中的一种尝试。它虽然对网络侧有更高的要求，但是减少了用户侧设备的更新成本，是基于蜂窝网络庞大用户群体及产业链的一种良好的过渡方案。天地多模手机作为移动通信技术发展的新趋势，结合了地面蜂窝网络与卫星通信的优势，实现了跨网络、跨地域的无缝通信。这种手机不仅能够满足用户在地面网络覆盖区域的通信需求，还能在地面网络不可及的区域通过卫星通信保持连接。随着5G与卫星通信技术的融合以及天地海一体化通信网络的构建，天地多模手机有望成为未来移动通信领域的重要发展方向。
卫星通信是手机市场最受关注的技术之一，各大手机厂商纷纷推出自己第一款支持卫星通信的手机，将其作为新一代旗舰机的招牌卖点。在这个阶段，均采用外挂卫星通信芯片与市面现有的5G基带芯片组合的方式，使新机型能够最大程度上的继承本品牌前期蜂窝通信手机的技术积累，打造具备卫星通信能力的蜂窝通信手机并迅速进入市场。第一波风潮中入场的高端机首先提供的是新技术的新鲜感，前来尝鲜的用户对于产品溢价和卫星通信的实际效果都不会有过多的要求。但随着市场成熟与竞争加剧，同时具备卫星通信与蜂窝通信能力的手机将逐步向大部分公众手机用户渗透，下一代卫星直连手机将同时面临性价比与使用体验需求的提升。
对于卫星通信功能更广泛和更深入的应用将会推动芯片技术向深度融合的方向发展。与外挂芯片的架构相比，卫星通信的融合方案将一种或多种卫星体制同移动蜂窝能力结合起来，形成一体化的芯片设计思路，在终端尺寸、性能效率和制式切换方面均会有所提升，为卫星通信功能在更务实的层面展开铺平道路。在转化的过程中，传统通信厂商将在新形成的融合产业链中发挥更重要的作用，随着3GPP NTN 协议和技术的成熟，传统通信芯片厂商陆续提出自己的NTN方案，拥有5G主芯片生产能力的他们将在一体化进程中占据主动，私有体制凭借第一批卫星通信市场获得的先发优势将受到影响，而更进一步的竞争也将推动卫星通信技术进入发展新的阶段。
05 参考文献
[1] 亚森江·阿布都热合曼,段卓君,刘向南,等.6G星地融合网络资源管理关键技术[J].移动通信,2024,48(1):47-55
[2] 刘悦.国外高通量卫星系统与技术发展[J].国际太空,2017,(11):42-47
[3] 薛元星,赵治,段乔曼.星链手机直连卫星业务商业模式及组网方式[J].天地一体化信息网络,2024,5(2):85-91
[4] AST Space Mobile.AST Space Mobile confirms 4G capabilities to everyday smartphones directly from space[EB/OL].[2023-07-23].https://ast-science.com/2023/06/21/ast-spacemobile-confirms-4g capabilities-to-everyday-smartphones-directly-fromspace/
[5] Apple Inc.Connect to a satellite with your iPhone[EB/OL].[2023-12-08].https://support.apple.com/enus/105097
[6] 3GPP.Procedures for the 5G System (5GS)(Release18):TS 23.502[S].2024
[7] 陈东,仲小清,邓恒,等.宽带卫星通信网络技术发展态势与发展建议[J].前瞻科技, 2022,1(1):86-93
