手机直连卫星：Starlink面向存量手机的通信能力分析

手机直连卫星：Starlink面向存量手机的通信能力分析

丁建瑞，张博嘉，范皓年，吕国成

（北京大学电子学院，北京 100871）

【摘  要】手机直连卫星技术，因其不依赖专用终端和地面蜂窝网络，可在地面网络无覆盖区域实现普通用户接入，对于实现空天地网络一体化覆盖具有重要意义。以Starlink手机直连卫星测试通信速率突破纪录为契机，对Starlink面向存量手机的通信能力进行分析。针对其卫星平台Starlink V2-mini-DTC，探讨其星上处理、星间链路和波束可操作性等特性；通过链路计算，重点分析其下行链路的通信能力，尤其是天线品质因数与等效全向输出功率等关键参数带来的影响；并与其他典型手机直连卫星系统进行对比，评估Starlink系统的优势与局限。

【关键词】非地面网络；手机直连卫星；链路计算

doi:10.3969/j.issn.1006-1010.20240906-0001

中图分类号：TN927.23         文献标志码：A

文章编号：1006-1010(2024)09-0153-07

引用格式：丁建瑞,张博嘉,范皓年,等. 手机直连卫星：Starlink面向存量手机的通信能力分析[J]. 移动通信, 2024,48(9): 153-159.

DING Jianrui, ZHANG Bojia, FAN Haonian, et al. Direct-to-Phone Satellite Communication: Analysis of Starlink Communication Capabilities for Existing Mobile Devices[J]. Mobile Communications, 2024,48(9): 153-159.

0   引言

随着移动通信稳步迭代演进移动网络进入4G/5G时代，高速、高带宽、低延迟的移动网络推动了手机互联网、工业互联网的应用及发展，但是目前地面通信基站仅覆盖了全球20%的陆地和5%的海洋，且只能为全球约50%的人口提供互联网服务^[1]。ITU、3GPP等国际标准组织在未来6G通信中着力解决全球覆盖问题，卫星通信因为具有无法比拟的广域覆盖优势，重新得到业界的关注^[2]，随着商业航天、卫星载荷的快速进步，低轨卫星网络以其低延迟、宽带宽等显著优势成为未来星地融合的重点发展方向^[3]。国内外正在抓紧发展完善低轨卫星网络，如Iridium发射IridiumNext卫星替换已有的卫星^[4]，SpaceX、OneWeb、Jupiter、AST等重点发展新兴的低轨卫星星座^[5]，我国完成了低轨卫星力量整合并成立“星网”公司，旨在自主建设我国的低轨卫星星座^[6]。卫星互联网是未来天地一体化网络的重要组成部分，结合当前技术研究成果及未来发展趋势，实现卫星互联网主要有两种方式：通过VSAT（Very Small Aperture Terminal）作为热点接入卫星和手机直连卫星^[7]。

通过VSAT方式需要专用的VSAT终端连接到卫星网络，同时向应用终端（电脑、手机、平板等）提供互联网接入特点服务，如SpaceX的Starlink终端。这种模式能够提供稳定、宽带上网服务，但由于VSAT终端体积、供电等也带来了一些不便，适用于家庭、办公等应用环境^[8]。

相较于VSAT方式，手机直连不需要专用的卫星终端设备而通过消费手机直接连接卫星，在无地面移动网络的覆盖区域实现移动网络接入，手机直连方式共用了射频单元，按照所使用的通信协议方式共有三种方式：使用私有协议、使用与地面移动网络兼容的4G/5G协议及使用新型NTN（Non-Terrestrial Network）协议。使用私有协议的如国内的华为Mate 60 Pro+使用天通实现卫星通话与短信收发，苹果与GlobalStar合作提供卫星应急通信服务；使用与地面移动网络兼容的4G/5G协议也即面向存量手机的直连。综合比较，私有协议方式需要在手机中加装专门的卫星通信模块提高了手机的成本，而NTN相关标准当前还处于发展完善阶段^[9]，面向存量手机的卫星直连具有显著优势。该方式下将传统的地面基站部署到低轨卫星载荷上，由卫星载荷或地面系统统一处理长时延、大多普勒频偏等信号传输问题，手机端不需要安装专门通信模块及APP就能实现卫星互联网接入^[10]。卫星制造商通过与地面移动运营商合作，快速支持地面移动网络的全球覆盖，实现在地面移动网络欠发达地区的跨越式发展。国外SpaceX、AST等知名公司通过先进卫星载荷技术主导这一方向发展。针对存量手机，卫星厂商通过改造卫星实现手机直连卫星的方式已经有一定实质性进展。2024年3月3日，马斯克在社交媒体发表推文表示：利用未经过修改的普通存量手机，完成了直接跟卫星通信数据下载速率达到17 Mbps的新纪录，甚至在树木覆盖或室内等条件下也可以完成通信^[11]。这标志着SpaceX在手机直连卫星业务方面的技术水平和服务质量已经达到了一个新的高度。同时，这也提供了一个重要参考，通过对这一结果的分析，可以更好地理解和评估手机直连卫星业务的性能和潜力。

本文从Starlink手机直连卫星系统的发展现状出发，针对其卫星平台Starlink V2-mini-DTC，探讨其星上处理、星间链路和波束可操作性等特性；通过链路计算，重点分析其下行链路的通信能力，尤其是天线品质因数与等效全向输出功率等关键参数带来的影响；并与其他典型手机直连卫星系统进行对比，评估Starlink系统的优势与局限。

1   手机直连卫星历史

早期的卫星移动通信系统通信速率较低，仅支持语音短信等低速率业务。卫星系统主要可分为高轨卫星系统和低轨卫星系统两大类，对于高轨卫星系统，卫星处于地球同步轨道，单星覆盖范围大，所需卫星数量较少，相同成本下可以发射更高性能、更长寿命的卫星，但路径损耗和延迟较大，通信速率难以提升。如1997年建立的Thuraya系统，采用静止轨道卫星，星上12.25 m口径的天线可以产生250～300个波束，为终端提供2.4/4.8/9.6 kbps的数据传输速率^[12]，仅支持语音短信业务。

相比之下，低轨卫星系统高度较低，路径损耗和延迟较小，但单星覆盖范围小，实现系统完整覆盖需要更多数量卫星，单星的性能相对较弱，且卫星相对地面高速移动，需解决不同卫星间切换的问题。如1998年推出的第一代铱星系统，由位于约780 km高度的66颗低轨卫星组成，其业务速率仅为2.4 kbps^[13]，仅能够支持低音质的语音服务。于2000年启用的Globalstar系统轨道高度为1 414 km，由48颗卫星+8颗备份卫星组成，话音传输速率有2.4/4.8/9.6 kbps三种，数据传输速率为7.2 kbps^[14]。与Mbps级别的手机互联网应用速率要求还相差甚远。

手机直连卫星业务面向的终端为一般的民用手机，其由于便携性等要求，受限于体积和重量，性能有限。而面对星地间天然的长距离所带来的高损耗、高延迟问题，需要卫星端性能提升来补偿。随着技术进步，卫星发射成本降低，可以实现卫星数量更多、性能更高的卫星系统。低轨系统所需卫星数量多的劣势较为不明显，而其较低的损耗与延迟使其越来越多地被采用。

2   卫星特性分析

Starlink手机直连卫星系统搭载在与猎鹰9号系统兼容的第二代卫星Starlink V2-mini上。其采用双太阳能电池板，展开面积达到12.8×4.1×2=104.96 m²，相比于前一代V1.5卫星展开面积为8.1×2.8=22.68 m²的单太阳能板，面积增大至近五倍，能支持更大能耗^[15]。特别地，针对手机直连卫星业务（DTC, Direct-To-Cell），Starlink的V2-mini-DTC卫星不同于其他卫星，没有搭载Ku、Ka和E频段对应载荷，而是仅搭载DTC载荷，通过激光回程接入现有的Starlink星座^[15]。Starlink解释这是由于DTC载荷的功耗与高频段宽带载荷相当，已经接近卫星能够提供的总功率。

除卫星平台总体性能提升外，为实现手机直连卫星功能，Starlink V2-mini-DTC卫星还具备星上处理、星间链路和波束可操作性等特性，下面进行详细探讨。

2.1  星上处理

由于Starlink手机直连卫星业务面向的是未经改造的存量手机，因此，在卫星侧需要具备正确处理原始手机信号的能力。传统的卫星采用透明转发方式，即卫星仅作为中继，对信号进行放大；而Starlink卫星采用再生转发方式，即卫星作为基站，具备调制解调与编解码能力，进一步提升通信效率。

Starlink使用标准的LTE/4G协议，在每颗V2-mini-DTC卫星上安装LTE调制解调设备^[15]。针对从地面基站向低轨卫星基站搬移所带来的挑战，Starlink解决了LTE 定时、多普勒和延迟限制兼容等问题，使卫星平台具备了相当于地面蜂窝基站的处理功能。

2.2  星间链路

通过卫星间的激光链路，V2-mini-DTC卫星可将回程信号接入现有的Starlink星座，进而通过与相应地面网络建立连接的其他卫星将信号传输至地面。传统模式下，卫星之间无法进行通信，单个卫星需要处于与用户终端、地面运营商设施均可建立连接的范围内才可实现正常服务。而在星间链路作用下，单个卫星即使未处于地面运营商设施的有效范围内，也可借助其他卫星中继，将覆盖范围内用户的通信信息传输给运营商，因而大大减少了所需地面设施的数量，增加有效工作范围。

2.3  波束可操作性

Starlink V2-mini卫星具备三个下行链路天线和一个上行链路天线，天线面积为2.7×2.3=6.21 m²，每个天线能够产生2种极化方式的8类波束，即每颗卫星共有48个下行链路波束、16个上行链路波束^[16]。系统中的所有卫星均经过控制，保证其发射和接收天线波束在最小和最大增益的定义范围内。利用这种可操作性，适应不同的用户密度（即人口稠密地区的高增益波束与农村地区的低增益波束）和不同海拔的服务。每个卫星上的所有下行链路点波束都可以在其对地视场中独立控制，而地球站仅与最小仰角以上的卫星通信。在保持（用户地球站及网关地球站）站星仰角一定数值情况下，不同轨道高度的卫星其对地视场不同。具体而言，在支持终端仰角25°情况下，不同高度所对应的最大半锥角及覆盖半径如表1所示：

对于每个用户波束，预期覆盖区域是-3（或-5）dB轮廓内的一个单元，如图1所示。在给定的中心频率下，对于给定卫星在地面上的一个用户单元，通常只有一束波束覆盖，对于-3（或-5）dB的波束覆盖轮廓，其覆盖半径约为20（或25）km，远小于表1中所示的卫星可覆盖半径。因此，卫星在工作过程中，需要通过调整波束角度，实现波束覆盖不同区域。使用相控阵的天线发射的波束随着远离视轴而逐渐加宽，也就使得指向星下点的视轴上的波束形状是圆形的，但当转向远离对地视轴时，椭圆形状会愈加突出。如图2、图3所示，以340 km高度为例，当波束角度改变时，等效全向辐射功率（EIRP, Equivalent Isotropically Radiated Power）随之改变，以保持恒定的最大功率通量密度（PFD, Power Flux Density），补偿天线增益和路径损失的变化。

2.4  卫星特性分析小结

Starlink V2-mini-DTC 卫星支持更高的功率，专用于处理DTC载荷，具备星上处理、星间链路和波束可操作性特点，以实现手机直连卫星业务在卫星端所需的功能。

3   Starlink手机直连卫星链路分析

2024年3月8日，SpaceX向FCC提交了Starlink最近展开的手机直连卫星相关的测试报告^[11]，表示卫星完成了与“三星、苹果、谷歌手机”的直连通信测试，测试地点包括城市、农村，室内、室外，开放地区和树林等多场景，完成了SMS、X（推特）、和WhatsApp等方式通信，并且完成了X上推文的发布，用户可以自主选择各类平台进行通信，“这对于应急通信很有必要”。同时，SpaceX 表示，下一步该手机直连卫星的网络将支持IoT、语音和网络数据浏览等业务，进一步提升系统对用户、企业和应急部门的价值。从技术角度来看，该系统链路预算符合预期，满足手机直连卫星的要求，两个多月的日常测试中，没有收到任何来自带内、带外或者跨境用户的有害干扰，也没有证据表明发生了干扰。

本部分利用链路预算的方法，根据本次测试的相关数据，分析Starlink手机直连卫星的链路情况。 

3.1  测试数据

SpaceX公布的测试数据如表2所示。在这之前，手机直连卫星通信速率的纪录由AST的试验卫星 BW3在2023年9月创造，达到了14 Mbps。Starlink在发射不足2个月就达到了更高的速率，测试结果体现了其性能方面的优势，下面将具体计算其链路情况。

3.2  链路计算

链路计算利用卫星参数、用户终端参数和路径损耗参数，计算接收端的载噪比，将其与对应速率下门限要求载噪比进行比较，得到链路余量，从而反应该系统在实现对应速率情况下信号的接收质量。

链路计算结果如表3所示，未考虑实际路径中极化损耗、大气损耗、树叶损耗和人为因素损耗等问题。其中最大授权PFD=−80 dBW/m2/MHz与带内场强限制有关。在带内，SpaceX和T-Mobile协商确定中值场强不得超过47 dBµV/m^[2]。根据最大授权PFD推算得到的最大允许EIRP=55.8 dBW，略小于卫星峰值EIRP=58 dBW。因此，在低轨道运行时，Starlink需要降低其输出功率以满足限制。

表中轨道高度、最大授权PFD、用户最低仰角、地球半径、载波频率、带宽、用户天线增益和噪声系数为已知数据，其他参数根据已知数据计算得到，相关参数如图4标示，相关公式如下。

等效全向输出功率由功放输出功率与天线增益决定，功放输出功率越大，等效全向输出功率也越大，天线指向性越好，等效全向输出功率越大，但对应的覆盖范围也越小。天线品质因数由天线接收增益与系统噪声温度决定，天线指向性越好、系统噪声温度越小，天线品质因数越大，其他条件相同情况下，接收信号质量也越高。

估算得到的下行链路信噪比为22.4 dB。而对于5 MHz 带宽、17 Mbps速率、QPSK调制、无编码条件下，假设解调要求门限为2 dB，计算得到所需信噪比为4.3 dB，下行链路余量较高。除因为本次测试卫星高度较低（367 km）以外，手机直连卫星下行链路的信噪比较高应该是由于卫星功放输出功率较高。在EIRP和天线增益均达到峰值，且忽略馈线损耗的情况下，功放输出功率应达到20 dBW。

对应条件下上行链路的计算结果如表4所示。上行链路信噪比：

链路预算结果表明，Starlink提供的信号强度在不超过FCC功率限制的条件下，能够保证用户在接收条件较差的情况也能成功接收信息，速率达到17 Mbps，具备实现手机直连卫星业务的条件。

3.3  链路分析小结与展望

本节根据SpaceX公布的手机直连卫星测试结果和相关数据，对其进行了链路分析，结果表明其在实现了17 Mbps通信速率的情况下具有较高的链路余量。结合Starlink-V2-mini卫星的特性，分析其高余量的原因是更大面积的太阳能板带来的更大发电功率和功放输出功率。SpaceX本次测试所使用的用户终端均来自不同品牌的不同厂家，且均为存量手机，其通信速率结果的一致表明了该系统的稳定性。尽管测试地点固定，干扰可控导致测试结果并不能完全证实报告中宣称的“设备能够穿过树丛和建筑与卫星建立通信”，但链路分析得出的下行高信噪比结果也验证了其具备较高通信能力。

4   其他手机直连卫星系统链路对比分析

本节将介绍其他开展手机直连业务的卫星系统，以Globalstar和AST为例，分析其通信速率和卫星性能，与Starlink进行比较，进一步说明Satrlink手机直连卫星系统的性能。 

4.1  Globalstar系统

Globalstar 前向链路下行（卫星到手机用户）采用S波段^[19]，其链路计算结果如表5所示：

与Starlink相比，Globalstar系统采用相近频段，但卫星高度较高，且输出功率明显更低，下行信噪比也更低，因此只能采用扩频方式，在1.23 MHz带宽上传输2.4 kbps信息。提供的话音传输速率有4/4.8/9.6 kbps三种，数据传输速率为7.2 kbps，远小于Starlink实现的17 Mbps速率，无法实现视频通话等更高速率业务。

Globalstar需要用户使用双模手机直连，即用户终端需要在原有地面蜂窝通信系统外，额外实现一套卫星通信系统，用户购买改装手机成本较高。而Starlink支持存量手机，用户利用现有未改装手机即可通信，用户成本较低。

Globalstar卫星覆盖范围大，单星覆盖半径达到2 000 km，是Starlink卫星可覆盖范围的3倍（高度367 km，仰角25°），因此仅需48颗低轨道卫星即可实现全球覆盖。相比之下，Starlink卫星单星覆盖面积小，需要通过增加系统卫星总数以实现全球覆盖，卫星总数达到840颗，部署成本较高。

4.2  AST系统

美国初创卫星公司AST SpaceMobile于2022年9月发射能够直接向手机提供宽带服务的试验卫星BlueWalker3。BW3卫星使用了一个可折叠的大型相控阵天线，能够提供更高的增益和更大的发射功率，使得卫星与手机通信的速率提升到4G/LTE的水平。

BW3卫星^[11]使用频段如表6，其中用于手机服务的频段为758.0—894.0 MHz（下行）和788.0—849.0 MHz（上行）。卫星发送信道分类情况如表7，手机服务带宽分为10 MHz和4 MHz两种。波束信息如表8，天线增益、EIRP与Starlink手机直连卫星系统的对应参数相当。

对BW3下行链路进行计算，相关参数如表9，为与Starlink的卫星性能进行比较，用户终端 G/T 值与Starlink假设一致。根据BW3下行功率通量密度（PFD） 数据，计算得到下行链路信噪比如表10，在仰角相同条件下（>25°），BW3的信噪比高于Starlink。

在用户终端性能与仰角和Starlink一致的条件下，计算BW3上行链路结果如表11，其中轨道高度取近地点500 km与远地点600 km的中间值，对应的上行信噪比也高于Starlink。

在卫星输出功率相当的条件下，信噪比较高主要是由于BW3采用频段较低，自由空间衰减较小。但也因为频段较低，达到所需增益需要的天线面积更大，单星制作成本和运载成本都更高。

在仰角相同条件下（>25°），BW3的轨道高度比Starlink更高，覆盖范围也更大，达到1 031.9 km，实现全球覆盖所用的星座卫星总数更少（336个）。BW3实现的下行速率达到14 Mbps，小于Starlink的17 Mbps，但也可实现视频等更高速率的手机互联网应用。

与Starlink相同，AST也支持存量手机直连卫星，通过改造卫星而无需修改用户终端实现手机直连，地面超过80亿部存量手机用户均可成为潜在用户，前景较大。

5   结束语 

本文从Starlink手机直连卫星系统的发展现状出发，针对其卫星平台 Starlink V2-mini-DTC，探讨其星上处理、星间链路和波束可操作性等特性；通过链路计算，重点分析其下行链路的通信能力，分析了Starlink测试时在达到17 Mbps下行速率的情况下的链路余量；最后，结合另外两种手机直连卫星系统的链路计算，比较分析 Starlink 系统的卫星性能。依靠SpaceX强大的火箭发射能力、较低的运载成本及先进的卫星载荷，Starlink得以部署卫星总数极大的低轨卫星星座，并在此基础上实现手机直连卫星业务。计算结果表明，在下行链路达到破纪录的17 Mbps速率基础上仍然具有一些功率余量，支持设备在树丛和建筑群中建立与卫星建立通信，具备在恶劣信道下仍保持卫星通信的潜能。 

Starklink通过D2C试验成功验证了存量手机卫星直连的技术可行性，但要实现完整的全球覆盖及组网仍面临一些挑战。首先Starlink卫星覆盖半径较小，需要发射更多的卫星来完善星座布局，Starlink卫星采用了星间链来实现星间组网，对巨型星座的组网、路由管理提出了更高要求；另外Starlink要实现手机直连卫星业务落地，还依赖与地面移动运行商、地方政府合作，使用信号的频段、资源也需要与国际标准组织、地方政府协调，需要卫星制造商与移动网络运行商建立联合运营模式。总之，Starlink、AST在面向存量手机直连卫星方向取得突破性进展，开辟了未来星地融合发展的新方向，是实现未来天地一体化网络通信重要组成部分，具有广阔的市场及应用价值。