作者：李明、任勛立

從“信號(hào)盲區(qū)”到“全球互聯(lián)”——DTC的誕生背景

當(dāng)你在遠(yuǎn)洋貨輪上想給家人發(fā)一條微信，或在高原無(wú)人區(qū)需要緊急呼叫救援時(shí)，傳統(tǒng)手機(jī)往往會(huì)陷入“無(wú)服務(wù)”的窘境——這是因?yàn)榈孛?a target="_blank">通信基站的信號(hào)覆蓋范圍有限，無(wú)法觸達(dá)海洋、沙漠、極地等偏遠(yuǎn)區(qū)域。為了打破這種“通信孤島”，“非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）”技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。與3GPP R17定義的NB&NR NTN（以下簡(jiǎn)稱為3GPP NTN）不同的是DTC（Direct to Cell）專門(mén)針對(duì)現(xiàn)有的手機(jī)，現(xiàn)有的存量手機(jī)（比如4G手機(jī)）也能直連到衛(wèi)星。手機(jī)硬件不需要任何修改，通過(guò)衛(wèi)星側(cè)的改動(dòng)（衛(wèi)星天線和基站上星）就可以讓現(xiàn)有存量4G手機(jī)使用衛(wèi)星通信功能，實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音、短信和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。這種方式的好處就是可以重用地面運(yùn)營(yíng)商的頻譜資源，而劣勢(shì)就是衛(wèi)星側(cè)的實(shí)現(xiàn)較為復(fù)雜。

DTC項(xiàng)目最早是在2024年1月, Space X開(kāi)始部署具備DTC技術(shù)能力的Starlink衛(wèi)星，到2025年7月Space X聯(lián)合T-Mobile US在美國(guó)推出手機(jī)直連衛(wèi)星的Direct To Cell服務(wù)，現(xiàn)在已有600多顆星鏈DTC衛(wèi)星，后續(xù)還會(huì)有更高版本的DTC衛(wèi)星發(fā)射。除了手機(jī)，具有4G LTE功能的手表或者設(shè)備也可以直連衛(wèi)星。目前日本的KDDI和加拿大的Rogers兩家運(yùn)營(yíng)商都準(zhǔn)備提供對(duì)Apple Watch的星鏈DTC服務(wù)。

本文將從技術(shù)原理、核心難點(diǎn)兩方面給大家介紹DTC相關(guān)內(nèi)容，并介紹羅德與施瓦茨的CMX500測(cè)試系統(tǒng)如何為DTC落地“保駕護(hù)航”。

PART-01

LTE-DTC技術(shù)原理：

讓存量手機(jī)“直連上天”

理解DTC的核心邏輯，關(guān)鍵在于其設(shè)計(jì)目標(biāo)：讓存量手機(jī)“誤認(rèn)為”連接的是地面基站，實(shí)則接入的是衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)。這一設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)，依賴衛(wèi)星、地面基站與終端的協(xié)同配合。

圖1 DTC 網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)

01 DTC的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)（圖1 所示）： 五大組件缺一不可

DTC的完整網(wǎng)絡(luò)由五部分組成，就像一條“信號(hào)傳輸鏈”將手機(jī)與全球網(wǎng)絡(luò)連通：

?衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)：核心“中繼站”，位于低地球軌道（LEO），負(fù)責(zé)接收手機(jī)信號(hào)并轉(zhuǎn)發(fā)到地面；Starlink DTC星座的軌道高度360Km，有利于縮短信號(hào)的傳播時(shí)延。DTC星座攜基站上天，采用再生模式也有利于縮短系統(tǒng)處理的時(shí)間。

?地面網(wǎng)絡(luò)：連接衛(wèi)星與運(yùn)營(yíng)商的“橋梁”，接收衛(wèi)星傳來(lái)的信號(hào)，再接入傳統(tǒng)電信網(wǎng)絡(luò)；

?合作伙伴運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)：提供通信服務(wù)的“后臺(tái)”，借助運(yùn)營(yíng)商的既有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)通話、短信的信令處理、數(shù)據(jù)路由，以及與全球電信網(wǎng)絡(luò)的互聯(lián)互通。DTC攜基站上天，使用的是地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商的頻譜，衛(wèi)星運(yùn)營(yíng)商需要購(gòu)買(mǎi)頻譜資源或者獲得地面網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營(yíng)商對(duì)頻譜資源的授權(quán)才能提供DTC服務(wù)。

?地面基站:對(duì)地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的用戶提供服務(wù)，圖中DTC手機(jī)通過(guò)直連衛(wèi)星提供的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)可以與有地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域的手機(jī)進(jìn)行通話，短信與數(shù)據(jù)服務(wù)。

?未改裝普通手機(jī)：就是目前的存量4G手機(jī)，這些用戶不需要更換新的手機(jī)，4G手機(jī)不需要硬件修改，可能只需要軟件升級(jí)、應(yīng)用安裝和D2C業(yè)務(wù)開(kāi)通，就能在地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)覆蓋不好的區(qū)域直連到DTC衛(wèi)星。

02核心技術(shù)思路：

衛(wèi)星“主動(dòng)補(bǔ)償”

DTC最巧妙的設(shè)計(jì)，在于它將“信號(hào)修正”的任務(wù)交給了衛(wèi)星，而非手機(jī)。這和傳統(tǒng)3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)（另一種衛(wèi)星通信方案）完全不同：

?3GPP NTN：手機(jī)支持3GPP NTN功能，接收衛(wèi)星發(fā)射的3GPP NTN標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)，手機(jī)自動(dòng)修正衛(wèi)星快速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的各種信號(hào)偏差。比如衛(wèi)星快速移動(dòng)導(dǎo)致信號(hào)延遲變化，3GPP NTN手機(jī)可以主動(dòng)調(diào)整發(fā)送時(shí)間，補(bǔ)償大而快的頻率偏移，正常進(jìn)行NTN載波同步和信號(hào)解調(diào)；存量手機(jī)是無(wú)法對(duì)這樣的信號(hào)接收的。

?DTC：DTC衛(wèi)星提前修正信號(hào)偏差。衛(wèi)星會(huì)實(shí)時(shí)計(jì)算自己的位置、速度，提前補(bǔ)償下行“多普勒頻偏”（信號(hào)頻率因衛(wèi)星移動(dòng)產(chǎn)生的變化）和“傳輸時(shí)延”（信號(hào)在手機(jī)與衛(wèi)星間傳播的時(shí)間），讓到達(dá)手機(jī)的信號(hào)“看起來(lái)”和地面基站信號(hào)一樣。在收到上行信號(hào)后，補(bǔ)償上行“多普勒頻偏”，調(diào)整多個(gè)UE的上行幀時(shí)間。

為了實(shí)現(xiàn)這種補(bǔ)償，DTC通常依賴“準(zhǔn)地球靜止多波束LEO衛(wèi)星”（圖2所示）：“準(zhǔn)地球靜止”意味著衛(wèi)星相對(duì)地面的位置變化較慢，減少補(bǔ)償頻率；“多波束”則能像地面基站一樣，同時(shí)覆蓋多個(gè)區(qū)域（圖3所示），支持大量用戶接入。

圖2 準(zhǔn)地球靜止

圖3 多波束LEO衛(wèi)星

此外，DTC還會(huì)定義一個(gè)“參考點(diǎn)（RP）” （圖4所示）——通常是衛(wèi)星或地面網(wǎng)關(guān)。所有信號(hào)的時(shí)延、頻率補(bǔ)償都以這個(gè)點(diǎn)為基準(zhǔn)確保手機(jī)接收到的信號(hào)始終“同步”，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償之后，手機(jī)側(cè)的時(shí)延（紅線標(biāo)識(shí)）需與參考點(diǎn)處時(shí)延（補(bǔ)償后的時(shí)延，黃線標(biāo)識(shí)）進(jìn)行補(bǔ)齊，就像地面蜂窩網(wǎng)絡(luò)下的時(shí)延一樣，整個(gè)通信鏈路達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡（圖5所示）。

圖4 參考點(diǎn)

圖5 時(shí)延

PART-02

DTC技術(shù)的四大核心難點(diǎn)：

衛(wèi)星通信與地面通信協(xié)議的“矛盾”

DTC看似完美，但要實(shí)現(xiàn)普通手機(jī)與衛(wèi)星的穩(wěn)定連接，需突破四大技術(shù)難題——這些難題本質(zhì)是“衛(wèi)星通信特性”與“地面通信協(xié)議設(shè)計(jì)初衷”的沖突。

難點(diǎn)一：時(shí)延波動(dòng)大，手機(jī)容易“斷連”

地面通信協(xié)議基于“基站固定、覆蓋范圍有限”的場(chǎng)景設(shè)計(jì)，傳播時(shí)延極小，通信協(xié)議棧的關(guān)鍵定時(shí)器（如HARQ RTT）均以此為基礎(chǔ)。而DTC使用的LEO衛(wèi)星，其總RTT（傳播時(shí)延+衛(wèi)星處理時(shí)延+地面站轉(zhuǎn)發(fā)時(shí)延+協(xié)議棧處理時(shí)延）遠(yuǎn)超出地面通信HARQ機(jī)制的設(shè)計(jì)范圍，導(dǎo)致重傳機(jī)制失效、資源調(diào)度依賴過(guò)時(shí)信息、鏈路監(jiān)控頻繁誤判，最終引發(fā)手機(jī)斷連。

難點(diǎn)二：多普勒頻偏，手機(jī)“解不出”信號(hào)

地面通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，默認(rèn)基站與手機(jī)相對(duì)靜止或低速移動(dòng)，其同步機(jī)制通常僅能容忍±200Hz至±500Hz的頻率偏移。但低軌衛(wèi)星帶來(lái)的多普勒頻偏在L/S波段可高達(dá)±10kHz至±50kHz，遠(yuǎn)超手機(jī)接收機(jī)的捕獲與跟蹤范圍，會(huì)引發(fā)嚴(yán)重的符號(hào)間干擾與相位旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致信號(hào)無(wú)法正確解調(diào)。更復(fù)雜的是，衛(wèi)星高速運(yùn)動(dòng)使得頻偏不僅幅度大，且變化速度快，4G手機(jī)的頻率跟蹤性能無(wú)法及時(shí)適配，最終導(dǎo)致通信失敗。

難點(diǎn)三：快速TA調(diào)整，同步更難

DTC所用LEO衛(wèi)星的軌道高度介于360-600km之間，始終處于高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，RTT（往返時(shí)間）會(huì)隨衛(wèi)星位置實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)變化。而地面通信系統(tǒng)的定時(shí)提前（TA，Timing Advance）機(jī)制，設(shè)計(jì)初衷是適配地面場(chǎng)景下的緩慢時(shí)延變化，采用周期性調(diào)整模式，不具備實(shí)時(shí)跟蹤快速時(shí)延波動(dòng)的能力。當(dāng)衛(wèi)星移動(dòng)引發(fā)的定時(shí)漂移超出地面通信TA機(jī)制的調(diào)整范圍時(shí)，手機(jī)無(wú)法與網(wǎng)絡(luò)保持精準(zhǔn)同步，最終導(dǎo)致信號(hào)同步失敗、頻繁斷連。

難點(diǎn)四:手機(jī)功率受限，影響上行信號(hào)接收

4G 手機(jī)發(fā)射功率遵循 3GPP 規(guī)范，共劃分為三個(gè)等級(jí)，具體參數(shù)如下：

? PC3：為默認(rèn)等級(jí)，且是多數(shù)終端的主流支持等級(jí)，最大發(fā)射功率為 23dBm；

? PC2：最大發(fā)射功率為 26dBm；

? PC1：最大發(fā)射功率為 31dBm。

這些功率等級(jí)可滿足地面通信不同場(chǎng)景需求，存量手機(jī)以支持PC3為主，能覆蓋地面網(wǎng)絡(luò)的最大服務(wù)范圍。但4G手機(jī)的設(shè)計(jì)未兼顧360-600km的衛(wèi)星通信場(chǎng)景，導(dǎo)致衛(wèi)星接收到的上行信號(hào)強(qiáng)度不足、信號(hào)質(zhì)量下降，可能超出接收機(jī)的接收范圍，引發(fā)斷連或數(shù)據(jù)速率不理想。

因此，實(shí)現(xiàn)手機(jī)直連衛(wèi)星需要系統(tǒng)級(jí)創(chuàng)新，而非簡(jiǎn)單參數(shù)調(diào)整。

PART-03

CMX500測(cè)試方案：

為DTC落地“鋪路”

01 CMX500： DTC的“全能測(cè)試平臺(tái)”

圖6 適用于DTC終端測(cè)試的CMX500平臺(tái)

CMX500是羅德與施瓦茨推出的無(wú)線通信綜合測(cè)試儀（圖6所示），專門(mén)用于模擬復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境（包括地面基站和衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)）。對(duì)于DTC，CMX的核心能力是：

? 模擬DTC衛(wèi)星引發(fā)的動(dòng)態(tài)時(shí)延

? 模擬DTC衛(wèi)星移動(dòng)產(chǎn)生的多普勒頻偏

? 模擬DTC衛(wèi)星波束的仰角衰減

? 模擬DTC衛(wèi)星多小區(qū)場(chǎng)景，驗(yàn)證切換與重選功能

? 支持用戶自定義衛(wèi)星軌道場(chǎng)景

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，CMX500能“復(fù)現(xiàn)”衛(wèi)星通信的所有關(guān)鍵特性，讓用戶在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中即可完成“手機(jī)在DTC衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下的通信功能與性能測(cè)試”。

02 CMX500的測(cè)試驗(yàn)證路徑： 從“基礎(chǔ)”到“定制”

1基礎(chǔ)時(shí)延驗(yàn)證 - 驗(yàn)證手機(jī)對(duì)“固定時(shí)延”的耐受能力

在CMX的MAC層（數(shù)據(jù)鏈路層）和PHY層（物理層）添加“可配置的調(diào)度時(shí)延”，同時(shí)在上下行鏈路中設(shè)置對(duì)應(yīng)的固定傳輸時(shí)延。比如，模擬“調(diào)度時(shí)延3ms + 物理時(shí)延5ms”，總RTT 8ms，測(cè)試手機(jī)是否能正常接收信號(hào)。幫助用戶快速驗(yàn)證“手機(jī)在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)下是否會(huì)斷連”，為后續(xù)測(cè)試打下基礎(chǔ)。

2動(dòng)態(tài)時(shí)延與多普勒模擬-模擬真實(shí)衛(wèi)星移動(dòng)場(chǎng)景

CMX500 的后臺(tái)模塊可依據(jù)衛(wèi)星軌道參數(shù)，實(shí)時(shí)計(jì)算手機(jī)位置對(duì)應(yīng)的時(shí)延、多普勒頻偏與衛(wèi)星仰角；同時(shí)，系統(tǒng)會(huì)預(yù)計(jì)算多組 “衛(wèi)星軌道剖面”，用戶通過(guò) GUI（圖形界面）即可直接選擇（圖 7 所示），無(wú)需手動(dòng)計(jì)算。這一設(shè)計(jì)能讓用戶在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中復(fù)現(xiàn) “衛(wèi)星飛過(guò)頭頂” 的真實(shí)場(chǎng)景，且 GUI 界面會(huì)圖形化展示衛(wèi)星仰角變化（圖 8 所示），從而精準(zhǔn)測(cè)試手機(jī)的動(dòng)態(tài)適應(yīng)能力。

圖7 衛(wèi)星軌道配置

圖8 衛(wèi)星軌道剖面

用戶在GUI界面只需選擇“衛(wèi)星軌道類型”，CMX會(huì)自動(dòng)計(jì)算時(shí)延、頻偏等復(fù)雜參數(shù)。當(dāng)選中任一衛(wèi)星星座后，界面將顯示隨衛(wèi)星移動(dòng)過(guò)程中剩余時(shí)延與多普勒相關(guān)參數(shù)，圖9所示。

圖9 時(shí)延和多普勒頻移

用戶可以通過(guò)圖形化界面觀測(cè)手機(jī)發(fā)送的信號(hào)狀態(tài)，圖10所示測(cè)得手機(jī)載波頻偏。

圖10 手機(jī)載波頻偏測(cè)量

3外場(chǎng)測(cè)試用例模擬-模擬LTE-DTC測(cè)試用例庫(kù)

CMX500基于外場(chǎng)測(cè)試場(chǎng)景開(kāi)發(fā)的多個(gè)測(cè)試用例庫(kù)，包含:

? 附著時(shí)長(zhǎng)和附著成功率

? A3事件的同頻LTE D2C小區(qū)間切換

? 同頻LTE D2C小區(qū)間的重選

? LTE D2C小區(qū)無(wú)線鏈路異常和恢復(fù)

? 頻率跟蹤誤差測(cè)量

? 地面網(wǎng)絡(luò)和非地面網(wǎng)絡(luò)之間的切換

這些用例直接可以進(jìn)行場(chǎng)測(cè)數(shù)據(jù)的快速測(cè)試和分析，使得DTC測(cè)試變得快速，簡(jiǎn)單和方便。

4自定義場(chǎng)景導(dǎo)入-根據(jù)客戶需求導(dǎo)入衛(wèi)星配置

適配客戶專屬衛(wèi)星方案，支持客戶以CSV格式（類似Excel表格）導(dǎo)入“自定義的時(shí)延/多普勒數(shù)據(jù)”——比如客戶自己設(shè)計(jì)的衛(wèi)星軌道，每1秒的時(shí)延、頻偏值，CMX會(huì)按這個(gè)表格模擬場(chǎng)景（圖11所示）。

滿足不同衛(wèi)星公司、運(yùn)營(yíng)商的“定制化測(cè)試需求”，不用依賴通用場(chǎng)景。

圖11 CMX模擬配置延遲

【結(jié)語(yǔ)】

DTC讓“全球無(wú)死角通信”不再遙遠(yuǎn)

LTE-DTC技術(shù)的核心價(jià)值，在于它讓“普通手機(jī)連接衛(wèi)星”從“技術(shù)構(gòu)想”變成了“現(xiàn)實(shí)可能”——未來(lái)，無(wú)論是遠(yuǎn)洋航行、極地科考，還是山區(qū)救援，我們都能隨時(shí)用手機(jī)保持聯(lián)系。而CMX測(cè)試方案，則是DTC落地的“關(guān)鍵推手”：它通過(guò)模擬真實(shí)衛(wèi)星場(chǎng)景，幫助產(chǎn)業(yè)鏈解決技術(shù)難點(diǎn)，驗(yàn)證產(chǎn)品性能，讓DTC的商用化進(jìn)程更快、更穩(wěn)。

隨著衛(wèi)星技術(shù)的進(jìn)步和測(cè)試方案的完善，相信在不久的將來(lái)，“全球無(wú)死角通信”將不再是口號(hào)，而是每個(gè)人都能享受到的基礎(chǔ)服務(wù)。

羅德與施瓦茨業(yè)務(wù)涵蓋測(cè)試測(cè)量、技術(shù)系統(tǒng)、網(wǎng)絡(luò)與網(wǎng)絡(luò)安全，致力于打造一個(gè)更加安全、互聯(lián)的世界。成立 90 多年來(lái)，羅德與施瓦茨作為全球科技集團(tuán)，通過(guò)發(fā)展尖端技術(shù)，不斷突破技術(shù)界限。公司領(lǐng)先的產(chǎn)品和解決方案賦能眾多行業(yè)客戶，助其獲得數(shù)字技術(shù)領(lǐng)導(dǎo)力。羅德與施瓦茨總部位于德國(guó)慕尼黑，作為一家私有企業(yè)，公司在全球范圍內(nèi)獨(dú)立、長(zhǎng)期、可持續(xù)地開(kāi)展業(yè)務(wù)。