过去三十多年，卫星通信和地面蜂窝移动通信从竞争逐渐走向融合。5G NTN基于3GPP开放标准，星地产业链高度复用，优势突出，近年来逐渐成为产业关注的热点，本文简要分析星地融合通信发展趋势及5G NTN的产业进展。
文 | 开山
全文4000字，预计阅读10分钟
（一）
从竞争走向融合
过去三十多年，卫星通信和地面蜂窝移动通信从竞争逐渐走向融合。
20世纪90年代，低轨道卫星通信（铱星系统）和地面蜂窝移动通信（GSM）是竞争关系。最早的低轨卫星是铱星系统（Iridium），77颗卫星拉开低轨卫星通信的序幕，与地面蜂窝通信系统基本同期，铱星系统采用星上处理和星间链路技术，面向消费者，手持卫星终端（卫星手机）可以在地球任何地点提供无缝隙通信，并且解决了卫星网与地面蜂窝网之间的跨协议漫游。
但是，传统卫星通信有很多局限性。首先是区域的无效覆盖，三个高轨同步卫星就可以覆盖全球，成百上千个低轨卫星相对地面是高速运动的，只能均匀覆盖，而很多区域无效的，因为实际上并没有用户；第二，卫星信号无法覆盖室内及有立交桥和山体树林遮挡的室外；第三，卫星终端的小型化和天线间的矛盾，特别是人们已习惯于普通手机的内置天线（用户无感），而目前的商用卫星手机还是外置天线；第四，卫星通信频谱效率远低于蜂窝移动通信，StarLink的下行频谱效率是2.27bit/s/Hz，只达到3G水平，而5G的下行链路平均频谱效率是10 bit/s/Hz以上。最后也是最重要的，因为涉及卫星制造、卫星发射、地面设备、卫星运营及服务等诸多环节，每颗通信卫星的建设和运维成本十倍甚至数百倍于地面基站。
最终，铱星系统因为巨大的研发和系统建设费用申请破产，重组后转向行业应用。而地面蜂窝移动通信从2G一路发展到5G，用户规模不断扩大，商业十分成功。当前，随着StarLink、Telesat、OneWeb以及AST公司的卫星星座部署计划逐步推进，低轨卫星通信再度兴起，逐步和地面蜂窝通信相融合，主要原因是技术进步、应用需求和成本的变化。
技术方面，一是火箭发射、回收利用、卫星制造技术的进步，二是集成电路技术发展使得卫星小型化、模块化、组件化，以及星上处理能力的增强；三是通信技术的进步，从2017年到2022年，ITU、3GPP和ETSI大力开展并推动基于5G体制的卫星通信探索，3GPP 开始将卫星网络划入非地面网络（NTN）开展研究与标准化，针对星地融合的上述技术挑战，开展了包括定时关系增强、时间和频率的补偿、针对大无线环回时延（RTT）的HARQ改进机制、移动性管理与切换增强等技术优化，这些举措拉开了卫星通信体制与地面蜂窝通信体制走向融合的序幕。
应用需求方面，随着行业应用和人类活动范围的拓展，卫星通信全球覆盖和空间覆盖优势显现。目前，地面移动通信系统覆盖的人口已经超过70%，但只覆盖了20%的陆地面积，按地球表面积计算大概只有6%。5G主要服务于普通城市和乡镇用户，卫星通信的优势是偏远地区及空中、海洋、森林、沙漠的通信覆盖以及地震海啸救灾时应急通信，在农林牧渔业的应用前景值得期待。同时，5G对许多行业应用由于覆盖成本等因素难以实现，而宽带卫星终端、卫星物联网终端等潜在行业应用广泛。
成本方面，卫星通信复用蜂窝移动产业链可有效降低卫星通信产业成本，并实现两者间的覆盖和服务互补。
（二）
5G NTN优势
传统的高轨通信卫星主要满足偏远地区和特殊行业用户的电视广播、卫星电话、紧急消息发送等通信需求，受限于移动卫星终端本身的天线增益和发射功率，上星链路的速率不高。而且终端是专门定制的，和陆地的蜂窝手机不兼容，价格昂贵。
为了实现单一手机畅游全世界无盲区，基于低轨通信星座，业界开始将视线转向手机直连技术。对手机直连卫星呼声较高的人群主要分布在三大类场景中：一是人烟稀少地区，如高山、沙漠等；二是海洋及天空中，如航海航空载具上；三是应急救灾场景中。三类场景中以海洋天空场景商业潜力最大，尤其在民航业务中，高净值商务人群对空中通信服务需求迫切，其余两大类场景则对手机直连卫星也有迫切的刚性需求。
三大手机直连卫星方式——双模手机、存量手机、NTN（非地面组网）直连卫星技术各有优势。双模手机通信信号稳定，但外置天线影响大众化普及，主要应用在特定行业领域；存量手机直连方式下，所有的修改由卫星侧的基站来完成，市场推广成本低速度快，但一般只支持低轨卫星，在使用体验和演进上相对NTN较差；NTN基于3GPP开放标准，对手机和基站同时进行空口协议增强，其技术路线明确、演进潜力大，体验更好，星地产业链高度复用，可以支持高、中、低轨卫星，优势更为突出。
由于5G具有技术先进且成熟、产业链完整、规模经济等优势，5G NTN实现低轨卫星通信与5G兼容，能够利用和分享5G的产业链和规模经济效应。相对而言，5G NTN实现复杂度、建设和运维成本低，系统容量大，支持GEO/MEO/LEO场景，支持Ka/Ku/S等各种可用频段，终端类型包括VSAT终端和普通手机终端，实现全球无缝移动通信。推广上，既能契合手机更迭周期短的特点，人们更换新手机就可实现，又能满足行业应用需求。有望在手机红海市场中开启新的发展方向，开辟手机产业新市场。
（三）
5G NTN产业进展
近年来，5G NTN产业发展迅速。在2023世界移动通信大会(MWC23)上，三大手机芯片厂商高通、联发科、紫光展锐均进行了布局，为5G手机直连卫星创造了基础条件。
高通公司在MWC23上宣布正与荣耀、Motorola、Nothing、OPPO、vivo和小米合作，支持厂商利用近期发布的Snapdragon Satellite开发具备卫星通信功能的智能手机。Snapdragon Satellite解决方案由全面运行的低轨道(LEO)Iridium卫星星座系统提供支持，该系统能够利用具有气象韧性的L波段频谱，支持低功耗、 低时延的卫星连接。
联发科和Bullitt合作推出的支持卫星通信技术的智能手机摩托罗拉defy 2和CAT S75均采用联发科MT6825 3GPP NTN芯片组，支持卫星通信服务。此外，联发科还分享了下一代5G NTN技术，以迎接未来支持卫星通信的新型设备。联发科认为，智能手机等设备上的双向卫星通信技术具有划时代的意义，在众多不同的垂直领域中可开辟出更多新的可能性。
紫光展锐作为本土厂商，在年初已经联合中国电信卫星公司、中兴通讯、佰才邦、中国信息通信研究院、中国电信广东公司等产业合作伙伴，成功完成了全球首次S频段5G NTN技术上星验证。验证结果确认了基于紫光展锐芯开发的终端可用于手机直连卫星场景和天地一体物联网场景，具有强大的商用价值。
在MWC23上，紫光展锐对NTN相关技术和验证成果进行了展示。从完成全球首个L波段的R17 NTN上星实测，到S频段技术上星验证的再度成功，表明紫光展锐准确地把握住了前沿技术方向，在技术和市场上开拓更大的发展空间。目前，其NTN芯片、GNSS定位芯片均已完成研制。
（四）
未来方向
星地融合网络是以地面网络为基础、以卫星网络为延伸，覆盖太空、空中、陆地、海洋等自然空间，为天基、空基、陆基等各类用户的活动提供信息保障的基础设施。为突破4G、5G移动通信固有的受地形限制的不足，构建全球无缝覆盖的星地融合立体网络已成为当前国际讨论的热点和未来趋势，包括（3GPP）和 ITU 在内的国际组织已经成立了相应的工作组开展星地融合的标准化研究，我国通信标准化协会也于2019年成立了航天通信技术工作委员会开展星地一体化的研究工作。
相较于5G，6G理论上将在传输速率、时延、可靠性、连接数、安全等性能方面会有显著提升。随着车联网、混合现实、元宇宙、工业互联网等新兴应用落地，6G的三大特征越来越显著，也越来越聚焦和清晰：
一是由面向人与人的通信演进为人-机-物智慧互联。原来在5G中提及的高清视频传输、工业互联网、车联网等应用，在6G中将进一步完善，全息通信、智慧车联网、智慧工业互联网等将逐渐成熟进入商用，全面推进垂直行业的信息化和智能化发展；
二是真实物理世界与虚拟数字世界间的界限越来越模糊。虚实结合，元宇宙、混合现实、脑机接口等应用，将深刻改变人们的生活和工作，也将重塑传统的制造业及其产业生态，推进数字经济的发展；
三是从陆地通信演进为空天地海一体化通信。基于低轨卫星、无人机、浮空平台的空地通信成为6G的重要组成，从而迈入全域无缝宽带无线通信时代。
6G在设计之初就考虑星地融合，能在系统级上实现星地融合的优化，因此6G星地融合将是系统融合。在6G时代，陆地移动通信跟高、中、低轨卫星的有机融合，实现任何人、任何地点、在任何时间无缝全球覆盖和接入。需要对卫星、升空平台、无人机、地面蜂窝等组成异构接入，设计包含统一空口传输、统一接入控制、统一认证和统一组网协议，以用户为中心的智能网络架构，支持终端在星地间无缝切换，满足不同部署场景和多样化的业务需求。
考虑到低轨卫星通信相比高轨卫星时延小、路径损耗小的优势，手机直连低轨卫星将成为6G时代NTN的新亮点和必备能力之一。此外，随着低轨卫星载荷计算能力的增强，可在星上直接部署基站、核心网、软定义交换路由、移动边缘计算功能等，构建无所不在的天基低轨卫星通信网络。用户在边远地区、远海深海和极地等可无感知的使用6G手机，进行移动互联网畅游、无阻碍的进行远程视频监控、超高清视频下载等，而不知道是接入陆地的基站，还是低轨通信卫星。
参考文献
1. C114通信网，专访中国信科陈山枝：手机直连卫星热度再起，星地融合成为大势所趋，2022.12
2. C114通信网，专访彭木根教授：6G三大特征愈发显著，手机直连低轨通信卫星成新亮点，2023.3
3. C114通信网，MWC23观察：卫星通信大热，三大芯片厂商布局，2023.3
- END -
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