背景：

        北京时间2024年1月3日11点44分，美国的SpaceX公司发射了第131批21颗星链V2 mini卫星。其中6颗具备“直连手机”（Direct to Cell）功能。SpaceX宣称未来半年内还将发射大约840颗同类卫星。有报道称 SpaceX 计划发射总计7,500 颗第二代星链卫星（ Starlink Gen2），并将在其中 2,016 颗卫星上部署有效载荷，用于与 T-Mobile 公司合作的直连手机系统。这2016颗卫星是“星链”第二代星座7500颗卫星中的一个子集，轨道高度为525公里和530公里，共28个轨道面，每轨72颗卫星，轨道倾角为53度和43度。

1月10日SpaceX宣布，成功通过星链（Starlink）— T-Mobile手机直连网络发送了第一条短信。SpaceX计划未来一年内将其手机直连卫星服务推向市场。

正文：

SpaceX推出的手机直连服务，用户无需更换手机就可以实现直接与卫星通信。这是SpaceX Direct to Cell技术路线的最大特点和优势。但Space X的技术路线需要面对的两大挑战，一是业务全球部署，需要全球频率协调，二是电离层闪烁影响1.9G频段的可用性。

1.      全球频率协调

目前看，如何协调更多的可用通信频段是所有手机直连卫星系统都需要面临的难题。如果和还要加上“无需更换手机即可接入卫星星座”这个限定条件，无疑会大大缩减可供选择的频率范围。

简单的说，如果需要实现存量手机和卫星直连就必须选用存量手机所支持的地面移动通信频率。以SpaceX 低轨星座直连手机为例，其目前在美国国内进行测试。使用的具体频率为：1910-1915 MHz（终端到卫星）和1990-1995 MHz（卫星到终端），是3GPP标准中的分配给地面4G网络FDD-LTE的频段，位于频段号 B25的最高端。在美国国内，该频谱资源的地面移动通信使用权隶属于T-Mobile移动通信公司。

2022年8月，SpaceX和T-Mobile双方宣布合作，计划在2023年底前实现基于星链（Starlink）卫星的MSS服务，并在全球范围内逐步实现普通手机无盲点蜂窝网连接。2022年12月6日，SpaceX公司向美国联邦通信委员会（FCC）提交了“移动卫星服务（Mobile Satellite Service, MSS）”申请。要求FCC授权其在美国市场开放直接对蜂窝网（direct-to-celluar）的卫星有效载荷许可。

2023年11月底，FCC同意SpaceX提出的更改GEN2卫星使用频率以进行手机直连卫星业务的请求，授权日期从2023年12月1日至（视条件而定），随后Starlink回复邮件表示将于2024年上半年发射840颗卫星，并期望能扩展到全球测试。

在美国以外，也有不少其他国家的电信运营商宣布将与SpaceX合作，包括日本的KDDI、澳大利亚的Optus、新西兰的One NZ、加拿大的Roger。

目前由于频率协调的限制，SpaceX的直连手机服务只能在美国本土进行测试。如果想要实现存量手机在地球表面的任何地点都可以接入卫星系统，那么在理论上该系统就需要和全球二百多个国家和地区的地面运营商都达成合作协议，其困难程度可以想见。比如在我国1910-1915MHz和1990-1995MHz这两段频率分别被分配给了移动的4G-LTE和天通一号卫星。很多国家和地区的情况都和我国类似，上述的频率已经被分配使用。要逐一协商一致，并都能实现地面‘清频退网’的可能性很小。

同时由于相关频率的稀缺性，也导致了手机直连卫星无法获得很宽的通信频带。这也将在很大程度上了限制手机直连卫星服务的通信容量。还是以SpaceX直连手机服务为例，该系统采用LTE-FDD体制，上下行各5MHz带宽。假设采用3色或4色复用。根据LTE-FDD标准，其最小传输带宽为1.08MHz，对应的系统带宽为1.4MHz。如果是一个地面4G单扇区基站，其1ms时隙可支持的资源块（RB）数量为6个，每一个RB可传168个符号。粗略估算其上行峰值传输速率应该在2Mbps左右，仅从传输速率的角度考虑，可以同时支持传输语音数据的个数应该在200个以内。但是一个卫星波束，其覆盖半径至少是几十公里。对于手机直连卫星通信系统而言，上述通信容量还无法满足商用网络的要求。

2.      地面手机接入体制和低轨卫星的适配性

如果需要实现存量手机和卫星直连就必须选用目前手机可以支持的通信协议。SpaceX 低轨星座直连手机采用的是地面4G LTE-FDD标准。具体到无线接入网而言，手机接入基站的最小带宽为180KHz，编码方式为Turbo coding 1/3，调制方式为QPSK、16QAM、64QAM自适应。主站发小站收的载波调制编码特性和手机接入基站类似。

有利的一方面，手机发卫星收可以支持高效的64QAM调制方式，并应该还有余量。具体的假设条件如下：手机的最大发射功率不超过200mW，传输距离1000公里左右。载波带宽180KHz，卫星天线的接收增益不小于29dBi。

不利的一面，手机和卫星通信会遇到地面通信无需考虑的电离层闪烁。电离层闪烁是当电波通过电离层时，受电离层结构的不均匀性影响，造成信号振幅、相位等的短周期不规则变化的现象。据ITU报告，在从10MHz到最高12GHz的载波频率范围内都观测到了闪烁，在一定范围内，信号频率愈低，闪烁愈强。对12GHz以上的频率信号，电离层闪烁的影响可以忽略不计，而对0到3GHz的载波频率影响较大。在最差情况下，因电离层闪烁4 GHz信号幅度峰—峰的波动超过10 dB。

在地理区域上，有两个强闪烁的高发区，一个集中在以磁赤道为中心的±20度的低纬区域，以磁赤道异常驼峰区闪烁最强。另一个闪烁高发区集中在高纬地区。中国南方的低纬地区,特别是台湾、福建、广东、西、海南等地区,均处于地球磁赤道异常区的驼峰附近区域, 其电离层闪烁出现率和严重程度非常显著,是全球范围内电离层闪烁出现最频繁、影响最严重的地区之一。

对于中纬度地区，根据ITU的研究，其电离层闪烁的衰落深度分布可参见表一。

表一 中纬度地区电离层闪烁的衰落深度分布

对于低纬度地区，由于没有检索到频率为1.9GHz附近，关于电离层闪烁详细的观测报告。本文引用了广州地面站（23°8´N，113°17´E）于2007年4月18日至9月9日和2008年1月21日至9月24日对GPS信号观测的结果。由于GPS信号的载波频率为1.57GHz和1.2GHz，其观测数据仅供参考。

据图一所示，在2007年8月和9月每天观测到的GPS信号接收功率，峰-峰波动大于3.5dB（对应S₄=0.2）的卫星数目占全部被观测卫星数目的20%到35%。据图二所示，2008年7月一天中的很多时刻，GPS信号接收功率峰-峰波动大于8.5dB（对应S₄=0.4）的卫星数目占全部被观测卫星数目的10%以上。

通过大量的观测报告可以证实，剧烈的电离层闪烁会导致设备捕获和跟踪GPS信号性能降低，定位精度下降。值得注意的是GPS信号为BPSK调制，而LTE-FDD主要是采用幅度调制（QAM）。而相对于相位闪烁，幅度闪烁对接收的影响更为强烈。

综上，手机直连卫星面临最大的挑战就是频率资源的全球协调，如何从地面无线电业务中协调适当的频率和相对较宽的通信带宽是系统设计和实现的基础。3GPP NTN（非地面网络）是通过对5G空口协议进行增强以适应卫星场景的技术标准。主要从时域、频域同步，时序关系增强和混合自动重传等方面匹配星地通信的场景。而克服手机天线增益低、指向性差，星地之间传输距离远，以及部分地区电离层闪烁对通信信号的影响，都是商用通信系统必须面对的问题。

天地一体化，移动通信和卫星通信相互融合是未来网络发展的必然趋势。虽然我国在低轨卫星通信领域起步较晚，但随着低轨卫星星座建设被纳入国家新基建发展规划，必将迎来高速发展期。手机直连无疑是低轨星座最热的业务方向。对于下一步我国手机直连业务，笔者有一些粗浅的心得，一家之言，抛砖引玉。

l  是面向存量手机，还是5G NTN手机？

笔者倾向于后者。由于目前移动通信频率资源稀缺，在全球范围内协调获取统一的频率将非常困难（后来者的难度会更大），加之手机自身通信能力相对较弱，会直接导致系统承载用户的数量受限。即便是潜在用户众多也很难构建可持续的商业模式。

l  接入网支持现有通信协议，还是制定新的协议

笔者倾向于后者。原因有两个，一是现有的协议受电离层闪烁影响较大；二是未来地面移动通信系统，为了减少对超高频段（如亚太赫兹）功率放大器的影响，其载波的峰均比不能过高。因此，也需要研究新的波形设计。

鉴此，笔者认为我们不应盲目跟风Space X部署与4G LTE兼容的手机直连系统，而是应该通盘考虑，从我国实际出发，充分发挥后发优势，选择基于5G NTN技术路线，规划建设稳定高效的手机直连系统，推动5G向6G的快速演进。

参考文献：

1.   ITU-R P.531-14 建议书《卫星网络和系统设计中需要的电离层传播数据和预测方法》

2.   王斯宇,王劲松,余涛,单海滨,张效信.中国广州地区电离层闪烁观测结果的初步统计分析[J].空间科学学报,2010:47-53.