白皮书：卫星直连手机技术 -开心体育

非地面网络 (ntn) 概述

当前 ntn 发展格局可从四种范式角度进行理解，每种范式分别反映了不同的技术路径与演进方向。

• 非 3gpp 卫星通信：为支持早期 ntn 服务，卫星网络运营商、终端厂商和基础设施提供商协同合作，针对性增强了用户设备 (ue)。一个例子是商用智能手机能够支持基础的卫星紧急短信功能。
• 5g iot-ntn：iot-ntn 首次在 r17 规范中引入，并在后续版本中持续发展，为低功耗广域应用提供卫星连接支持。
• 5g nr-ntn：3gpp 在 r17 规范中正式将 ntn 纳入 5g 新空口 (nr) 体系。该方案具备完整且面向未来的架构设计，并在后续版本中持续增强。由于需要网络侧与 ue 侧共同适配，因此被视为 ntn 的中长期演进路径。从长期来看，nr-ntn 预计将支撑向 6g 架构演进。
• 卫星直连手机 (dtc) 通信：dtc 是一种务实、以快速商用为导向的 ntn 部署方式。与专有开心体育的解决方案不同，dtc 复用 lte (e-utran) 等成熟的蜂窝通信技术，后续阶段还将扩展至 5g nr。在 dtc 架构中，普通终端无需硬件改造即可接入卫星网络。针对传播时延、多普勒效应和信令限制等问题，相关补偿机制主要在网络侧实现。

卫星直连手机技术

dtc 并非正式的 3gpp 标准化术语，也不单指一项技术。相反，它面向已大规模部署的商用 lte 设备，使其无需硬件或软件改造即可具备基础的卫星通信能力。dtc 的目标是在地面网络覆盖不足的地区，提供短信、语音和基础数据传输等基础通信服务。

从概念上看，dtc 依赖具备先进调制解调能力的卫星，这些卫星在轨运行时可模拟地面基站。因此，dtc 是一种务实的早期部署方案，通过主要在网络侧进行适配，实现基于卫星的蜂窝连接扩展。

当前 dtc 与 lte 架构高度一致，为未改造的 4g 终端提供卫星连接能力。未来可能引入 5g 独立组网，但初期难以支持 3gpp r17 规范定义的完整 ntn 特性。长期来看，dtc 预计将被 nr-ntn 开心体育的解决方案所取代，后者在效率和可扩展性方面更具优势。dtc 的主要优势在于快速商用落地，但受限于会影响整体系统性能的技术限制。频谱分配也是一个问题，目前的开心体育的解决方案是依赖频谱共享，或复用现有的移动卫星业务 (mss) 频段。

dtc 不依赖于专门的技术规范，而是主要基于 3gpp e-utran (lte) 框架，并辅以卫星网络运营商实施的专有改进机制。这些机制旨在实现卫星无线接入，并保持对现有 ue 的兼容性。

在架构方面，dtc 的一大限制因素在于其受到时延约束，进而依赖低地球轨道 (leo) 卫星星座实现通信。运营商采用不同的部署策略，涵盖低轨道的高密度星座和高轨道的稀疏部署。在部分实现中，传统的 lte 基站功能 (enodeb) 直接集成到卫星有效载荷。普通的智能手机可直接通过常用的地面通信协议接入网络。业务流量随后通过地面基础设施或星间链路进行回传。

卫星通信的核心技术挑战在于处理多普勒频移、传播时延和极化效应等物理层损伤。在标准化 ntn 方案中，由 ue 与网络侧共同补偿这些影响。在 dtc 方案中，主要在网络侧进行补偿。这种设计保证了与现有设备的兼容性，但在一定程度上牺牲了效率。

当前 dtc 实现的典型技术特征如下：

• 与未改造的商用设备兼容：系统的设计目标是使卫星提供的蜂窝小区在终端侧与地面 lte 小区完全一致。为实现这一点，需要 leo 卫星提供准静态波束，并依赖高密度星座部署。
• 网络侧补偿：通过基站侧实施的预补偿技术抑制多普勒效应，通常以地面固定参考点为基准。传播时延问题同样在一定程度上依赖网络侧适配得到缓解，因为单靠 lte 的定时提前机制并不足以覆盖卫星距离。卫星在下行链路中预先补偿多普勒效应，在上行链路中执行后补偿，以校正载波频偏与采样频偏。
• 设备侧因素：dtc 旨在避免对 ue 进行改动，但厂商可能会更新一些软件，以提升设备在卫星环境下的性能。除此之外还存在其他挑战，例如应对更大的载波频偏以及卫星切换时的快速频率变化。
• 卫星架构：dtc 受到长时延和随机接入限制，仅适用于 leo 星座。为补偿多普勒效应，卫星需采用窄波束设计，并支持多波束并行工作，以提升系统容量。
• 频谱使用：dtc 目前没有全球专用频谱。现有实现方案依赖于与地面网络共享频谱，或复用 mss 频段，但这两种方式均需获得监管许可。
• 网络架构与角色：核心网络仍位于地面侧，卫星网络运营商作为受访公共陆地移动网络 (vplmn)，而地面移动网络运营商则作为归属公共陆地移动网络 (hplmn)。hplmn 负责端到端业务管理，包括认证、策略控制和监管合规。

简而言之，dtc 是一种过渡性方案，基于现有的 lte 基础设施实现卫星连接，并尽量减少对用户设备的改动。该方案虽可快速部署，但也暴露出在缺乏完整标准化体系时，将地面技术应用于非地面环境的局限性。

卫星直连手机网络的测试与测量

ntn 的测试与测量方法发生了明显变化。在传统的地面通信系统中，ue 处于移动状态，而网络基础设施基本固定。dtc 场景则与之不同，需要同时考虑链路两侧的移动性，包括高速运行的卫星。尽管如此，可靠性、准确性和可重复性等核心测试原则不变，但实现复杂度显著增加。

另一个挑战在于缺少标准化的测试流程，因为 dtc 尚未在 3gpp 中明确标准化。相关测试方法主要基于 lte 框架，并结合运营商的特定需求进行补充。因此，有效的验证工作依赖于设备厂商、移动网络运营商 (mno)、卫星网络运营商 (sno) 和测试设备提供商之间的紧密协作，共同制定合适的测试方法。

从无线电角度来看，dtc 测试必须应对显著区别于地面环境的测试条件。这包括：

• 由于传播距离远而导致的高路径损耗和弱信号
• 影响时序与同步的长传播时延
• 卫星运动引起的显著多普勒频移
• 动态通道条件，包括卫星切换时的快速频率变化

除了地面通信中的衰落与多径传播效应外，卫星链路还会进一步受到大气现象的影响，例如极化旋转（法拉第效应）、信号闪烁以及天气相关衰减。现有的 ntn 通道模型可相应调整，以用于真实的 dtc 测试场景。