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揭秘“手机+卫星”技术到底难在哪?

最新更新时间:2022-09-07
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9月6日,在华为Mate 50系列及全场景新品秋季发布会上,华为正式发布Mate 50系列手机。


华为消费者业务CEO余承东表示,华为Mate50系列手机是全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机。 



当身处荒漠无人区、出海遇险、地震救援等无地面网络信号覆盖环境下,可通过畅连App将文字和位置信息向外发出,与外界保持联系,并支持多条位置生成轨迹地图。


无独有偶,另有小道消息声称:苹果的iPhone 13中,就有连接卫星的硬件。但是,苹果跟运营商没有谈拢合作方式,因此没有公开。在未来的iPhone 14上,这一功能很可能会实现。

华为和苹果,都在发力“卫星通信”。似乎,新的“赛道,又出现了。

无良流量号,又开始嗨了……


那么,事实真的是这样吗?手机的卫星时代,真的开始了吗?

今天这篇文章,小枣君就给大家做一个深入解读。

█ 通信频率问题

近年来,关于卫星通信的新闻,一直都是媒体和大众的关注热点。

尤其是马斯克搞了一个星链之后,三天两头就有新闻,炒作卫星通信对地面蜂窝移动通信的威胁,对5G的威胁。

事实上,这些炒作很多都缺乏基本的通信常识,除了暴露某些人的急功近利之外,主要是为了服务于流量,服务于资本运作。

卫星通信,无论现在还是未来(至少50年),都不可能取代地面移动通信,成为人类主要的通信手段。

接下来,我来解释原因——

首先,大家要明白且牢记一点:任何无线通信系统,都是基于无线电磁波进行通信的。

无线电磁波,有一个重要的属性参数,那就是频率。

频率不一样的无线电磁波,特性就不一样,如下图所示:

从宏观来看,主要分为光波和电波。

我们人类无线通信,目前主要用的是电波。早期用的低频和中频电磁波,现在逐渐往高频甚至太赫兹(就是上图中间的THz)发展。也有科学家,在研究可见光通信(往光波发展)。

无线电磁波的电波这部分,看上去频率资源挺多的,但实际上,每个频率,都被政府有关部门规定了对应的用途。


从使用者来看,这些频段分为军用、专网用(公安、消防、铁路、电力等)、运营商用(公共移动通信),等等。

此外,还有ISM(Industrial工业、Scientific科学、 Medical医学)免授权频段,无需申请授权即可使用,例如我们的Wi-Fi频段。

任何人都不可以随便占用频率。例如,我自己发明了一个无线通信设备,然后占用运营商的800MHz频段,发射这个频段的无线信号,那就是违法行为。

手机进行卫星通信,第一个要考虑的问题:它到底用什么频段?

不知道大家有没有注意,我们买的新手机,到手之后,都会在反面看到一个蓝色的标签:


这个标签,就是手机的进网许可证。任何手机型号上市之前,厂商都要先拿到工信部,去做入网测试。测试合格,才会发证。

这就意味着,国家对每一个电子产品,尤其是带无线信号收发功能的电子产品,都是有严格要求的:要求无线电工作频率必须符合国家有关规定,必须符合产品的合法用途。

我们的手机被设计出来,可以使用的频段有三种:

一种是运营商的蜂窝通信系统工作频率(也就是基站的工作频段)。如果是现在比较常见的全网通手机的话,就要支持2G/3G/4G/5G频段。每个频段,都在官网上注明。

小米某型号支持的频段

第二种,是Wi-Fi和蓝牙。这种就是前面我说的非授权频谱,ISM频段。只要发射功率符合要求(不能太高),就可以直接用。

第三种呢,就是卫星定位系统的工作频段。我们手机现在都支持GNSS卫星定位,可以收发卫星信号。GNSS系统有很多种,美国的GPS,中国的北斗(BDS),还有欧洲的伽利略,等等。

众多的卫星导航定位系统

那么,问题来了。很多人天天嚷着手机通过卫星进行通信,真要通信的话,使用什么频段呢?

卫星通信属于空间无线电通信,已经超出了一个主权国家的无线电管理能力。因此,对卫星通信工作频率资源的使用,要向国际电联(ITU-R)进行申请。

ITU-R有明确的文件,对申报程序和规则有严格的要求,往往是和卫星轨道资源的申请同步进行。

卫星通信工作在微波频段,其频率范围为1GHz~40GHz。按照频段,可划分:L、S、C、X、Ku、K、Ka。其中,K频段由于处于大气吸收损耗影响最大的频率窗口,不适合于卫星通信。因此,常用的卫星通信频段为:L、S、C、X、Ku、Ka:


值得一提的是Ka频段。

由于C和Ku频段已近饱和,无法承载更多的业务,所以Ka频段现在逐渐成为热门。Ka频段比Ku频段更容易受天气影响,但工作带宽更大,信号强度更高。

不管怎么说,卫星通信频段和运营商蜂窝通信频段是不同的。目前在市场上售卖的普通手机,根本不支持通信卫星的无线工作频率,自然就无法和卫星进行通信。

只有卫星通信服务商提供的专用卫星电话,才能和这些通信卫星建立连接。这些卫星电话的话费,也是要充值给对应卫星电话服务商的。


前面提到手机可以和GPS、北斗进行通信,那是定位导航卫星。严格来说,不是通信卫星。不过,我们国家的北斗很牛逼,除了定位、导航和授时服务外,它比GPS多了一个功能,那就是短报文通信能力

也就是说,除了位置信息之外,它可以进行短消息通信(RDSS协议)。有多短呢?最多78个进制数/英文/数字,或者39个汉字。

前面提到的华为MATE 50“卫星通信功能,就是指的这个。借助北斗定位卫星的短报文通信通道,在紧急情况下,收发短信,进行应急通信。

这个只是文本短消息而已,没有数据业务,无法看图片,更无法打电话或者看视频。

这个和大家正常意义上理解的卫星通信,还是有很大区别的。前面说的专用卫星电话,是可以打电话和使用数据业务(上网)的。

目前市面上的手机,均不支持通信卫星的频段。那么,是不是可以加上呢?

没那么简单。

手机对通信频段的支持,不是加根天线就可以的。它涉及到SoC芯片、基带、射频、软件部分的改造,是一个非常庞大且复杂的工作。

不是做不出来,而是没有意义。

因为绝大部分情况下,手机都有基站信号,或者Wi-Fi信号,没有必要为了极少出现的情况,增加无谓的成本。(搞一个外置的卫星通信套件,倒是更有可行性。)

这个和水陆两用汽车的道理,是一样的。

汽车加上轮船的功能,也不是不可以。但是,价格会翻几倍,利用率极低,不利于汽车的普及。


那么,手机不改装,不支持现有卫星通信的工作频率,是不是就没办法进行卫星通信了呢?

也不是。

我们可以换一种思路。如果手机不支持卫星通信频率,那么,干脆让卫星直接使用地面蜂窝基站的频率呗?

事实上,美国运营商T-Mobile和马斯克一起新搞的那个项目,就是这么干的。他们让卫星使用部分5G频段,改进天线,然后对地面发送无线通信信号。

这种工作方式,有一个重要的前提,那就是必须使用低轨道卫星

这些年来,卫星通信有一个非常重要的发展趋势,那就是低轨道卫星的崛起。

以前,发射卫星的成本很高,所以,就希望一颗卫星能覆盖很大的范围。想要覆盖范围大,就必须把卫星放得更高。如下图所示:


高轨道卫星,虽然覆盖面积大,但距离远,通信就更困难。那个时候,通信技术也不是很成熟,所以,无线信道的带宽比较低,通信速率比较慢。这种低速率通信,只能勉强满足定位导航等需求。

现在,随着技术的成熟,加上一箭N星技术的广泛应用,发射卫星的成本有所下降。以马斯克Space-X为代表的民营公司,采用火箭回收技术,更降低了卫星发射成本,使得低轨道通信卫星的大量铺设,成为了可能。

密集恐惧症慎入


低轨卫星,距离地面更近,如果抛开天气因素,都是视距覆盖,所以,是可以给地面用户提供信号服务的。

“星链”卫星的运行轨道高度原本是1110公里到1325公里,后来调低至540到570公里。

简单来说,就等于是把基站吊在了天上,就是距离稍微远点。

那么,T-Mobile捣鼓的这种卫星通信技术,能提供的带宽速率是多少呢?

2-4 Mbps。

是的,你没看错,也就和当年ADSL拨号上网一个级别。勉强打打电话、发发图片,视频的话,够呛。

马斯克的传统星链主要使用卫星通信专用频段,基于已有的卫星数量优势,目前可以达到大约300Mbps的服务速率。

注意!星链属于常规卫星通信系统,不是手机达到这个速率,而是它所配备的卫星通信设备。这个设备有“锅”(蝶形天线),还有路由器啥的。

星链设备开箱


星链设备天线展开状态


那么,为啥手机不能实现更高的卫星通信速率呢?

这个和手机硬件有很大关系。尤其是天线的类型,造成的影响很大。

█ 天线类型问题

我们现在的手机都是内置天线,天线都在手机里面。专用的卫星电话,会有更大更醒目的天线,如下图所示:

卫星电话


根据天线原理,天线的长度为无线电信号波长的1/4时,天线的发射和接收转换效率较高。卫星电话的天线这么大,说明这个通信系统的工作波长更长。也意味着,它的工作频率越短(频率=光速÷波长)。

基于中学物理知识,低频率(大波长)的无线信号,绕射能力更强,传播距离更远。这和卫星通信的场景是相匹配的。

鞭状天线的信号收发能力终归比较弱。比它更强的,是碟状天线,也就是大家常见的“锅


碟状天线,只要朝向对得准,就可以实现较好的通信效果。

那么,我想问一下,如果手机进行卫星通信,你愿不愿意手机上再背一个锅呢?然后这个锅,你还是使劲找准朝向。

即便你愿意背这个锅,你还面临一个问题——发射信号的问题。


卫星向手机发射信号,可以调大发射功率。手机向卫星发射信号,这就难了。

手持通信终端,发射功率是有严格限制的。你也不希望自己手上拿个微波炉,进行通信吧?

以手机毫瓦级的无线发送功率,想让卫星收到这种信号,到底有多难?大家可以自行想象一下。

更何况,是成千上万甚至十万百万的手机,向太空中的卫星发送信号,你觉得,卫星能捕捉到所有的信号吗?

马斯克的星链,也存在上行速率不足的问题。这是一个死穴。

容量问题


好了,我们继续往下分析。

接下来,我们说说容量问题。

马斯克的星链,号称是1.2万颗卫星,用于覆盖全球。简单平均一下,中国960万平方公里,地球面积5.1亿平方公里,大概占比1.88%。卫星的话,也就226颗。

那么,地面基站数量呢?

中国的基站总数,大约是1035万座。仅中国移动的话,大约是550万座。

226 vs 5500000,傻子也能看明白,这里面不存在取代关系。如果没有地面蜂窝基站,我们需要多少颗卫星,才能让所有人高速上网?

退一万步说,即便卫星可以一点对多点,承接了海量的移动宽带连接需求,那么,信号回传(也就是卫星将信号发到地面站),又该怎么办?数据中心都在地面,云服务也在地面,不回传不行的呀。


目前的5G基站,也就覆盖几平方公里到几十平方公里的面积,几百用户,前传带宽都要达到25Gbps级别。卫星通信,是否可以实现与地面站的25Gbps通信速率呢?

此前,我国在卫星上做了一次试验任务,采用高速高阶相干激光通信终端,实现了速率10Gbps的传输。

看似好像也和25Gbps差不大,但是这个是无线通信,稳定性、抗干扰性都远远不如光纤。而且,卫星的数量远远不如基站,如果要比肩陆地基站,它的数量需求是极大的。

█ 室内覆盖问题

简而言之,如果卫星通信取代地面蜂窝基站通信,那么,室内信号覆盖,该怎么办?地下室、隧道,该怎么办?如果遇到恶劣天气,又该怎么办?

█ 结语

洋洋洒洒说了那么多,大家应该看明白了。卫星通信,是完全无法取代地面蜂窝通信系统的。如果有人告诉你通信卫星会取代基站,要么是傻,要么是坏。

作为一项特殊的通信技术,卫星通信的角色定位,仍然是地面蜂窝通信系统的补充。

卫星通信的应用领域有三类:

1、在人烟稀少地区,在光纤和基站不方便布设的地区,卫星会有很大的作用。在国外,在国内的中西部,这种地区还有很多。对于一些户外爱好者,还有矿产勘察、自然保护等特殊工作人群,卫星电话很有用。

2、海洋以及天空场景,例如航海船舶、民航飞机,对卫星通信有强烈的需求。尤其是民航,这几年商务人士等高价值人群,对空中通信需求很大,这类应用发展很快。

3、应急救灾场景。当发生地震、洪水等自然灾害,地面通信系统失灵,就需要借助卫星,进行应急通信。

大家在看待卫星通信的时候,一定要理性、客观。它的市场体量,和蜂窝移动通信根本不是一个级别。但是,它面对的细分市场,确实有很大的发展空间。

这些年,3GPP的NTN(Non-terrestrial networks,非地面网络项目),还有SaT5G、TC12,都在研究空地一体化通信。

我觉得,市场潜力是有的,但是并不没有想象中那么大。尤其是NTN,主要侧重的是卫星通信与5G的融合,是卫星对5G的补充。并不是脱离蜂窝通信,另起炉灶,大家应该有基本的了解。

对于卫星通信,除了技术瓶颈之外,还涉及到法律、环境、政治等一系列因素。限于篇幅,就不一一介绍了。好了,今天的内容就到这里。希望对大家有所帮助。


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