手機直連低軌衛星通信：架構、關鍵技術和未來展望*

孫耀華，許宏濤，彭木根

（北京郵電大學網絡與交換技術國家重點試驗室，北京 100876）

0 引言

IMT-2030（6G）推進組發布的《6G 總體愿景與潛在關鍵技術白皮書》[1]提出，6G 將利用天基實現陸地偏遠地區、海上和空中覆蓋，最終構建星地融合的移動通信網絡。在星地融合背景下，第三代合作伙伴計劃（3GPP,3rd Generation Partnership Project）已開展支持手機直連衛星的非地面網絡（NTN,Non-Terrestrial Network）的標準制定工作，預期為個人用戶提供全球泛在接入[2-5]。

實現手機直連衛星通信的技術路線主要包括基于多模終端的方案、面向存量手機終端的方案以及基于3GPP NTN 標準的方案。多模終端方案可視為目前衛星通信技術的延伸，便于手機直連業務的快速落地，但由于其采用私有協議，無法迅速做大生態鏈。面向存量手機終端的直連方案基于3GPP 標準對基站側進行增強，手機終端不需要改動，在NTN 標準體制還未完全明確的情況下，該模式可以快速部署推廣。然而，該類方案需解決現有基站上星性能回退的問題，星上也需做較大的改動以實現基站功能?；?GPP NTN 標準的方案則面向增量終端直連衛星，終端/基站需升級以支持Release 17（R17）及之后的版本，產業支持廣泛。

當前，國內外企業積極開展手機直連試驗驗證和業務落地。在多模終端技術路線方面，蘋果手機通過內置Globalstar 衛星通信模塊支持短消息發送；華為Mate 50 內置北斗通信模塊，支持L 頻段的單向短報文通信，Mate 60 內置天通衛星通信模塊，提供通話與短信業務。面向存量手機終端，Lynk Global 公司已發射7 顆技術驗證衛星，完成了在軌衛星與存量手機進行雙向語音通信的外場實驗驗證；SpaceX 計劃推出基于4G LTE 上星的存量手機直連業務；AST SpaceMobile 低軌試驗衛星BlueWalker 3 搭載了64 平方米的巨型相控陣天線，實現了存量手機與試驗星通話和5G 連接測試。NTN 技術路線方面，Omnispace 公司利用n256 頻段，于2021 年實現了商用5G 終端通過衛星獲取語音和數據服務的演示驗證，目前已有2 顆實驗衛星在軌運行；中國移動聯合中興通訊等實現了全球首個運營商基于3GPP R17 IoT-NTN的技術外場驗證，并于2023 年9 月實現了低軌通信環境下NR-NTN 的實驗室驗證；中國電信基于天通衛星完成了NR-NTN 終端直連衛星現網環境測試驗證。

標準化方面，3GPP R17 確認空口標準支持星上透明轉發和星上處理兩種模式，并對無線接入網關鍵技術進行了增強[6]；R18 為滿足靈活多樣的網絡架構和業務需求，研究無GNSS 能力終端的支持以及覆蓋、移動性管理方面的增強[7]；未來R19 版本將逐步開展基站上星架構的標準化。后文首先對手機直連低軌衛星的架構進行探討，隨后對手機直連低軌衛星的關鍵技術進行詳細介紹，最后給出未來的技術發展方向。

表1 為手機直連衛星實驗驗證與應用：

表1 手機直連衛星實驗驗證與應用

1 手機直連低軌衛星網絡架構

本文將手機直連低軌衛星的網絡架構分為四類，包括基于透明轉發的NTN 手機直連低軌衛星架構、基于部分可再生處理的手機直連低軌衛星網絡架構、基于完全可再生處理的手機直連低軌衛星網絡架構、基于集成接入和回傳的手機直連低軌衛星架構。

1.1 基于透明轉發的NTN手機直連低軌衛星架構

基于透明轉發的NTN 手機直連低軌衛星架構如圖1所示，透明轉發架構由NTN 終端、透明轉發衛星、信關站、NTN 地面基站、地面核心網、公共數據網組成。其中，透明轉發衛星功能包括射頻濾波、頻率轉換和信號放大，和地面信關站共同作為NTN 基站的遠端射頻單元。終端與衛星間的服務鏈路（service link）以及衛星與信關站間的饋電鏈路（feeder link）均采用NR-Uu 接口，而信關站則通過前傳鏈路與NTN 基站連接。由于該架構在星上僅實現射頻功能，其余接入網功能均部署在地面，系統能夠進行跨整個協議棧的集中處理和協調，高效支持CoMP、MIMO、負載平衡、切換管理等功能。此外，射頻和物理層間的分離允許重用射頻組件以服務不同無線接入技術，從而提升了物理層的可拓展性。然而，該架構面臨空口傳輸時延長、對饋電鏈路傳輸資源要求較高等問題，例如在100 MHz 的基帶信號帶寬下，單個天線端口就需要614 Mbps 的傳輸資源。為此，3GPP R17 在已有定時參數基礎上引入額外偏移量用于涵蓋星地傳播延時的影響，同時允許關閉HARQ 機制提升長傳播時延下的信道資源利用率[8-9]。除此之外，由于該架構不存在星間鏈路，數據轉發嚴重依賴信關站，難以實現全球網絡部署。

圖1 基于3GPP NTN透明轉發衛星的手機直連低軌衛星架構

1.2 基于部分可再生處理的手機直連低軌衛星網絡架構

（1）基于物理層功能切分的方案

為降低基于星上透明轉發的網絡架構對饋電鏈路帶寬的要求，考慮基于部分可再生處理的手機直連低軌衛星網絡架構。根據3GPP 38.816[10]，NR 物理層的潛在功能劃分如圖2 所示，預編碼模塊位于層映射之后、OFDM調制之前。在劃分方案2 中，星上僅具有調制和射頻功能，其余物理層功能在地面實現，此時饋電鏈路傳輸的信號維度為預編碼之后的信號維度，即天線端口數。而在劃分方案1 中，星上同時具有預編碼、調制、射頻功能，其余物理層功能在地面實現，此時饋電鏈路傳輸的信號維度為預編碼前的信號流數。因此，方案1 能夠節省饋電鏈路帶寬資源，但相對方案2 星上實施復雜度增大。根據調研結果，美國AST Spacemobile 采用的手機直連低軌衛星網絡架構參考了方案2，在Blue Walker3 試驗星上實現了預編碼功能。

圖2 星上部分可再生處理下的星地功能切分方案

（2）基于MAC 層及以上功能切分的方案

考慮到NR 基站完全上星會對衛星搭載能力以及基站供電帶來更高挑戰[11-12]，可進一步采用基站集中式單元（gNB-CU,gNB Centralized Unit）和基站分布式單元（gNB-DU,gNB Distributed Unit）分離的部署模式。如圖3 所示，基站部分上星架構由終端、星上DU、地面CU、核心網、公共數據網組成，CU 和DU 間的邏輯接口定義為F1 接口，承載在饋電鏈路上。

圖3 基于CU-DU分離的手機直連低軌衛星網絡架構

參考3GPP 38.816 和38.811 協議[8,10]，星地間DU-CU 功能的潛在切分方式如圖4 所示：

圖4 星地DU-CU功能切分潛在方案

方案一將PDCP、RLC、MAC、物理層劃分于星載DU，RRC 層則位于地面CU。該劃分方式下，整個用戶平面均位于DU 中，有利于實現低延遲數據傳輸。

方案二將RLC 層及以下劃分于星載DU，PDCP 層及以上劃分于地面CU。該切分方式便于對多星流量負載進行協同管理，并且其實現基礎已在LTE 雙連接技術中進行了標準化，因此是一種最為直接、標準化工作增量最小的切分方式。

方案三對RLC 層內部進行劃分，將RLC 低層及以下劃分于星載DU，RLC 高層及以上劃分于地面CU。RLC下層由分段功能構成，RLC 上層包含ARQ 和RLC 的其他功能。在該切分方式下，星上不負責處理ARQ 協議，可以降低對計算和數據緩存的要求，但由于ARQ 協議對時延敏感，口空傳輸效率易受饋電鏈路時延影響。

方案四對MAC 層內部進行劃分，將MAC 低層及以下劃分于星載DU、MAC 高層及以上劃分于地面CU。MAC 高層負責控制多個MAC 低層與集中式資源調度，能夠執行CoMP 等干擾協調機制。對時延具有嚴格要求或性能與時延密切相關的功能則位于MAC 低層，如HARQ、信號測量、隨機接入控制。該劃分方式能減少F1 接口對時延的要求，還能夠高效地執行多衛星小區干擾協調。然而，在MAC 層內部進行功能劃分會導致CU-DU 間的接口復雜度增大，調度決策也將受到星地饋電鏈路傳輸時延的影響。

方案五將完整的物理層劃分于星載DU，MAC 及上層劃分于地面CU。該劃分方式下，地面可以實現MAC層及以上的資源池化，但需要CU 中的MAC 層和DU 中的PHY 層間進行子幀級定時交互，同時CU 與DU 間的饋電鏈路傳輸時延也將影響HARQ 性能。

方案一至方案五對應的CU 功能逐漸增強，DU 功能逐漸減弱。相應地，隨著CU 功能增多，F1 接口的傳輸數據有效載荷中數據包頭增多，帶寬需求逐步增大，對F1 傳輸時延的要求也越來越嚴格。

1.3 基于完全可再生處理的手機直連低軌衛星網絡架構

（1）面向存量終端且基于基站完全上星的手機直連低軌衛星網絡架構

該類架構目前以支持4G 存量終端為主，架構如圖5所示，其由普通4G 手機終端、衛星、信關站、地面核心網、衛星運營商網絡和公共數據網組成。其中，衛星采用可再生處理技術，搭載完整的功能增強4G 基站（eNodeB）。為了實現存量4G 終端無感知接入，星載基站需針對空間節點高動態、大多普勒頻移與時延等問題進行協議增強，例如，在HARQ 機制中根據調度的用戶信息提前發送ACK 以適應大傳播時延，同時在星載基站中引入地面網絡干擾感知技術，提升頻譜共享下用戶鏈路上行信號的接收成功率。數據流轉上，存量手機依靠4G 空口直連低軌衛星，用戶數據經過星間鏈路轉發，下傳至衛星運營商網絡，再傳輸至地面運營商網絡。當涉及用戶在天基和地基網絡間的切換時，本質上為用戶在兩張網絡間的漫游。

圖5 基于4G LTE基站上星的存量手機直連低軌衛星架構

當前，該架構被Lynk Global 與SpaceX 等公司廣泛采用，實現手機直連業務的快速部署。Lynk Global 已與全球30 多個移動通信運營商簽訂了手機直連衛星服務商業協議。2023 年10 月11 日，SpaceX 宣布將推出基于4G LTE 體制的存量手機直連星鏈業務，特別地，2023 年12 月1 日，FCC 對SpaceX 2 代星鏈星座部署與運行蜂窩網衛星進行了許可，允許SpaceX 在美國本土使用T-Mobile頻段，將1 910—1 915 MHz 和1 990—1 995 MHz 分別用于手機直連衛星的上行鏈路和下行鏈路通信。業務方面，SpaceX 預計2024 年實現短信發送，2025 年實現語音通話和互聯網業務，同年分階段實現物聯網業務。此外，星鏈衛星V2.0 將在Ku、Ka 天線和星間激光終端基礎上，額外配備面積達25 平方米的大型天線，以彌補手機直連鏈路預算的不足。

（2）基于NTN 基站的手機直連低軌衛星網絡架構

3GPP Rel-16 研究了基于NTN 基站的手機直連低軌衛星網絡架構。如圖6 所示，基站完全上星架構由NTN終端、NTN 星載基站、信關站、地面核心網、公共數據網組成。其中，衛星具有射頻濾波、頻率轉換、信號放大、解調/ 解碼、星間路由、編碼/ 調制、無線資源管理、接入控制等功能[14]。NTN 終端與衛星間的服務鏈路采用NR-Uu 接口，衛星與信關站間的饋電鏈路可以采用DVB-S2X 或5G NR 通信體制以承載控制面NG-C 和用戶面NG-U 數據，信關站則提供衛星與地面核心網的連接。此外，該架構不緊密依賴地面基礎設施，可以通過星間多跳回傳實現全球覆蓋。由于基站完全上星后顯著縮短了終端到基站的距離，能為物理層與MAC 層提供更小的傳播時延[15]。

圖6 基于NTN基站上星的手機直連低軌衛星網絡架構

1.4 基于集成接入和回傳的手機直連低軌衛星架構

為了更好地實現星間鏈路與衛星拓撲管理，還可以考慮基于集成接入和回傳（IAB,Integrated Access and Backhaul）技術的5G NTN 網絡架構[16]。如圖7 所示，一個IAB 網絡包含錨點IAB（IAB-donor）和IAB 節點，IAB 節點通過一跳或多跳的形式連接到IAB-donor。IAB 節點由終端功能部分IAB-MT 和分布式基站功能部分IAB-DU 組成。IAB-MT 具有UE 的部分功能，它可以以UE 的身份與另一個IAB 節點的IAB-DU 或者IABdonor 連接。IAB-DU 具備gNB-DU 的功能，允許來自普通UE 或者IAB-MT 的接入。任意IAB 節點通過其IABMT 與父節點相連，通過IAB-DU 為其子節點提供服務。IAB-donor 為IAB 拓撲執行集中資源管理和路由管理等。NTN 借助IAB 架構可將衛星作為IAB 節點，基于IABDU 與IAB-MT 的互連實現基于星間鏈路的衛星間多跳連接和數據傳輸。

圖7 基于IAB的手機直連低軌衛星網絡架構

2 手機直連低軌衛星關鍵技術

2.1 時頻同步技術

在移動通信中，終端需要與通信網絡進行初始時頻同步，并在接入網絡后不斷跟蹤時頻偏以維持同步狀態，確保數據傳輸能夠正常進行。在手機直連低軌衛星通信場景下，由于低軌衛星相對地面用戶快速移動，通信過程中產生的多普勒頻偏和定時變化率將遠超地面移動通信場景。以低軌衛星軌道高度600 km、載波頻率2 GHz 為例，星地最大多普勒頻移可達40 kHz，同時最大定時提前與定時變化率分別高達7 ms 與38 μs/s。針對頻偏，以單載波傳輸為例，在透明轉發場景中，NTN 基站可通過星歷信息和衛星波束中心點位置計算頻偏并進行預補償，同時廣播星歷信息與波束中心點位置，非波束中心點用戶根據廣播信息計算與中心用戶的頻差以進行用戶鏈路頻偏二次補償；在可再生場景中，星載基站根據終端和信關站位置分別補償用戶鏈路和饋電鏈路頻偏，非中心用戶針對中心用戶位置進行頻偏補償。在多載波系統中，手機終端通過導頻接收處理獲取載波級實時多普勒頻偏，然后在發送上行信號或接收下行信號時對信號進行預補償。對于時間補償，同樣選用參考點補償方式，當將參考點選定在衛星側時，手機以星地往返傳輸時延作為時間提前量進行補償。

2.2 鏈路狀態預測技術

自適應調制編碼（AMC,Adaptive Modulation and Coding）是一種鏈路自適應技術，主要思想為接收端根據解調參考信號（DMRS,Demodulation Reference Signal）的信噪比估計鏈路特性，將測得的信噪比的估計值映射得到信道質量指示（CQI,Channel Quality Indication）參數并反饋給發送端，發送端根據CQI 參數采用匹配信道狀態的數據調制和信道編碼方案，最大化信道利用效率。具體而言，在手機直連衛星的下行傳輸場景中，用戶根據DMRS 測得CQI 并反饋到衛星，衛星根據CQI 調整調制編碼方案；在上行傳輸場景中，衛星根據上行DMRS 測得CQI，然后下發控制信令使用戶調整調制編碼方式[17]。由于星地鏈路傳輸延遲嚴重，導致CQI反饋/ 控制信令下發滯后于鏈路狀態變化[17]，影響AMC技術性能。為解決上述問題，可在接收端采用鏈路狀態預測技術獲得未來的信道CQI，以彌補反饋滯后的影響。目前，鏈路預測技術主要依靠基于時間序列的預測算法，核心思想為利用當前和過去時刻的鏈路狀態信息預測未來時刻的鏈路狀態，具有計算復雜度低和實時強性的優點，但高動態性的星地鏈路可能導致時間序列數據不穩定，而傳統的時間序列預測算法通常假設數據間存在線性關系，因此難以適用?；跈C器學習的預測算法能夠通過卷積神經網絡（CNN）提取采樣數據特征，隨后利用長短時記憶網絡和門控循環單元提取時間序列數據的依賴關系，同時考慮多種信道影響因素如頻移、多徑數目等，以提高預測準確性，更好地適應星地快速時變鏈路[18-20]。

2.3 物理層波形技術

正交頻分復用（OFDM,Orthogonal Frequency Division Multiplexing）技術由于具有頻率資源利用率高、調制解調過程易于硬件實現、抗頻率選擇性衰落等優點，在地面移動通信中得到廣泛使用。但OFDM 波形同時具有較高的帶外輻射、CP 開銷和峰均比等問題?？紤]到低軌衛星通信具有功率和頻譜資源受限以及器件非線性程度高等特點，難以直接將OFDM 波形應用于手機直連低軌衛星通信。為此，可考慮采用廣義頻分復用（GFDM,Generalized Frequency Division Multiplexing）[21]技術作為OFDM 技術的擴展。GFDM 是在OFDM 基礎上，結合濾波器組的一種非正交調制技術，不僅保留了OFDM大部分優點，還具有低帶外輻射、數據塊結構靈活、低峰均功率比等優點。通過采用循環移位濾波器及時域窗函數，GFDM 各個子載波波形主瓣的帶外衰減速率能大幅增加，進而降低帶外功率泄露，減少相鄰頻段干擾。此外，GFDM 通過循環移位濾波器實現子符號在時域的疊加傳輸，每組疊加子符號只需添加一次CP，無需像OFDM 一樣為每個符號添加一次CP，可以減少CP 開銷，提高通信頻譜效率。在傳輸相同數據量時，GFDM 需要的子載波數更少，配合限幅性能優良的濾波器可以有效降低峰均比。已有研究[22-23]分析了OFDM 和GFDM 的誤碼性能，指出在數字廣播電視的超高頻場景中GFDM 誤碼性能優于OFDM，并證明GFDM 相較OFDM 對時序偏移和相位噪聲具有更強的魯棒性。

2.4 星載大型天線技術

傳統民用非手機直連衛星通信系統（如SpaceX 公司的Starlink V1.0），地面終端的天線直徑一般為20～30 cm 在手機直連低軌衛星通信場景下，考慮到用戶使用體驗，難以安裝該類天線。因此，主要通過在衛星側安裝功率更大、增益更高的大型天線實現手機直連衛星通信。星載大型天線技術的核心為在衛星上搭載大規模天線陣列，提高陣列總增益，解決星地鏈路損耗問題。其中，相控陣天線由于具有靈活度高、覆蓋面大、抗干擾性強等優點，預期成為未來低軌衛星普遍使用的天線形態。大型星載相控陣天線能提供較大的發射功率與較高的增益，能滿足窄波束傳輸、波束指向靈活調整以及多點波束傳輸等需求。美國SpaceX 公司發射的首批Starlink V2.0 mini 衛星部署了比V1.0 規模更大的相控陣天線。AST SpaceMobile公司的在軌測試衛星BlueWalker3 同樣搭載了大型相控陣天線，完全展開后的面積達64 平方米，是目前尺寸最大的商業相控陣天線。受限于衛星搭載能力，需要通過采用高收納比的二維在軌展開技術，將不同工作頻率的收發天線在相同口徑面積內集成，構建高增益、低剖面、超輕薄、收發共面的大面積高精度相控陣天線。

2.5 隨機接入技術

當手機終端具備精準星歷信息和自主定位能力時，能夠通過上行前導發送時的時頻偏預補償實現對地面移動通信系統前導序列的沿用，但當導航定位信號被拒止、手機定位能力不可用時，使用現有前導序列直接接入衛星將易導致定時提前估計失敗。此外，傳統四步隨機接入在星地長時延下存在效率低、接入速度慢的問題。為此，考慮以地面移動通信隨機接入方案為基礎，對手機直連衛星場景中上行隨機接入進行適應性增強，主要包括用戶終端側初始時頻預補償方案設計、星地兼容的前導序列格式設計和極簡隨機接入流程設計。時偏補償方面，衛星通過公共物理下行共享信道指示公共時偏值，手機以該值作為時間預補償值。星地兼容的前導序列設計以最大程度復用地面系統已有ZC 序列生成及檢測模塊為目標，通過靈活級聯ZC 序列并在兩種序列間進行差異化功率分配，降低前導檢測過程中的多用戶干擾影響，支撐大量用戶并發接入[24]。星地極簡接入流程將接入過程分為衛星廣播、用戶同步信號檢測與前導生成、衛星多用戶檢測與傳輸資源分配，通過簡化星地間信令流程，實現快速接入[25-26]。

2.6 波束管理技術

低軌衛星星座廣覆蓋下，網絡流量空時分布不均特征顯著，此外，多星波束聯合調度涉及因素眾多，決策復雜度高。傳統固定波束資源分配分下，難以適配業務流量空時分布非均勻特點，導致資源浪費[27]。為此，亟需研究更加高效的波束資源管理體制?？紤]到波束資源調度可進一步分為波束與小區間服務關系規劃、服務時間及波束頻率規劃以及波束內用戶間資源調度，可采用分層的波束資源管理架構[28]。具體地，在基于星上部分可再生的網絡架構下，地面CU 負責根據用戶上報的業務需求、波束小區位置信息、衛星星歷等信息進行周期性、網絡級的波束資源調度，給出下一調度周期波束-小區服務關系、服務時間和所用頻率分配，在波束規劃周期內，星上DU 則對各波束內的用戶進行更細粒度的無線資源分配。此外，為了支持衛星波束跳變，還需研究波束信息指示、波束切換和波束恢復機制。波束指示信息包含衛星向用戶提供的目標波束工作頻點、帶寬和可用服務時間，用戶通過對比目標波束索引值和當前波束索引值確定是否觸發波束切換流程。波束切換與恢復可分兩種情況進行討論，第一種是控制波束與業務波束分離的寬窄波束場景，第二種是控制波束與業務波束結合的場景。在寬窄波束場景中進行波束切換時，寬波束負責為用戶提供目標業務波束的時頻資源信息，用戶通過檢測目標波束的CSIRS 實現同步。由于用戶與寬控制波束一直維持同步狀態，當波束切換失敗時，用戶通過寬波束指定的上行傳輸資源反饋失敗事件，隨后網絡通過寬波束向用戶再次發送目標業務波束時頻資源信息。在控制波束和業務波束融合的場景中，用戶通過檢測SSB 實現與目標波束間的下行同步并獲取接入資源信息，當用戶上行接入失敗時，用戶通過上行隨機接入信道向網絡反饋波束切換失敗事件。網絡收到隨機接入請求后，再次分配接入資源。

2.7 移動性管理技術

由于低軌衛星高速移動，單顆衛星覆蓋地面用戶的時間較短，需要用戶和衛星間進行頻繁切換以保證通信連續性。然而，手機直連低軌衛星場景下，大量用戶并發切換易導致切換成功率低、傳輸中斷時間長以及信令開銷大等問題。針對海量用戶并發切換，在切換開始前，可基于用戶業務模式、傳輸速率需求及衛星負載限制對用戶進行群組分類，減少切換過程中的重復信令傳遞，有效降低切換開銷和平均切換時延，提升切換成功率。此外，傳統星間切換方案主要從單一判決指標出發，為實現零傳輸中斷的星間切換，需研究基于多屬性判決的星間無縫切換技術[29-30]。核心思想為基于衛星仰角、數據隊列延遲、空閑信道資源和發射功率等多指標提出多屬性融合算法，進行切換鏈路預判決同時進行資源預留，并在切換過程中執行基于用戶雙激活協議棧（DAPS,Dual Active Protocol Stack）的軟切換。位置管理方面，終端與衛星波束小區的雙重移動性顯著增加了位置管理開銷，同時衛星廣覆蓋與長距離星地鏈路將帶來極大的尋呼成本與信令傳輸延遲。為實現低開銷位置管理，可以基于地面移動通信網絡中的位置管理體制，設計地面固定的多層位置區和通用信令結構，構建時空融合以及用戶移動和業務特征感知的位置管理方案。

3 未來展望與技術挑戰

為增強手機直連下的天基網絡信息服務能力，未來還需開展通導一體化、星載邊緣計算、終端直通通信、時分雙工通信等技術研究。

3.1 通導一體化

低軌衛星系統具有信號損耗小、多重覆蓋等優勢，將通信與定位導航功能整合，可以提供更加豐富的信息服務。傳統低軌導航方案中，受限于低軌衛星體積、功耗、成本等因素，低軌衛星普遍采用高穩晶體振蕩器作為時頻基準構建的基礎，但隨著光學和微機電系統的進步，低功率、小體積的原子鐘，如芯片級原子鐘，能夠為低軌衛星提供高精度時間基準。另一方面，傳統地面測控系統測距、測速、測角技術與衛星激光鏈測距、航天器自主測控等新技術能實現衛星精確定軌，從而構建高精度空間基準。在高精度時空基準基礎上，低軌衛星可獨立產生測距信號，通過調制方式、電文、測距碼、擴頻碼等通導一體化信號體制設計實現通導應用中對頻譜資源的高效利用[31]，此外，利用波束調度與賦形技術，還能夠充分發揮低軌衛星星座在幾何精度因子（GDOP,Geometric Dilution of Precision）方面的優勢，提升終端的導航信號接收信噪比與定位算法解算速度，滿足精度高、時效性強的定位需求[32]。

3.2 星載邊緣計算

星載邊緣計算是指利用星上部署的計算和存儲等資源，實現數據在軌處理等功能。隨著航天電子技術的飛速發展，星上處理能力近年來得到了顯著增強。早期星上處理器一般采用單雙核架構，計算能力弱，如基于X86架構的80386ex 處理器芯片的主頻為33 MHz，算力只有11 DMIPS。目前，星載處理器主要為基于ARM 框架的多核處理器，算力顯著提升，如基于ARM 框架的HPSC主頻為800 MHz、計算能力為15 000 DMIPS[34]。未來，星上處理器將朝著眾核、智能以及低成本方向持續發展，將為星載邊緣計算提供有力支撐，最終大大降低業務時延，在遙感數據在軌處理、物聯網業務、小數據內容分發方面應用前景廣闊。

3.3 基于天基的終端直通通信

在戰術分隊、特殊任務執行等應用場景下，存在用戶間通過衛星直接通信的低時延、保密通信需求。為實現終端直通通信，可對接入協議棧的用戶面進行增強設計，包括拓展衛星載荷協議棧使其具備全部基站功能，或將用戶面功能下沉，衛星載荷僅充當數據傳輸的管道。若采用拓展衛星載荷協議棧的方案，衛星載荷需實現用戶數據收發、調制解調、分段重組、加解密等功能，對載荷處理能力提出嚴峻挑戰。同時，當端到端通信帶寬較大或用戶數目較多時，該方案將使衛星功耗顯著增加。在用戶面功能下沉方案中，業務數據的加解密、壓縮解壓縮、業務分流等功能直接由終端實現，衛星處理載荷不再負責相關的協議處理。同時，為保證分組數據單元與承載的正確對應，服務終端用戶的兩顆衛星間需建立拓展的Xn-U 接口。

3.4 時分雙工通信

在手機直連低軌衛星場景中引入時分雙工通信體制，可以應對上下行流量非對稱帶來的資源浪費問題[35]。通過對幀結構中的上下行時隙進行靈活配置，可以實現有限頻譜資源與上下行業務需求的有效匹配。此外，由于下行和上行傳輸分配在相同頻帶，TDD 制式在CSI 獲取方面具有天然優勢，可有效支撐星載大規模相控陣的運用。同時，收發同頻也有利于通過雙工器或開關電路簡化天線設計，降低手機硬件成本。然而，由于星地鏈路傳播時延較大，該技術在手機直連衛星場景中需解決上下行保護時間間隔過大導致的資源浪費問題。

4 結束語

本文首先介紹了手機直連低軌衛星的網絡架構，包括基于衛星透明轉發與可再生處理的架構等。之后介紹了面向手機直連的低軌衛星通信關鍵技術，包括時頻同步、鏈路預測、物理層波形、星載大型天線、隨機接入、波束管理、移動性管理等。最后，對手機直連衛星下的通導一體化、星載邊緣計算、終端直通通信、時分雙工技術進行了深入探討，給出了啟發性思路。