手机直连卫星技术是指手机直接与通信卫星相连接，卫星负责接收和转发信号，并对信号进行放大的技术。

卫星移动通信发源于上世纪九十年代中后期，1997至1998年，美国铱星卫星通信公司委托摩托罗拉设计了一套全球卫星移动通信系统，但于2000年3月星公司宣布破产。2022年3月，爱立信、泰雷兹集团和高通三家公司联合启动全球首个5G NTN（非地面网络）技术实验。2023年8月，华为发布全球首款支持卫星通话的大众手机Mate60 Pro。2024年1月，中华人民共和国工业和信息化部、中华人民共和国教育部、中华人民共和国科学技术部、中华人民共和国交通运输部、中华人民共和国文化和旅游部、国务院国资委、中国科学院等7部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，深入推进手机直连卫星等关键技术研究。

手机直连卫星是战略性新兴产业，有望提供真正意义上的移动通信全球覆盖，将为世界各地的个人和各类机构带来巨大的价值。

卫星移动通信发源于上世纪九十年代中后期，1997至1998年，美国铱星卫星通信公司委托摩托罗拉设计了一套全球卫星移动通信系统，由于72颗（其中6颗为备用星）人造卫星的排布就像铱原子核外电子分布，因此该系统被称为铱星。作为商业化低轨道卫星的鼻祖，铱星基本不依赖地面设施即可实现全球覆盖，但于2000年3月铱星公司宣布破产。

2022年3月，爱立信、泰雷兹集团和高通三家公司联合启动全球首个5G NTN（非地面网络）技术实验，通过低轨卫星验证普通智能手机支持卫星通信的可行性。同年8月，SpaceX宣布其第二代“星链”卫星与美国第三大移动通信运营商T-Mobile合作，连接美国部分农村和偏远地区的手机用户，填补地面通信在覆盖上的空白。SpaceX已获得FCC授权开展手机直连卫星测试，包含840颗卫星，于2023年12月发射首批6颗手机直连卫星。2023年8月，华为发布全球首款支持卫星通话的大众手机Mate60 Pro，通过使用中国的地球同步轨道卫星“天通一号”，率先实现了手机直连卫星的语音业务运营。同年9月，美国AST SpaceMobile公司宣布其测试卫星BlueWalker 3首次实现手机与低轨卫星的5G通信连接，下行速率约为14 Mbps。该公司在建设由243颗卫星组成的低轨星座，每颗卫星使用面积为64.4平方米的巨型相控阵天线，计划为全球范围普通手机用户提供高速网络接入。在手机芯片领域，三星电子、高通、联发科等公司在开发用于卫星通信的手机芯片，加快布局具备卫星通信功能的手机产业。在军事领域，美国国防部于2023年2月表示将采购手机直连卫星服务，增强军事通信能力。

2024年1月，中华人民共和国工业和信息化部、中华人民共和国教育部、中华人民共和国科学技术部、中华人民共和国交通运输部、中华人民共和国文化和旅游部、国务院国资委、中国科学院等7部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》，深入推进手机直连卫星等关键技术研究。

手机使用分配给卫星移动运营商的频率连接卫星，工作频段集中在L和S频段。该工作模式在本质上属于卫星移动业务（MSS），将传统的MSS技术集成到使用MSS频谱的新型智能手机中。工作在该模式的手机需要做修改，即必须集成卫星移动通信专用芯片。使用该模式的公司主要是手机制造商和卫星公司的组合，包括华为和天通卫星、苹果公司和全球星、铱星公司和高通/三星电子。

卫星使用已分配给地面移动通信运营商的频率连接手机。工作在该模式的手机无需做任何修改。卫星公司必须和地面通信运营商合作以获得频率使用权。采用该模式的公司包括AST SpaceMobile、SpaceX、Lynk Global等。AST SpaceMobile与美国电话电报公司（AT\u0026T）、英国沃达丰（Vodafone）等全球多家主要移动通信运营商合作，为无服务和服务欠缺的地区提供4G/5G速率的宽带手机连接，其测试卫星BlueWalker 3采用了AT\u0026T已获得授权的850MHz频段。SpaceX公司与全球六家大型地面移动运营商建立了合作伙伴关系，“星链”卫星使用其合作伙伴已有的频谱资源在各个国家开展通信业务运营。

3GPP（3GPP）已允许将卫星业务纳入其非地面网络标准，为卫星直连设备定义全球标准并规划新的频段，这是一种面向未来的星地融合解决方案。3GPP定义了5G NTN，2022年发布第17版（Rel-17）支持在L和S频段提供卫星接入，上行频率为1626.5～1660.5MHz和1980～2010MHz，下行频率为1525～1559MHz和2170～2200MHz。在发布的第18版（Rel-18）中又将频段扩展到Ka频段，上行频率为27.5～30.0 GHz，下行频率为17.7～20.2 GHz。支持该模式的公司包括Omnispace、爱立信、高通、三星电子等。美国Omnispace公司采用3GPP 5G NTN标准来建设低轨卫星星座（约200颗卫星），提供5G手机直连卫星服务。高通、三星、联发科开发与3GPP兼容的手机芯片，开发通过新标准定义的手机硬件实现与卫星连接。

在传统卫星通信系统中，通常是一颗卫星通过多个波束为地面提供服务，多波束间共享卫星的带宽和功率，不同波束的覆盖区域一般有部分重叠。但是用户数量和业务需求的地理分布并不均衡，单一的波束分配方式可能会造成带宽资源的浪费。跳波束技术是利用时间切片技术来有效分配波束的工作范围，从而提高卫星资源的使用效率，满足用户动态的业务需求。卫星跳波束技术最大的挑战在于如何根据地面的业务需求，在特定的时隙中提供合适的带宽和功率。未来新一代星地融合通信系统将具备一定的星上处理功能，卫星侧会根据地面用户的业务需求，不断调整波束的指向、频点、工作时隙、带宽以及功率等，从而有效提升整个系统的服务能力。

由于通信卫星的信道特性，单颗卫星仅能为用户提供单流的通信能力，即SISO。为了进一步提高卫星系统的通信容量，在未来新一代星地融合通信系统中会考虑采用卫星多波束技术，增加卫星波束数量、降低波束宽度以提高正交子空间数量，在同一时间内支持更多用户的接入，提高系统的通信容量。多波束技术根据卫星的数量可以分为单星多波束技术和多星多波束技术。单星多波束技术是指单颗卫星通过多个点波束为用户提供数据服务，多个波束之间可以通过OFDM调制技术获得正交的时频资源并结合预编码技术抑制波束间的干扰，从而提升系统的吞吐量。多星多波束技术是指通过多颗卫星的多个单波束向用户提供数据服务。在低轨卫星通信系统中，由于卫星的高速移动，卫星与用户之间的相对位置也在快速变化。多颗卫星与用户之间的相对位置变化，会破坏波束间的相关性，降低系统的吞吐量，解决这一问题还需要进一步开展相关研究。

在新一代星地融合通信系统中，为进一步提升卫星网络的工作效率，将以同一轨道面及不同轨道面之间的卫星大规模组网，实现高、中、低轨卫星协同处理，以及卫星与地面融合工作。由于激光链路具有大带宽、点波束等技术特点，卫星之间可以通过激光链路实现大容量、高速率、抗干扰性强的数据交换，从而提升卫星系统的性能。但由于激光链路的波束窄，容易造成接收卫星精确对准困难等问题，对卫星网络的拓扑结构带来极大的技术挑战。

手机直连卫星需要处理好技术发展与监管规则的关系。手机直连卫星的发展已领先于监管规则。按照世界各国的频率监管政策，地面通信运营商只能以独占方式使用授权的频谱，地面移动业务的频谱资源不能提供给卫星业务使用。事实上，为了抢占未来全球信息通信产业竞争制高点，某些国家在国际规则尚未明确的情况下，授权新技术使用未经ITU分配的频谱。例如，测试的AST SpaceMobile卫星使用了地面移动通信的频率（850MHz），但这实际上违反了现行的监管规则。频谱监管面临着的挑战是如何跟上技术发展的步伐，在促进新技术发展和频谱保护之间寻找平衡点。

卫星位于几百公里以上的轨道上，其与用户手机之间的距离远远大于地面通信基站与手机的距离。为了克服信号传输链路衰减，手机直连卫星的收发两端都需要较大的发射功率。由于地面系统的信号和地面到卫星的信号在发射功率上存在较大差异，如果地面和卫星系统使用相同的频谱，可能会产生严重的干扰问题。为了保护地面通信系统免受干扰，在某些国家和地区，已经存在不允许将地面通信运营商的频谱用于卫星运营的监管要求。因此，必须提前开展星地频谱共存和兼容性研究并制定频率管理规则，或者考虑为卫星系统划分特定的频谱，以消除干扰隐患，从而确保卫星信号与地面信号在融合业务上共存使用。

手机直连卫星是战略性新兴产业，有望提供真正意义上的移动通信全球覆盖，将为世界各地的个人和各类机构带来巨大的价值。