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陈根:手机直连卫星,落地为什么这么难?

时间:2023-01-13 15:09:31  来源:  作者:陈根

手机直连卫星”是这两年炙手可热的概念。

2022年SpaceX的埃隆・马斯克与T-Mobile的迈克・西弗特联合对外宣布,2023年T-Mobile的用户将有机会使用自己的手机直连SpaceX的Starlink(星链)二代卫星,解决移动网络无所不在的覆盖问题;9月,华为和苹果公司分别宣布,在其各自最新发布的旗舰款手机上配置手机卫星通信相关功能。

今年开年,在美国得克萨斯州的AST太空网络宽带服务公司也计划要填补手机市场这块空白。在AT&T和Vodafone的支持下,AST太空网络宽带服务公司正在研发一种技术,让手机直接同卫星连接,打电话或用5G速度使用数据。

不过,概念的火热并不代表技术的成熟,“手机+卫星”想要走进寻常百姓家,或许还有一段不小的距离。

炙手可热的手机卫星通信

卫星通信就是地球上——包括地面和低层大气中——的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。简单来说,就是地球上的终端设备(手机)直接连接太空里的卫星,进行通信。那么,为什么在5G已然如此强大的情况下,还需要手机直连卫星进行通信?

要知道,现有的地面移动通信仅覆盖地球表面的10%。在人口密度低、回报价值低的偏远地区,网络部署成本高昂、性价比低,而且容易受地形和地质灾害影响。在手机上引入卫星通信技术,能够与其形成互补。

虽然在使用手机上,未引入卫星通信技术与在引入卫星通信技术并无太大不同,我们也是发送一样的短信和文字信息,和我们过去发的短信和文字信息并没有什么不同。但差异就在于,如果我们的手机没有插SIM卡,依靠手机卫星通信技术,即便是在塔克拉玛干大沙漠的无人区这样的手机完全没有信号的地方,我们也可以把短信成功发送出去。

当可用资源有限时,灾难随时可能出现时,通过手机直连卫星通信的意义重大,卫星通信具有“站得高、覆盖广”的天然优势,不仅可以覆盖森林、沙漠、海洋等区域,还能在灾难发生、基站被破坏、野外遭遇意外时通过卫星通信提供紧急通讯功能,这无疑在挽救一个甚至无数生命。

实际上,“手机直连卫星”并非新兴技术,早在上世纪80年代时已经有比较大型的终端机可以与卫星进行通信,上世纪80年代末美国推出的铱星卫星移动通信星座系统,就有类似“大哥大”的卫星电话。

不过在当时,一些技术瓶颈限制了这项技术进入大众消费者的视野。功能相对单一,资费高昂,实际使用的频率并不高。所以,早期概念兴起时,这项技术只在科考等特殊领域形成了产业体系,不能算是消费级手机。

而现在,“手机直连卫星”之所以再被关注,来自航天事业的大势所趋。随着航天科技的不断进步,卫星产业得到了高效发展。一箭多星发射技术、运载火箭可回收技术等的出现,让深空探索的成本不断降低。随着现代移动通信、电子元器件和卫星工程等技术的飞速发展,卫星通信系统在很大程度上解决了用户接入、通话质量、数据传输和建设成本等问题。

跟过去相比,现在的手机配置更加先进;卫星的研制成本越来越低;一箭多星发射技术、运载火箭可回收技术的出现,既缩短了卫星部署周期,又降低了部署成本。这些进步,都为手机实现卫星通信提供了条件和机会。

从手机产业角度来看,目前市场竞争激烈,手机同质化严重,急需新形态的技术帮助产业破局。多家厂商开始把新的竞争赛道定位到手机直连卫星通信技术,这是面向未来布局的重要一环,对实现网络+终端+场景全方位融合意义重大。

手机卫星通信还有多远?

从技术原理角度来看,卫星通信和运营商蜂窝网络通信的核心区别就是它不需要地面基站,直接利用卫星作为中继接收和转发信号,并将无线电信号放大,实现手机、卫星、地面站之间的通信。

手机跟卫星直连,就是手机直接能接受卫星的信号,如果卫星功率很大、能量很强,如果手机足够灵敏,就能收到卫星在天上发的信号。卫星越高,发射的信号就越难被手机接收,因此近年来很多企业都开始研制发射低轨卫星。但即便是低轨卫星,想要实现手机卫星通信的商业化,都不是件容易的事。

低轨卫星,距离地面更近,相较于高轨道卫星,更容易给地面用户提供信号服务。简单来说,就等于是把基站吊在了天上,虽然距离稍微远了点。不过,虽然低轨卫星实现了手机通信,但能提供的带宽速率却极低。

要知道5G的带宽速率能达到1Gbps,4G的带宽速率是300Mbps,而此前T-Mobile卫星通信技术提供的带宽速率却仅有2-4 Mbps,甚至只够打打电话、发发图片。而马斯克的传统星链主要使用卫星通信专用频段,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。

至于为什么手机不能实现更高的卫星通信速率,则和手机硬件有很大关系,尤其是天线的类型,现在的手机都是内置天线,专用的卫星电话,会有更大更醒目的天线。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,比鞭状天线的信号收发能力更强的,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。但问题是,哪部手机,愿意背着这样的“锅”?

所以,在目前卫星带宽速率受限的情况下,手机只能发送文本等小数据量的信息,无法实现高速上网。华为Mate50系列的“手机直连卫星”,以及苹果即将推出的“手机直连卫星”都是“有条件”的“直连”,且连接的是都是低速率的通信卫星,是有条件的在特定情况下使用的低频率、窄带的解决方案,支持短信、短报文这类小数据量的应用。因此,目前只是基于地面基站的移动通信的补充。

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。

随之而来的还有标准化问题。地面移动通信也就是手机通信由于面对的是普通消费市场,体量巨大同时又对价格非常敏感。这就驱动着手机的技术和通信体制,在从2G到3G,再到4G和今天的5G的过程中,逐步地标准化。标准化有利于打破壁垒,促进互联互通并扩大市场体量。

然而,卫星通信各设备厂家间的标准互不兼容,将市场分割得非常碎片化,导致用户少,设备和运营成本高,这反过来又限制了用户的增加。

被期待的6G时代

虽然手机卫星通信依然面临诸多困难,但架不住技术的趋势。

当前,华为、苹果等公司的手机直连卫星完成了从0到1的跨越,手机厂商的纷纷入局,收购魅族的星纪时代公开表示,将推出全球首款直连低轨卫星的消费级手机;谷歌也已确认,在下一版本的Android/ target=_blank class=infotextkey>安卓系统中提供手机连接卫星的功能;美国Space X公司与美国电信巨头T-Mobile US共同宣布成立技术联盟,2023年开始通过T-Mobile向消费者提供手机直连第二代星链卫星的服务。在这样的背景下,更多终端产业链也开始关注手机卫星通信

虽然手机引入卫星通信技术并不是新生事物,但在今天,它的内涵已经发生深刻变化。显然,手机厂商们不会停留在单一功能或者单一场景的升级中,而是聚焦在更远方,面向着更先进的下一代通信网络——6G时代。

虽然当前6G并没有一个准确的定义,但6G的通信指标已然被寄予有超出5G的高速率、大带宽、低时延,也在5G基础上从服务人、人与物,进一步拓展到支撑智能体的高效互联,实现空天地一体化的全球无缝覆盖。

6G的愿景之一就是实现全球通信的无缝全域覆盖,但在广袤的地球上实现这个目标比较困难,比如在大片的海洋、沙漠无人区等地域,建设基站既不现实也不经济。而卫星通信作为6G时代最重要的潜在技术,则是地面通信网络的重要补充。卫星通信+地面通信能够真正实现更好的全域覆盖体验。面对6G时代卫星组网高概率出现的可能,手机厂商们提前部署卫星通信能力,可以提前为6G时代的到来做铺垫。

此外,面向6G时代,运营商、零部件厂商、设备商等整个卫星通信产业链上下游都在积极布局。手机厂商如果参与其中,可以激活产业的连锁反应。参与与否的结果,决定着是否与卫星通信的价值绝缘。抢跑的手机厂商,对于手机卫星通信领域的未来发展有着引领行业的先导作用。

未来手机连接卫星通信是大势所趋。连接低轨道通信卫星、信息压缩技术,各产业的协同,这些逐步探索和不断完善的措施共同为6G时代的到来夯实基础。未来手机卫星通信的产业生态和商业模式也被一点点勾勒出新的模样。

在未来的移动通信系统中,这种深度融合的无缝全域覆盖网络将具有更高的灵活性、韧性和便利性。随着业界对通信需求的深度挖掘,以及在应用、技术和使用规则等方面积极探索和尝试,带有卫星通信的手机将给消费者的生活带来更多便利。



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