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什么是手機衛(wèi)星通信
手機衛(wèi)星通信是一種通過衛(wèi)星網絡實現手機與外界通信的無線通信技術。不同于傳統(tǒng)的蜂窩移動通信,它無需依賴地面基站,而是直接利用軌道上的衛(wèi)星進行信號傳輸,使用戶能夠在偏遠地區(qū)、海洋、沙漠、高山等無地面網絡覆蓋的環(huán)境下,仍然保持與外界的聯(lián)系。
手機衛(wèi)星通信主要用于提供緊急求助、消息傳遞、位置共享等關鍵功能,特別適用于極端環(huán)境、災害救援、遠洋航行、野外探險等場景。早期的手機衛(wèi)星通信技術主要支持低速數據傳輸和文本消息,但隨著技術的進步,現代衛(wèi)星通信系統(tǒng)正在逐步向更高性能的方向發(fā)展,支持語音通話、視頻通信,甚至高速互聯(lián)網接入。
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手機衛(wèi)星通信的發(fā)展
一提起衛(wèi)星電話,很多人的印象還停留在有著長長天線的笨重的傳統(tǒng)衛(wèi)星電話,而如今一些智能手機手機也能實現衛(wèi)星通信,這確實是一個巨大的技術飛躍。這個飛躍是如何實現的呢?
傳統(tǒng)的衛(wèi)星通信主要依賴于高軌道衛(wèi)星,即地球同步軌道(GEO,Geostationary Earth Orbit)衛(wèi)星,距離地球約35,786公里。在這個軌道距離上衛(wèi)星會和地球同步旋轉,也就是說從地面來看,它是固定在天空的某個位置不動的,這樣可以方便的進行信號的發(fā)送接收。另外由于位置高,它的信號具有很大的覆蓋面,一顆在赤道上的同步衛(wèi)星幾乎能覆蓋半個地球的通信面積。
然而,由于衛(wèi)星與地球的距離超過30,000公里,為了確保信號的有效收發(fā),需要配備較大尺寸的天線和較強的發(fā)射功率。此外,信號往返傳播過程時延也通常超過250毫秒。一般大家所熟悉的衛(wèi)星電視就是使用的高軌道衛(wèi)星。
中軌道衛(wèi)星(MEO,Medium Earth Orbit)通常運行在8,000至20,000公里的高度范圍內,主要應用于全球導航衛(wèi)星系統(tǒng)(GNSS),例如美國的GPS、歐洲的伽利略(Galileo)、中國的北斗(BeiDou)、俄羅斯的GLONASS等。這些系統(tǒng)依賴中軌道衛(wèi)星提供精確的定位、導航和授時(PNT)服務。相比于高軌道衛(wèi)星,中軌道衛(wèi)星的信號傳播時延更短,約幾十毫秒,并且覆蓋范圍較廣,通常無需龐大的衛(wèi)星星座即可實現全球覆蓋。
相比之下,低軌道衛(wèi)星(LEO,Low Earth Orbit)的運行高度在300至2,000公里之間,因距離地面較近,其信號的傳播時延顯著低于靜止軌道衛(wèi)星,通常在幾毫秒到幾十毫秒之間。這使得低軌衛(wèi)星能夠提供更低延遲、更高帶寬的通信服務,適用于衛(wèi)星互聯(lián)網、地球觀測、氣象監(jiān)測等應用。然而,由于單顆低軌衛(wèi)星的可視范圍較小(通常僅覆蓋地球表面的幾百至上千公里),為了實現全球連續(xù)覆蓋,需要采用星座化部署,即發(fā)射和部署成百上千顆衛(wèi)星,讓它們協(xié)同工作,確保在地球任意地點始終有衛(wèi)星可供通信。近年來,隨著航天技術、衛(wèi)星制造和商業(yè)航天的快速發(fā)展,多個LEO低軌道衛(wèi)星系統(tǒng)相繼涌現,例如由SpaceX運營的Starlink(星鏈)就是其中比較著名的一個。
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基于在軌衛(wèi)星的定制手機直連
目前最常用的手機衛(wèi)星通信系統(tǒng)是基于在軌衛(wèi)星的定制手機直連。通常是利用高軌道同步衛(wèi)星進行短報文和衛(wèi)星通話,例如我國自主研發(fā)的北斗衛(wèi)星系統(tǒng)和天通衛(wèi)星系統(tǒng)。其中北斗系統(tǒng)除了提供覆蓋全球的定位,導航,授時服務外,其高軌道同步衛(wèi)星還具備北斗短報文服務。而天通一號衛(wèi)星移動通信系統(tǒng)可以為我國及周邊地區(qū)提供語音,短信以及數據等衛(wèi)星通信服務。
由于衛(wèi)星通信技術本身已較為成熟,短期內難以發(fā)生根本性升級,因此當前相對比較成熟的技術方案是在智能手機中集成衛(wèi)星通信功能。手機內嵌專用的衛(wèi)星通信基帶和射頻芯片,從而實現手機直連衛(wèi)星的能力。這種方案對現有手機的改造成本相對較低。缺點則在于受限于手機的天線設計和功耗,通信能力相較于傳統(tǒng)衛(wèi)星電話有所限制;通常僅支持短信、緊急求助等基礎服務,難以實現穩(wěn)定的語音通話和高速數據傳輸。而且它依賴于各衛(wèi)星運營商獨有的非標準化技術體制,不同衛(wèi)星通信系統(tǒng)之間難以實現互聯(lián)互通,不利于全球泛在互聯(lián)。
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存量手機直連衛(wèi)星的技術路線
另外一個思路是利用新發(fā)射的低軌道衛(wèi)星鏈,將手機信號基站直接放到天上去。例如SpaceX的星鏈計劃,它將4G手機信號基站集成到星鏈二代衛(wèi)星上,從而實現手機與衛(wèi)星的直接連接。普通星鏈衛(wèi)星位于約550公里的近地軌道,而星鏈基站衛(wèi)星位于更低的360公里高度,比傳統(tǒng)同步衛(wèi)星距離縮短了約100倍。
這樣衛(wèi)星與手機之間的信號傳輸損耗大大降低,收發(fā)天線的設計也更加簡化,而且信號延遲更小。最重要的是,任何一部4G手機都能通過這一服務進行通信,無需專門配置衛(wèi)星連接的基帶或射頻芯片。而且它提供的是全面通信支持:包括了目前手機上已有的功能如短信,語音通話,互聯(lián)網接入,視頻通話等服務。SpaceX發(fā)布的一個視頻里工程師已經完成了首例普通4G手機直連衛(wèi)星視頻通話的測試。SpaceX已經與多個運營商合作,將我們熟悉的傳統(tǒng)地面手機網絡的服務能力擴展到全球每一個角落。
當然這個衛(wèi)星通話模式對于手機來說屬于高功率無線通訊,發(fā)射功率可能會大于2W,畢竟信號要發(fā)往36000公里外的衛(wèi)星。相比之下手機的5G通信模式下發(fā)射功率最高也就0.4W左右,為了不對信號發(fā)射產生干擾,官方推薦的都是用免提方式來進行通話。
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基于3GPP NTN的手機直連衛(wèi)星路線
第三種技術路線就是基于3GPP國際標準組織規(guī)劃的NTN通信架構的手機直連衛(wèi)星路線。它的目標是終端融合一體,無縫連接全球,實現一個由地面和非地面組件組成的單一網絡,包含了全球最大的信息通信技術生態(tài)系統(tǒng)。
3GPP NTN(非地面網絡)是通過對5G空口協(xié)議進行增強以適應衛(wèi)星場景的技術,是地面蜂窩產業(yè)向衛(wèi)星產業(yè)的主動融合。從3GPP的release15開始 聚焦地面移動通信終端與衛(wèi)星等非地面網絡直接通信, 并針對衛(wèi)星信道的特點相應修改地面移動通信空口協(xié)議,支持手機直連衛(wèi)星應用。從Release17開始引入5GNTN標準,支持手機與高低軌衛(wèi)星直接通信,后面的Release18,19,20將持續(xù)增強系統(tǒng)能力,提供更高帶寬和更低延遲。預計未來幾年將出現更多的衛(wèi)星運營商和地面通信運營商之間的合作,在這一領域實現互利共贏。
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