Um hotspot móvel de smartphone usa NAT?

Sim.

Em geral, qualquer dispositivo que (a) só tem um único endereço IPv4 "virado para a Internet" alocado a ele e (b) fornece acesso à Internet deve usar a tradução de um para muitos endereços de rede a fim de atingir o nível de conectividade esperado.

Todos os smartphones em cada operadora móvel que eu já vi se encaixam nessa descrição: o smartphone tem um endereço IPv4 designado pela operadora (talvez um endereço IPv6 também, mas eu vou ignorar isso por enquanto) e não há como pedir à operadora que lhe dê múltiplos endereços IPv4 adicionais. O mesmo vale para a maioria dos gateways residenciais e outros roteadores que conectam uma pequena LAN diretamente a um provedor de serviços de Internet.

Cada dispositivo conectado ao hotspot recebe um endereço IP em uma das faixas de rede privada (normalmente 192.168.0.* ou 192.168.1.*) e então o smartphone/router usa o NAT padrão um-para-muitos para traduzir o tráfego entre os dispositivos conectados ao seu hotspot e o endereço IPv4 atribuído pelo provedor. Praticamente todos os smartphones modernos estão rodando Android (baseado no kernel do Linux) ou iOS (baseado no kernel do XNU), ambos incluem recursos NAT em seus kernels.

Não há outra maneira razoável de fornecer conectividade que funcione com aplicativos modernos baseados em IP. Embora os dispositivos por trás do NAT não obedeçam estritamente ao princípio end-to-end, quando implementados corretamente eles são capazes de iniciar conexões TCP e UDP arbitrárias, e às vezes até mesmo de receber conexões de entrada via perfuração UDP e técnicas similares.