手机卫星通信

1. 前言

        手机卫星通信，顾名思义，就是手机可以与卫星建立通信连接实现数据交互的技术。手机卫星高速数据连接是目前手机通话短信的下一代技术，也是新一代通信生态中的重要组成部分，即非地面网络（Non-Terrestrial Network， NTN）。

        服务方式分为电话、短信的窄带业务和支持互联网连接的宽带业务。我们所熟知的卫星电话，属于窄带业务，而类似于星链的那种卫星互联网服务属于宽带业务。但星链并不是手机直连卫星，而是需要一个小型中继站做转接。手机卫星高速宽带通信作为下一代手机卫星通信技术，已经是各国通信领域竞相角逐的焦点。

2. 卫星通讯和移动通信的特点

        卫星通信就是我们通常所听到利用人造卫星作为中转站来转发无线电波从而实现两个或者是多个地球站之间的通信。一般在静止轨道上面放置3颗通信卫星，基本上可以覆盖整体地球除两极之外，实现全球范围的通信。那么我简单的谈一下卫星通信的特点。

1. 通信距离远，覆盖面积大。电波的覆盖面积比较广，能够很好的实现多址通讯，这个覆盖范围最远能达到1.8万千米，在所涉及的范围内可以实现多址连接，及时的通讯。
2. 通信容量大。卫星通信的波段区间范围比较大，有非常宽的频率范围，可以提供成百上千的话路，可以提供每秒上百兆的中高速数据通道，当然也可以传输多路电视。
3. 通信质量好。卫星的线路几乎都是在大气层以上的宇宙空间，电波相对来说传播比较稳定，同时损耗也比较小，同时也不受到通信两点间的其它的人为或者是自然环境的影响，即使发生一些特殊情况例如太阳活动所引起的磁暴等现象，也是可以维持正常的通信。

        移动通信，顾名思义就是移动体之间的通信，或者移动体与固定体之前的通信，这个移动体可以理解为是人，或者是物(汽车、火车、船、飞机)。移动通信的特点主要体现在覆盖的区域和范围上，具体的要在分类当中有体现，那么移动通信主要分为：

1. 集群移动通信，它的最大的优势就是设立一个基站，可供整个区域用户使用，用户从几十到上百，覆盖的半径大30千米左右，发射机的功率高达200W，可以实现与其他移动平台或者市话用户的通信。
2. 蜂窝移动通信，蜂窝这词就能体现出它的特点范围比较小，如果想扩大范围的服务，就得成立多个基站，使基站与基站之间相互连接，利用超短波电波的特点进行传输。
3. 卫星移动通信，利用卫星转发信号从而去实现移动通信，前面我们也介绍的卫星通信的优点，因而放在这里面，它最大的特点就是覆盖范围比较广。通常我们听到的车载移动通信以及手持终端只是卫星在不同的轨道运行而已，前者是赤道固定卫星，后者是中低轨道的多颗星座卫星。

3. 手机卫星通信的限制

        从目前的技术水平来看，当前的智能手机是具有支持卫星通信的能力的，但这种“直连”方式的通信带宽预计只能支持非实时的短信、图片和语音，无法达到地面4G或5G系统的实时和高速上网的能力。

3.1 带宽限制

        卫星功率受限是影响卫星通信能力的主要因素。卫星上的蓄电池和太阳能电池负责给卫星供电，保持卫星连续正常工作。卫星的发射成本是按照卫星重量计算的，如果星上电池越大，卫星的造价就会越高。为了合理控制成本，卫星功率往往受到很大限制。加上单颗卫星的覆盖范围很大，分配到单位面积的功率容量会非常低，尤其是在人群密集的地方，数据传输能力就会非常有限。所以，在目前卫星功率受限的情况下，手机只能发送文本等小数据量的信息，无法实现高速上网。

3.2 时间和空间限制

        除带宽容量外，手机直连卫星也有时间和空间的限制。据苹果介绍，在能够清晰看到天空的环境中，用iPhone 14发送一条卫星消息用时不到15秒，而在树荫等有遮挡的地方可能需要几分钟。另据华为官网介绍，华为Mate 50 Pro需在空旷无遮蔽处使用。

        卫星传输是自太空而下全覆盖，手机直连卫星使用的是视距传输方式，只要你能看到天空，卫星就能通过电磁波给你传递信息。由于卫星与地面距离遥远，所以传输时延比较长。在大型建筑内或有山体、树林遮挡的地方，卫星通信信号也会被屏蔽，从而影响通信效果。

3.3 高损耗

        卫星通信不同于基站通信，基站与手机的距离通常在五公里范围内，卫星相距地面要远的多，哪怕是近地轨道卫星，距离地面也有500-2000公里左右。北斗短报文通信是通过3颗地球静止轨道卫星（GEO）实现双向收发的，上行采用L波段，下行采用S波段；三颗卫星距离地面的高度约为36000公里。由于卫星轨道高、通信距离远，星地信号衰减达到188dB。衰减后相当于没有信号了。

3.4 低功率

        国家规定手机发射功率不得超过2W，这个发射功率要给遥远的卫星发送信号是很困难的。

3.5 低增益

        手机收发天线相比于专业天线增益低，手机内部的天线布置也不适合与卫星通信。卫星天线一般是圆极化天线，而手机是线极化天线，线极化天线会天然比圆极化天线增益低。

4. 手机卫星通信现状

        2022年9月苹果通过秋季新品发布会宣布，iPhone 14系列手机新增卫星通信紧急求助功能。在手机信号塔覆盖不到的地方，iPhone 14系列可以连接到卫星频率，发送出SOS紧急求助消息给地面救援机构，同时还支持共享定位，将于2022年11月率先在美国和加拿大开通。

        而就在这两天前，华为率先发布了业界首款支持北斗卫星消息的大众智能手机华为Mate50系列。，在地面没有网络信号的情况下，可以通过北斗卫星消息与外界联系，并能一键生成和发送轨迹，让救援人员及时准确获取位置。

5. 卫星窄带业务

        与卫星宽带业务相比，窄带业务提供的服务相对单一一些，一般只提供电话和短信服务，但它却是现阶段比较容易实现且市场需求旺盛的服务，在远洋航海、应急救援、极地探险等环境中有着巨大的市场空间。

        中国比较成熟的商业手机卫星通信服务提供商有北斗和天通卫星两家，北斗提供短报文服务，天通可提供语音通话和短信服务。较早进入实用化阶段的是北斗卫星的短报文服务。两种服务卫星的轨道高度差不多，实现难度相当，这里先讨论成熟的北斗短报文服务。

6. 商用卫星通信系统组成

        我国商用卫星通信系统主要由北斗卫星（短报文）、天通一号卫星、中国卫通和中国星网四个部分组成。

        北斗卫星：可以提供定位和短报文服务。采用了地球中轨道卫星

        天通一号卫星：由中国电信运营，负责提供话音、短信、数据、传真等服务，是窄带卫星通信重要应用平台，提升了国家应急通信保障力度。采用了地球同步轨道卫星

        中国卫通：主要为广电行业提供卫星广播电视转发服务，并为政务应急、海事、铁路等提供卫星转发器租用服务。

        中国星网：对标SpaceX 星链计划，通过低轨卫星群提供覆盖全球的高速互联网接入服务，不受地面基础设施建设的限制。

7. 天通和北斗的区别

        华为Mate 60支持双向北斗卫星消息，而Mate 60 Pro支持卫星通话，Pro+则支持双卫星通信，包括天通卫星通话和北斗卫星消息。

        这两种卫星技术究竟有什么不同呢？名字都带“卫星”，但它们是两套完全独立的卫星系统。

        北斗和天通，是两套完全独立的卫星系统，在功能上各有分工，北斗是用来定位的，天通一号主要用来做数据传输（打卫星电话，短信、数传）。

        北斗的短报文功能，可以通过卫星发送携带定位信息的短信。这样就解决了“自己知道自己在哪里、救援人员不知道自己在哪里”的窘境。利用天通卫星通信业务可以进行进行数据传输，如打卫星电话、发短信、或者将终端信息通过天通卫星和地面通信设备将数据上传至互联网。

7.1 北斗卫星消息

        北斗卫星消息是中国北斗卫星导航系统的一部分，主要为用户提供短报文通信服务。北斗卫星消息系统采用了地球中轨道卫星，虽然覆盖范围不如地球同步轨道卫星，但在某些地区，尤其是高纬度地区，北斗卫星消息的覆盖效果可能优于天通卫星通信。

       北斗卫星消息，它是一项卫星通信功能，主要任务是导航和定位，通话功能比较弱，不过你可以发送和接收短消息，即使是在没有地面信号覆盖的地方，比如偏远的山区或深处的森林。

        短信内容不能自由编辑，只能发送预置文字或快键求助标记当前状态、勾选位置信息。多条位置信息可生成轨迹地图！

        实现北斗短报文需要加装新模块芯片，目前我国实现完全自主供应。目前传统北斗短报文终端主要通过板载RDSS 通信模块集成北斗射频收发芯片、基带芯片、功放芯片等。华为Mate50 或将采用射频基带一体化芯片方案，不需换卡换号，在现在智能手机基础上实现一号双网设计。

7.2 天通卫星通话

        天通卫星通信是中国自主研制的卫星通信系统，旨在为中国及周边地区提供高质量的卫星通信服务。它采用了地球同步轨道卫星，可以实现全球范围内的双向通信。天通卫星通信系统主要应用于应急通信、企业通信、个人通信等领域，具有覆盖范围广、通信质量高、安全性强等特点。        

        天通卫星通话是一项更强大的功能。它允许你在没有地面信号覆盖的地方进行语音通话，而且能自由编辑短信发送和接收短信。

        不过，虽然天通卫星的通话质量相对好一些，但仍然不如地面信号的清晰。只是说，在紧急情况下，天通卫星还是能发出求救信号的，毕竟在无信号区域，它是你唯一的通信救星！

7.3 两者比较

7.3.1通信速度

        天通卫星通信的速率通常高于北斗卫星消息。天通卫星通信采用Ku/C波段，传输速率可达160kbps，而北斗卫星消息的速率通常在40kbps左右。这意味着天通卫星通信可以支持更高清的视频通话和数据传输，而北斗卫星消息更适合用于发送简单的文字和语音信息。

7.3.2 安全性

        天通卫星通信和北斗卫星消息都具有较高的安全性。天通卫星通信采用了加密技术，确保通信内容的安全性。北斗卫星消息也采用了加密技术，但由于其速率较低，可能在应对高强度的网络攻击时存在一定的安全隐患。

7.3.3 应用场景

        天通卫星通信更适合用于需要全球覆盖和高传输速率的场景，如应急通信、企业通信等。而北斗卫星消息更适合用于需要在特定地区或低纬度地区实现通信的场景，如海洋渔业、户外探险等。

        总之，天通卫星通信和北斗卫星消息在功能和用途上存在一定的区别。天通卫星通信更适合全球范围内的双向通信，具有较高的传输速率和安全性;而北斗卫星消息更适合特定地区或低纬度地区的短报文通信，具有较好的覆盖效果。在实际应用中，用户可以根据自己的需求选择合适的卫星通信服务。

8. 卫星互联网

        卫星互联网主要是指以通信卫星为接入手段的互联网宽带服务模式。卫星互联网通过发射一定数量的卫星形成规模组网，从而辐射全球，构建具备实时信息处理的大卫星系统，是一种能够完成向地面和空中终端提供宽带互联网接入等通信服务的新型网络，具有广覆盖、低延时、宽带化、低成本等特点。

        国内最早的卫星互联网公司是国网，现在叫做星网（中国卫星网络集团有限公司），2021年4月正式在雄安新区成立，对标马斯克的星链，向ITU（国际电信联盟）报了12000多颗卫星，一期工程将发射100多颗，2022年10月，其中的几十颗卫星完成招标，整体项目在按部就班地进行。星网基本上都是国家项目，由政府主导。

        “星网”公司的角色是卫星宽带运营商，类似于三大电信运营商，自身不造基站，而是从外面采购卫星，然后向用户提供服务。

        国内另外一个星座G60，在上海松江区的G60科创走廊，在2016年左右成立，初期与德国KLEO公司合作，一期项目预计发射卫星300余颗，远期发射1000颗，与星网的整体功能不同，1）G60侧重于民用；2）G60与星网更多像地方主动与国家主导之间的关系。明年G60将会有十几颗卫星发射。