手机卫星，到底有多难？

　　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20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，例如军用、专网用（公安、消防、铁路、电力等）、运营商用（公共移动通信），等等。
　　只有很少一部分频段，属于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。
　　换句话说，每一件带无线信号收发功能的电子产品，都必须符合国家在无线电频率、信号发射功率方面的规定，不得非法 占用频率。
　　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？
　　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（发射功率必须符合要求 ）。
　　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，可以收发此类卫星的信号。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。
　　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。
　　现阶段，卫星通信主要工作在微波频段，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或终端，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，前两天，美国运营商T-Mobile和马斯克Space-X一起发布的那个新项目——Coverage Above and Beyond，就是这么干的。
　　他们让星链卫星与T-Mobile的地面移动网络结合，使用部分5G频段，然后对地面发送无线通信信号。
　　这种工作方式，有两个重要的前提：
　　一、必须使用低轨道卫星。
　　二、必须对卫星天线进行改造。
　　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。
　　Space-X的＂星链＂，就属于低轨道卫星。它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，比低轨更低轨。
　　在卫星天线改造方面，Space-X为了实现这个新计划，打算研发新一代LEO卫星——Starlink V2。
　　Starlink V2的 相控阵天线组件面积约为25平方米，远大于当前V1型号的天线单元。
　　V2具有大孔径、高增益、窄波束的特点，可以针对指定区域实现精准覆盖。但是，有利也有弊，它的单根天线覆盖面积也明显减少，小区覆盖半径只有36公里左右。
　　这就意味着，这个计划需要更多的卫星，更大的投资。
　　那么，T-Mobile和Space-X一起捣鼓的这个卫星通信技术，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。
　　马斯克自己也说：短信和电话OK，宽带不行
　　马斯克的现有星链，主要使用卫星通信专用频段（Ku波段，13GHz左右），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。
　　星链设备开箱
　　星链设备天线展开状态
　　█  天线类型问题
　　刚才提到了卫星的天线。接下来，我们再说说终端天线。这也是制约卫星手机发展的主要因素之一。
　　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（必须指向卫星）。
　　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
　　这个问题是显而易见的。
　　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？
　　卫星通信现在逐渐向高频发展，穿透能力越来越差，问题就更加难以解决。
　　█  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，大家可以看我以往的文章（见文末）。
　　好了，今天的内容就到这里。希望对大家有所帮助。下期再见！