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解读华为Mate50、iPhone14卫星通信功能丨卫星通信科普

发布时间:2022-09-13作者来源:金航标浏览:471


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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