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解讀華為Mate50、iPhone14衛星通信功能丨衛星通信科普

發布時間:2022-09-13作者來源:金航標瀏覽:9082


今年衛星通信特別火,但衛星通信用在消費級智能手機上確實是第一次。剛剛發布的華為Mate50、iPhone 14同時支持衛星通信功能,其主要用途還是給在沒有信號區域遇險的用戶多一個求救的方式。

參與到衛星通信市場的玩家不止華為和蘋果。吉利、馬斯克、T-mobile、高通等名字也出現在了這個市場產業鏈的不同位置。此外,不少高科技企業似乎還在發掘低軌衛星的其他商業用途,“掘金”還在不同領域展開。

據市場不完全統計,目前已宣布入局手機衛星通信的還包括造車商吉利入股、持有魅族手機控股權的星紀時代,另外創業達人埃隆·馬斯克也在8月宣布,將與美國通訊服務商T-Mobile合作,從2023年起利用星鏈衛星為T-Mobile手機提供連接服務。

作為手機SoC的主流提供者,高通也緊緊盯著這個機會。早在2021年2月,高通就宣布將在未來的 X65 基帶芯片上支持n53頻段,這個頻段為全球星所擁有。

而手機SoC巨頭聯發科和羅德與施瓦茨公司合作,在低軌道(LEO)衛星信道上模擬向 5G 基站(gNB)進行數據傳輸測試,率先展示了基于 5G 智能手機硬件的衛星通信支持能力。

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官方表示,本次測試根據 3GPP R17 5G 規范定義的功能和程序,使用聯發科具有 5G NR NTN 衛星網絡功能的移動通信測試芯片,搭配羅德與施瓦茨公司的低軌衛星信道模擬器以及測試基地臺,在實驗室中模擬高度為 600 公里、移動速度高達每小時 27000 公里的低軌(LEO)衛星。在此次實驗中,聯發科采用與智能手機相同的組件,展示了將 5G NTN 技術用于衛星通信的可行性。

有許多網友們會問,幾十年前不就出現了有衛星電話了嗎?比如銥星和海事衛星電話系列,近年來,我們國家也有了自己的天通衛星電話系統。

大部分人也知道,衛星電話是特制的、專用的,且價格昂貴。早些年衛星電話價格普遍在萬元人民幣以上,目前[敏感詞]的也在四五千元檔。加上我國地面網絡覆蓋程度高,衛星電話只在極少數[敏感詞]情況下才有用武之地,因此很少人會專門購買,也就導致人們普遍無法享受到衛星通信服務。反過來說,也造成了衛星通信行業遠離消費市場,難以形成規模化的局面。

那么常用的消費級手機,為什么不能兼容衛星通信功能呢?主要原因是手機和衛星電話的區別很大:


第一,傳統的衛星通信協議和通信頻段都與地面移動通信網絡不同,在基帶處理、射頻電路和天線設計上都有所差異;


第二,手機要想支持衛星通信,首先需要硬件支持。

iPhone 14可能將采用支持衛星通信的客制化的高通X60基帶芯片。

并且,蘋果的這個功能有獨占期。如果其他智能手機品牌也想加上支持衛星通訊的功能,可能采用X65基帶芯片。


第三,由于移動通信衛星與地面的距離在幾百公里(LEO軌道)到2.7萬公里(GEO軌道)之間,因此傳統衛星電話的最大發射功率都需要在2瓦以上,而作為消費電子產品的手機,按照大多數國家政府規定的標準,在FDD模式下最大發射功率不能超過23dbm,即200毫瓦,在TDD模式下最大發射功率不能超過26dbm,即400毫瓦,在過去由于技術的限制,通信行業從未想過讓發射功率如此小的手機直接與衛星進行通信。


近年來,由于天線、射頻電路以及信號處理等技術的進步,手機與衛星直接通信成為了可能,于是這個功能成為當下通信行業討論的熱點。

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衛星通訊可分為窄帶通訊和寬帶通訊兩種,華為使用的窄帶通訊基本上是基于文字,寬帶則可以進行視頻、語音通訊等。實際上,華為所使用的北斗衛星在最初是以定位為主。


在iPhone14推出前,不少專家預測蘋果的衛星通訊可能會使用寬帶通訊。然而,盡管不同于華為的單向衛星通訊,蘋果的衛星通訊可以做到雙向,但蘋果衛星通訊目前仍然只能使用文字。


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mate50與iPhone14衛星通信功能對比

Mate50通過北斗衛星發送短信的功能如何使用?

1、通過暢連APP使用該功能,不需要辦理專門的北斗通訊卡;

2、體驗期內提供每月30條的免費額度,超出可以購買套餐;

據該功能頁面信息介紹,首次開啟北斗衛星服務號并完成注冊,每月可體驗30條免費額度,月末最后一日24時清零并充值新的額度。

舉個例子,用戶在2022年1月15日開啟北斗衛星消息服務號并完成注冊,那么2022年1月31日24時前即擁有30條免費發送額度。如果用戶在1月內一共發送了8條衛星消息,這個月就還剩余22條免費額度,但這22條免費額度會在1月31日24時自動清零,同時系統自動充值新30條免費額度。

其中,需要注意的是:當月還剩3條免費額度時系統會發送提醒信息;體驗期內的免費額度用完后將不能繼續發送;體驗期內的免費額度不能跨月提前預支;體驗期結束后需購買套餐以正常使用。

3、只能發送文字短信息,但不能接收;

4、在發送文字短信息之前,手機需要按照APP的提示,進行對準北斗衛星的操作,只有對準了某顆北斗衛星,才能正常發送;

5、文字短信息可以在預置的幾十條中選擇一條發送,這些短信息都包括定位信息,用戶也可以在預置信息之外手動輸入十幾個字的消息,字數根據接收者的數量而變化(最多可選擇同時發給四人),接收者越多,用戶可以手動輸入的字數越少;北斗衛星將會把接收到的短信轉發給運營商的衛星地面站,然后通過運營商的網絡發送給收信人。不論收信人是否使用華為的手機還是APP,都可以正常接收;

6、需要在空曠、無遮蔽的環境使用。不過,據華為手機產品線副總裁李曉龍透露,根據他的實測,在城市地面、原始森林,都可以使用Mate50系列向北斗衛星發送消息,但是飛機上不行。

北斗衛星將會把接收到的短信轉發給運營商的衛星地面站,然后通過運營商的網絡發送給收信人。不論收信人是否使用華為的手機還是APP,都可以正常接收。


蘋果iPhone14衛星通信功能使用;


1、該功能將作為第三種協議被整合到信息應用中,與普通短信和iMessage并列,在使用時會顯示為灰色的信息框,并且會限制信息的長度。

2、發送出的短信將自動推送到緊急聯系人的手機上,即使對方開啟了勿擾。 

3、支持接收到緊急求援機構的回復。

4、當聯系到緊急服務時,該功能可以發送用戶的位置和醫療ID,還可以通知用戶的緊急聯系人。其中,醫療ID是健康功能中的虛擬信息卡,包括用戶的病史、年齡、藥物以及身高和體重等信息。

5、衛星通信服務將于11月推出,iPhone 14系列機型可免費使用衛星SOS緊急聯絡功能兩年。

6、此功能僅支持美國和加拿大兩個國家。

7、目前,蘋果已經創建了一個機制,要求用戶在戶外并朝某個方向行走,以幫助iPhone連接到衛星。連接到網絡也不總是即時的,對該功能的測試表明,它有時可能需要一分鐘之后才能開始工作。

至于衛星通訊的使用場景,實際上是在郊區、山區用于緊急通訊比較多。在城市里,例如車庫、電梯等無法使用蜂窩流量的區域也無法接收到衛星的信號。


按照通信衛星運行的軌道不同,衛星通信(系統)可分為:


低軌道( LEO )衛星通信:LEO 衛星較小,運行于距地面 500-2000km 的軌道上,具有傳輸時延(Starlink雙向通信時延為 50-70ms)、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗較小等特征。典型系統為美國銥星通訊公司(IRDM)的第二代銥星系統。

中軌道( MEO )衛星通信:MEO 衛星運行于距地面 2000-20000km 的軌道上,其傳輸時延(MEO 衛星系統 O3b 雙向通信時延約為 300ms)、覆蓋范圍、鏈路損耗、功耗大于 LEO 但小于 GEO。典型系統為英國 Inmarsat 公司的國際海事衛星系統。

高軌道( GEO )同步衛星通信:GEO 衛星運行于距地面 35800km 的地球同步靜止軌道上。傳統的GEO 通信系統的技術最為成熟,但由于存在較長的傳播時延(雙向通信時延 500ms 以上)和較大的鏈路損耗,在實時通信中存在顯著的延遲。

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衛星通信系統由空間段、地面段和用戶段三部分構成:


 空間段:以通信衛星為主體,衛星上的轉發其是通信衛星的主要有效載荷, 也是衛星通信系統空間段最重要的功能組成,用于接收和轉發衛星通信地球 站發來的信號,實現地球站之間或地球站與航天器之間通信。

 地面段:包括支持移動電話、電視觀眾、網絡運營商地面用戶訪問衛星轉發 器,并實現用戶間通信的所有設施,網關站是地面段的核心設備。衛星通信 系統的地面段也包括地面的衛星控制中心(SCC,Satellite Control Center) 和跟蹤、測控及指令站(TT&C,Tracking,Telemetry and Command station), SCC 和 TT&C 主要負責衛星發射階段的跟蹤和定位,下達變軌、太陽能電池 板展開等動作指令,以及衛星在軌運行期間軌道監測和校正、干擾和異常問 題監測與檢測等。

 用戶段:主要由各類終端用戶設備組成,包括 VSAT 小站、手持終端,以及 搭載在車、船、飛機上的移動終端,以及基于衛星通信的各種應用軟件和服 務。

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衛星通信作為無線電通信形式的一種,信號的中轉和傳輸也要依賴與不同頻段的無 線電波。在地面雷達系統的應用中,IEEE 標準中將無線電波劃分為 VHF、UHF、L、 S、C、X、Ku、Ka 以及 EHF 等頻段。在實際應用當中,上述頻帶中僅有一小部分被 分配給雷達應用,大部分頻帶由國際電聯(ITU,International Telecommunication Union)的世界無線電通信大會分配給空間無線電應用,雷達頻段和空間無線電頻 段對應關系如表 1 和表 2 所示。為保證無線電頻率這一稀缺資源能夠得到合理有效 的利用,ITU 將全球劃分為三個頻率區域,中國位于其中的 III 區。

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根據不同業務類型對無線電頻段也有大致的劃分:C 頻段(4GHz~8GHz)、Ku 頻段 (12GHz~18GHz)和 Ka 頻段(26.5GHz~40GHz)是目前衛星通信系統中使用最廣泛 的頻段,C 頻段和 Ku 頻段主要用于衛星廣播業務和衛星固定通信業務,帶寬有限且 利用較早,目前頻譜的使用已趨于飽和;Ka 頻段主要用于高通量衛星,提供海上、 空中和陸地移動寬帶通信。Q/V 頻段將是未來衛星通信領域爭奪的重點,目前 ITU 正在制定 NGSO 衛星通信中使用 Q/V 頻段的頻譜共享規則,以確保 NGSO 系統與 GSO 系統以及其他 NGSO 系統能夠共存,值得注意的是 2020 年 1 月 16 日銀河航天成功 發射的 5G 星座的首發星是全球首顆 Q/V 頻段的 NGSO 通信衛星。

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低軌衛星通信系統的特點與優勢 


與傳統的地球靜止軌道衛星通信系統相比,低軌衛星通信系統最顯著的特性在于其 衛星工作軌道高度和系統復雜程度的不同,從而帶來單星技術、規模、成本上的差 異,最終影響系統建設與運營成本以及系統可靠性。低軌衛星通信星座的技術特點, 也將影響系統的通信質量,對地面終端設備也提出了不同的技術和性能要求。此外, 低軌衛星通信系統可以采用蜂窩通信、點波束、多址、頻率復用等技術,且通信具 有全球覆蓋、低延時等方面的優點,可以支持在線游戲、視頻通話等實時或近實時 數據傳輸,在與地面通信骨干網融合后可能將催生出新的應用場景。


從技術角度來看,低軌衛星通信系統與高軌衛星通信系統之間最主要的區別在于衛 星軌道高度和單顆衛星通信能力,由此帶來的具體的技術上的主要差異表現在以下 幾方面:


 傳輸時延:高軌通信衛星軌道高度為 35786 公里,每一跳(終端-衛星-終端) 通信傳輸時延約為 270 毫秒。目前主流的低軌星座的衛星大多位于 1000~1400 千米上空,其通信傳輸時延一跳約在 7 毫秒左右,考慮到其他方 面時延影響也可以做到 50 毫秒以內,與地面光纖網絡的時延相當。


 傳輸損耗:低軌星座寬帶衛星軌道高度約為靜止軌道衛星軌道高度的 1/30, 則低軌衛星信號自由空間損耗比靜止軌道衛星少 29.5dB,這是低軌衛星系 統實現終端小型化和高速數據傳輸的基石。


 星下點移動速度:地球靜止軌道衛星運動速度與地球自轉速度相同,衛星 24 時繞地球一周,相對地面靜止;低軌衛星運動速度約為 7.5 千米/秒,衛 星 85~115 分鐘繞地球一周,相對地球表面高速運動,從而帶來多普勒頻移、 地面終端天線指向跟蹤、波束間切換等技術問題。


 波束覆蓋:高軌通信衛星軌道高度高、對地視場大,部署 3 顆衛星即可實現 對南北極點以外的全球覆蓋;低軌通信衛星軌道高度低、單星對地覆蓋較小, 必須通過多星組網才能實現全球覆蓋,避免遮擋帶來的通信干擾問題,但也 會因頻率復用難度增大帶來對通信體制更高的要求。


 衛星容量:低軌衛星通信系統單星體積小、重量輕,通信能力弱,但整個系 統通信容量較高。如 OneWeb 星座系統單個衛星設計質量僅 125kg,單星容 量約為 10Gb/s,整個星座將具有 7Tb/s 的容量。Viasat-3 衛星系統由三顆 衛星組成,單顆衛星設計重量約為 6400kg,單星容量約為 1Tb/s,整個系統 具有 3Tb/s 的容量。


系統可靠性:低軌衛星通信系統可靠性更高。第一,低軌星座衛星數量龐大, 且分布于多個軌道面,任意一顆或幾顆衛星損壞不會對系統造成大的影響; 第二,低軌星座系統衛星造價較低,在軌一般都有多顆備份衛星,可以隨時 代替損壞的衛星;第三,低軌衛星成本低,研制周期短,衛星體積小、重量 輕,軌道高度低,容易進行應急補網發射。


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衛星通信系統建設成本包括衛星研制成本、火箭和發射費用、地面站建設成本和用 戶終端價格等主要部分。低軌衛星通信系統與傳統高軌衛星通信系統各方面的成本 也有較大的差異:


衛星制造成本:低軌通信衛星通常采用微小衛星平臺,技術難度和衛星規模 遠低于傳統高軌通信衛星,單星研制成本顯著降低。采用與汽車、飛機等高 端工業產品類似的流水線、批量化的方式,是低軌衛星通信系統建設的必要 要求,也有利于單星制造成本的降低。OneWeb 系統單星研制成本大約在 60 萬美元左右,而高軌 ViaSat 系統的單星造價約為 3.6 億美元,整個系統造價約為 10.8 億美元,而美國軍用 AEHF-4 衛星單星造價更高達 18 億美元。


火箭和發射費用:低軌衛星系統衛星數量眾多,需多次發射才能將全部衛星 送入軌道,因此發射費用在系統建設中占有很大比重。Oneweb公司與阿里安 航天公司簽署了總價值超過10億美元的21次發射合同。ViaSat-2衛星發射和 保險費1.7億美元,ViaSat-3衛星發射和保險費用與ViaSat-2衛星基本相同, 三顆衛星共需要5.1億美元。


地面站建設成本:地面站由測控站、關口站和控制中心三種類型地球站構成。 Oneweb衛星測控站設在高緯度地區,天線口徑為2.4m或以上;在全球將部署 55~75個衛星關口站,每個關口站配臵十多副口徑超過2.4m的天線;系統將 在美國和英國設臵至少兩個獨立控制中心。Viasat-1系統容量僅150Gb/s, 設臵了21個關口站,關口站配臵一副7.3米Ka頻段天線,可推算出容量為 3Tb/s的Viasat-3星系統關口站數量將達到數百個,且至少有3個測控站對應 3顆不同衛星。


對于低軌衛星通信系統而言,空間段和地面站建設可以在現有的技術框架內找到成 本控制方案;考慮廣闊的應用前景,運營商也可以接受稍高的一次性資本開支。而 用戶終端的成本是決定衛星系統能否取得商業成功的關鍵,目前高軌通信衛星的固 定終端價格約為 3000 美元,便攜式終端價格約為 28000 美元。低軌衛星通信系統 地面終端的天線需對衛星信號進行跟蹤,并保證在衛星切換時信號不中斷,增加了 終端天線的技術難度,用戶很難接受數萬甚至數十萬美元的終端產品,這對低成本 雙拋物面天線或相控陣天線技術提出了更高的要求。

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