深入解读：手机+卫星，到底有多难？

来源:电子工程专辑发布时间:2022-09-031080浏览

这几天，关于卫星手机的新闻又火了。
根据媒体报道，9月6日即将发布的华为Mate 50系列手机，将具备“卫星通信能力”，在没有网络的地方，可通过卫星系统发送紧急短信。
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。
言外之意，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。下期再见！

END

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