解读华为Mate50、iPhone14卫星通信功能丨卫星通信科普

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2022-09-13 10:10:29 0

今年卫星通信特别火，但卫星通信用在消费级智能手机上确实是第一次。刚刚发布的华为Mate50、iPhone 14同时支持卫星通信功能，其主要用途还是给在没有信号区域遇险的用户多一个求救的方式。

参与到卫星通信市场的玩家不止华为和苹果。吉利、马斯克、T-mobile、高通等名字也出现在了这个市场产业链的不同位置。此外，不少高科技企业似乎还在发掘低轨卫星的其他商业用途，“掘金”还在不同领域展开。

据市场不完全统计，目前已宣布入局手机卫星通信的还包括造车商吉利入股、持有魅族手机控股权的星纪时代，另外创业达人埃隆·马斯克也在8月宣布，将与美国通讯服务商T-Mobile合作，从2023年起利用星链卫星为T-Mobile手机提供连接服务。

作为手机SoC的主流提供者，高通也紧紧盯着这个机会。早在2021年2月，高通就宣布将在未来的 X65 基带芯片上支持n53频段，这个频段为全球星所拥有。

而手机SoC巨头联发科和罗德与施瓦茨公司合作，在低轨道（LEO）卫星信道上模拟向 5G 基站（gNB）进行数据传输测试，率先展示了基于 5G 智能手机硬件的卫星通信支持能力。

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官方表示，本次测试根据 3GPP R17 5G 规范定义的功能和程序，使用联发科具有 5G NR NTN 卫星网络功能的移动通信测试芯片，搭配罗德与施瓦茨公司的低轨卫星信道模拟器以及测试基地台，在实验室中模拟高度为 600 公里、移动速度高达每小时 27000 公里的低轨（LEO）卫星。在此次实验中，联发科采用与智能手机相同的组件，展示了将 5G NTN 技术用于卫星通信的可行性。

有许多网友们会问，几十年前不就出现了有卫星电话了吗？比如铱星和海事卫星电话系列，近年来，我们国家也有了自己的天通卫星电话系统。

大部分人也知道，卫星电话是特制的、专用的，且价格昂贵。早些年卫星电话价格普遍在万元人民币以上，目前最便宜的也在四五千元档。加上我国地面网络覆盖程度高，卫星电话只在极少数极端情况下才有用武之地，因此很少人会专门购买，也就导致人们普遍无法享受到卫星通信服务。反过来说，也造成了卫星通信行业远离消费市场，难以形成规模化的局面。

那么常用的消费级手机，为什么不能兼容卫星通信功能呢？主要原因是手机和卫星电话的区别很大：

第一，传统的卫星通信协议和通信频段都与地面移动通信网络不同，在基带处理、射频电路和天线设计上都有所差异；

第二，手机要想支持卫星通信，首先需要硬件支持。

iPhone 14可能将采用支持卫星通信的客制化的高通X60基带芯片。

并且，苹果的这个功能有独占期。如果其他智能手机品牌也想加上支持卫星通讯的功能，可能采用X65基带芯片。

第三，由于移动通信卫星与地面的距离在几百公里（LEO轨道）到2.7万公里（GEO轨道）之间，因此传统卫星电话的最大发射功率都需要在2瓦以上，而作为消费电子产品的手机，按照大多数国家政府规定的标准，在FDD模式下最大发射功率不能超过23dbm，即200毫瓦，在TDD模式下最大发射功率不能超过26dbm，即400毫瓦，在过去由于技术的限制，通信行业从未想过让发射功率如此小的手机直接与卫星进行通信。

近年来，由于天线、射频电路以及信号处理等技术的进步，手机与卫星直接通信成为了可能，于是这个功能成为当下通信行业讨论的热点。

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卫星通讯可分为窄带通讯和宽带通讯两种，华为使用的窄带通讯基本上是基于文字，宽带则可以进行视频、语音通讯等。实际上，华为所使用的北斗卫星在最初是以定位为主。

在iPhone14推出前，不少专家预测苹果的卫星通讯可能会使用宽带通讯。然而，尽管不同于华为的单向卫星通讯，苹果的卫星通讯可以做到双向，但苹果卫星通讯目前仍然只能使用文字。

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mate50与iPhone14卫星通信功能对比

Mate50通过北斗卫星发送短信的功能如何使用？

1、通过畅连APP使用该功能，不需要办理专门的北斗通讯卡；

2、体验期内提供每月30条的免费额度，超出可以购买套餐；

据该功能页面信息介绍，首次开启北斗卫星服务号并完成注册，每月可体验30条免费额度，月末最后一日24时清零并充值新的额度。

举个例子，用户在2022年1月15日开启北斗卫星消息服务号并完成注册，那么2022年1月31日24时前即拥有30条免费发送额度。如果用户在1月内一共发送了8条卫星消息，这个月就还剩余22条免费额度，但这22条免费额度会在1月31日24时自动清零，同时系统自动充值新30条免费额度。

其中，需要注意的是：当月还剩3条免费额度时系统会发送提醒信息；体验期内的免费额度用完后将不能继续发送；体验期内的免费额度不能跨月提前预支；体验期结束后需购买套餐以正常使用。

3、只能发送文字短信息，但不能接收；

4、在发送文字短信息之前，手机需要按照APP的提示，进行对准北斗卫星的操作，只有对准了某颗北斗卫星，才能正常发送；

5、文字短信息可以在预置的几十条中选择一条发送，这些短信息都包括定位信息，用户也可以在预置信息之外手动输入十几个字的消息，字数根据接收者的数量而变化（最多可选择同时发给四人），接收者越多，用户可以手动输入的字数越少；北斗卫星将会把接收到的短信转发给运营商的卫星地面站，然后通过运营商的网络发送给收信人。不论收信人是否使用华为的手机还是APP，都可以正常接收；

6、需要在空旷、无遮蔽的环境使用。不过，据华为手机产品线副总裁李晓龙透露，根据他的实测，在城市地面、原始森林，都可以使用Mate50系列向北斗卫星发送消息，但是飞机上不行。

北斗卫星将会把接收到的短信转发给运营商的卫星地面站，然后通过运营商的网络发送给收信人。不论收信人是否使用华为的手机还是APP，都可以正常接收。

苹果iPhone14卫星通信功能使用；

1、该功能将作为第三种协议被整合到信息应用中，与普通短信和iMessage并列，在使用时会显示为灰色的信息框，并且会限制信息的长度。

2、发送出的短信将自动推送到紧急联系人的手机上，即使对方开启了勿扰。

3、支持接收到紧急求援机构的回复。

4、当联系到紧急服务时，该功能可以发送用户的位置和医疗ID，还可以通知用户的紧急联系人。其中，医疗ID是健康功能中的虚拟信息卡，包括用户的病史、年龄、药物以及身高和体重等信息。

5、卫星通信服务将于11月推出，iPhone 14系列机型可免费使用卫星SOS紧急联络功能两年。

6、此功能仅支持美国和加拿大两个国家。

7、目前，苹果已经创建了一个机制，要求用户在户外并朝某个方向行走，以帮助iPhone连接到卫星。连接到网络也不总是即时的，对该功能的测试表明，它有时可能需要一分钟之后才能开始工作。

至于卫星通讯的使用场景，实际上是在郊区、山区用于紧急通讯比较多。在城市里，例如车库、电梯等无法使用蜂窝流量的区域也无法接收到卫星的信号。

按照通信卫星运行的轨道不同，卫星通信（系统）可分为：

低轨道（ LEO ）卫星通信：LEO 卫星较小，运行于距地面 500-2000km 的轨道上，具有传输时延（Starlink双向通信时延为 50-70ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗较小等特征。典型系统为美国铱星通讯公司(IRDM)的第二代铱星系统。

中轨道（ MEO ）卫星通信：MEO 卫星运行于距地面 2000-20000km 的轨道上，其传输时延（MEO 卫星系统 O3b 双向通信时延约为 300ms）、覆盖范围、链路损耗、功耗大于 LEO 但小于 GEO。典型系统为英国 Inmarsat 公司的国际海事卫星系统。

高轨道（ GEO ）同步卫星通信：GEO 卫星运行于距地面 35800km 的地球同步静止轨道上。传统的GEO 通信系统的技术最为成熟，但由于存在较长的传播时延（双向通信时延 500ms 以上）和较大的链路损耗，在实时通信中存在显著的延迟。

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卫星通信系统由空间段、地面段和用户段三部分构成：

空间段：以通信卫星为主体，卫星上的转发其是通信卫星的主要有效载荷，也是卫星通信系统空间段最重要的功能组成，用于接收和转发卫星通信地球站发来的信号，实现地球站之间或地球站与航天器之间通信。

地面段：包括支持移动电话、电视观众、网络运营商地面用户访问卫星转发器，并实现用户间通信的所有设施，网关站是地面段的核心设备。卫星通信系统的地面段也包括地面的卫星控制中心（SCC，Satellite Control Center）和跟踪、测控及指令站（TT&C，Tracking，Telemetry and Command station）， SCC 和 TT&C 主要负责卫星发射阶段的跟踪和定位，下达变轨、太阳能电池板展开等动作指令，以及卫星在轨运行期间轨道监测和校正、干扰和异常问题监测与检测等。

用户段：主要由各类终端用户设备组成，包括 VSAT 小站、手持终端，以及搭载在车、船、飞机上的移动终端，以及基于卫星通信的各种应用软件和服务。

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卫星通信作为无线电通信形式的一种，信号的中转和传输也要依赖与不同频段的无线电波。在地面雷达系统的应用中，IEEE 标准中将无线电波划分为 VHF、UHF、L、 S、C、X、Ku、Ka 以及 EHF 等频段。在实际应用当中，上述频带中仅有一小部分被分配给雷达应用，大部分频带由国际电联（ITU，International Telecommunication union）的世界无线电通信大会分配给空间无线电应用，雷达频段和空间无线电频段对应关系如表 1 和表 2 所示。为保证无线电频率这一稀缺资源能够得到合理有效的利用，ITU 将全球划分为三个频率区域，中国位于其中的 III 区。

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根据不同业务类型对无线电频段也有大致的划分：C 频段（4GHz~8GHz）、Ku 频段（12GHz~18GHz）和 Ka 频段（26.5GHz~40GHz）是目前卫星通信系统中使用最广泛的频段，C 频段和 Ku 频段主要用于卫星广播业务和卫星固定通信业务，带宽有限且利用较早，目前频谱的使用已趋于饱和；Ka 频段主要用于高通量卫星，提供海上、空中和陆地移动宽带通信。Q/V 频段将是未来卫星通信领域争夺的重点，目前 ITU 正在制定 NGSO 卫星通信中使用 Q/V 频段的频谱共享规则，以确保 NGSO 系统与 GSO 系统以及其他 NGSO 系统能够共存，值得注意的是 2020 年 1 月 16 日银河航天成功发射的 5G 星座的首发星是全球首颗 Q/V 频段的 NGSO 通信卫星。

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低轨卫星通信系统的特点与优势

与传统的地球静止轨道卫星通信系统相比，低轨卫星通信系统最显著的特性在于其卫星工作轨道高度和系统复杂程度的不同，从而带来单星技术、规模、成本上的差异，最终影响系统建设与运营成本以及系统可靠性。低轨卫星通信星座的技术特点，也将影响系统的通信质量，对地面终端设备也提出了不同的技术和性能要求。此外，低轨卫星通信系统可以采用蜂窝通信、点波束、多址、频率复用等技术，且通信具有全球覆盖、低延时等方面的优点，可以支持在线游戏、视频通话等实时或近实时数据传输，在与地面通信骨干网融合后可能将催生出新的应用场景。

从技术角度来看，低轨卫星通信系统与高轨卫星通信系统之间最主要的区别在于卫星轨道高度和单颗卫星通信能力，由此带来的具体的技术上的主要差异表现在以下几方面：

传输时延：高轨通信卫星轨道高度为 35786 公里，每一跳（终端-卫星-终端）通信传输时延约为 270 毫秒。目前主流的低轨星座的卫星大多位于 1000~1400 千米上空，其通信传输时延一跳约在 7 毫秒左右，考虑到其他方面时延影响也可以做到 50 毫秒以内，与地面光纤网络的时延相当。

传输损耗：低轨星座宽带卫星轨道高度约为静止轨道卫星轨道高度的 1/30，则低轨卫星信号自由空间损耗比静止轨道卫星少 29.5dB，这是低轨卫星系统实现终端小型化和高速数据传输的基石。

星下点移动速度：地球静止轨道卫星运动速度与地球自转速度相同，卫星 24 时绕地球一周，相对地面静止；低轨卫星运动速度约为 7.5 千米/秒，卫星 85~115 分钟绕地球一周，相对地球表面高速运动，从而带来多普勒频移、地面终端天线指向跟踪、波束间切换等技术问题。

波束覆盖：高轨通信卫星轨道高度高、对地视场大，部署 3 颗卫星即可实现对南北极点以外的全球覆盖；低轨通信卫星轨道高度低、单星对地覆盖较小，必须通过多星组网才能实现全球覆盖，避免遮挡带来的通信干扰问题，但也会因频率复用难度增大带来对通信体制更高的要求。

卫星容量：低轨卫星通信系统单星体积小、重量轻，通信能力弱，但整个系统通信容量较高。如 OneWeb 星座系统单个卫星设计质量仅 125kg，单星容量约为 10Gb/s，整个星座将具有 7Tb/s 的容量。Viasat-3 卫星系统由三颗卫星组成，单颗卫星设计重量约为 6400kg，单星容量约为 1Tb/s，整个系统具有 3Tb/s 的容量。

系统可靠性：低轨卫星通信系统可靠性更高。第一，低轨星座卫星数量庞大，且分布于多个轨道面，任意一颗或几颗卫星损坏不会对系统造成大的影响；第二，低轨星座系统卫星造价较低，在轨一般都有多颗备份卫星，可以随时代替损坏的卫星；第三，低轨卫星成本低，研制周期短，卫星体积小、重量轻，轨道高度低，容易进行应急补网发射。

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卫星通信系统建设成本包括卫星研制成本、火箭和发射费用、地面站建设成本和用户终端价格等主要部分。低轨卫星通信系统与传统高轨卫星通信系统各方面的成本也有较大的差异：

卫星制造成本：低轨通信卫星通常采用微小卫星平台，技术难度和卫星规模远低于传统高轨通信卫星，单星研制成本显著降低。采用与汽车、飞机等高端工业产品类似的流水线、批量化的方式，是低轨卫星通信系统建设的必要要求，也有利于单星制造成本的降低。OneWeb 系统单星研制成本大约在 60 万美元左右，而高轨 ViaSat 系统的单星造价约为 3.6 亿美元，整个系统造价约为 10.8 亿美元，而美国军用 AEHF-4 卫星单星造价更高达 18 亿美元。

火箭和发射费用：低轨卫星系统卫星数量众多，需多次发射才能将全部卫星送入轨道，因此发射费用在系统建设中占有很大比重。Oneweb公司与阿里安航天公司签署了总价值超过10亿美元的21次发射合同。ViaSat-2卫星发射和保险费1.7亿美元，ViaSat-3卫星发射和保险费用与ViaSat-2卫星基本相同，三颗卫星共需要5.1亿美元。

地面站建设成本：地面站由测控站、关口站和控制中心三种类型地球站构成。 Oneweb卫星测控站设在高纬度地区，天线口径为2.4m或以上；在全球将部署 55~75个卫星关口站，每个关口站配臵十多副口径超过2.4m的天线；系统将在美国和英国设臵至少两个独立控制中心。Viasat-1系统容量仅150Gb/s，设臵了21个关口站，关口站配臵一副7.3米Ka频段天线，可推算出容量为 3Tb/s的Viasat-3星系统关口站数量将达到数百个，且至少有3个测控站对应 3颗不同卫星。

对于低轨卫星通信系统而言，空间段和地面站建设可以在现有的技术框架内找到成本控制方案；考虑广阔的应用前景，运营商也可以接受稍高的一次性资本开支。而用户终端的成本是决定卫星系统能否取得商业成功的关键，目前高轨通信卫星的固定终端价格约为 3000 美元，便携式终端价格约为 28000 美元。低轨卫星通信系统地面终端的天线需对卫星信号进行跟踪，并保证在卫星切换时信号不中断，增加了终端天线的技术难度，用户很难接受数万甚至数十万美元的终端产品，这对低成本双抛物面天线或相控阵天线技术提出了更高的要求。

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