手機+衛星，到底有多難？

這幾天，關于衛星手機的新聞又火了。

根據媒體報道，9月6日即將發布的華為Mate 50系列手機，將具備“衛星通信能力”，在沒有網絡的地方，可通過衛星系統發送緊急短信。

無獨有偶，另有小道消息聲稱：蘋果的iPhone 13中，就有連接衛星的硬件。但是，蘋果跟運營商沒有談攏合作方式，因此沒有公開。在未來的iPhone 14上，這一功能很可能會實現。

言外之意，華為和蘋果，都在發力“衛星通信”。似乎，新的“賽道”，又出現了。

無良流量號，又開始嗨了……

那么，事實真的是這樣嗎？手機的衛星時代，真的開始了嗎？

今天這篇文章，小棗君就給大家做一個深入解讀。

█  通信頻率問題

近年來，關于衛星通信的新聞，一直都是媒體和大眾的關注熱點。

尤其是馬斯克搞了一個星鏈之后，三天兩頭就有新聞，炒作衛星通信對地面蜂窩移動通信的威脅，對5G的威脅。

事實上，這些炒作很多都缺乏基本的通信常識，除了暴露某些人的急功近利之外，主要是為了服務于流量，服務于資本運作。

衛星通信，無論現在還是未來（至少50年），都不可能取代地面移動通信，成為人類主要的通信手段。

接下來，我來解釋原因——

首先，大家要明白且牢記一點：任何無線通信系統，都是基于無線電磁波進行通信的。

無線電磁波，有一個重要的屬性參數，那就是頻率。

頻率不一樣的無線電磁波，特性就不一樣，如下圖所示：

從宏觀來看，主要分為光波和電波。

我們人類無線通信，目前主要用的是電波。早期用的低頻和中頻電磁波，現在逐漸往高頻甚至太赫茲（就是上圖中間的THz）發展。也有科學家，在研究可見光通信（往光波發展）。

無線電磁波的電波這部分，看上去頻率資源挺多的，但實際上，每個頻率，都被政府有關部門規定了對應的用途。

從使用者來看，這些頻段分為軍用、專網用（公安、消防、鐵路、電力等）、運營商用（公共移動通信），等等。

此外，還有ISM（Industrial工業、Scientific科學、 Medical醫學）免授權頻段，無需申請授權即可使用，例如我們的Wi-Fi頻段。

任何人都不可以隨便占用頻率。例如，我自己發明了一個無線通信設備，然后占用運營商的800MHz頻段，發射這個頻段的無線信號，那就是違法行為。

手機進行衛星通信，第一個要考慮的問題：它到底用什么頻段？

不知道大家有沒有注意，我們買的新手機，到手之后，都會在反面看到一個藍色的標簽：

這個標簽，就是手機的進網許可證。任何手機型號上市之前，廠商都要先拿到工信部，去做入網測試。測試合格，才會發證。

這就意味著，國家對每一個電子產品，尤其是帶無線信號收發功能的電子產品，都是有嚴格要求的：要求無線電工作頻率必須符合國家有關規定，必須符合產品的合法用途。

我們的手機被設計出來，可以使用的頻段有三種：

一種是運營商的蜂窩通信系統工作頻率（也就是基站的工作頻段）。如果是現在比較常見的全網通手機的話，就要支持2G/3G/4G/5G頻段。每個頻段，都在官網上注明。

小米某型號支持的頻段

第二種，是Wi-Fi和藍牙。這種就是前面我說的非授權頻譜，ISM頻段。只要發射功率符合要求（不能太高），就可以直接用。

第三種呢，就是衛星定位系統的工作頻段。我們手機現在都支持GNSS衛星定位，可以收發衛星信號。GNSS系統有很多種，美國的GPS，中國的北斗（BDS），還有歐洲的伽利略，等等。

眾多的衛星導航定位系統

那么，問題來了。很多人天天嚷著手機通過衛星進行通信，真要通信的話，使用什么頻段呢？

衛星通信屬于空間無線電通信，已經超出了一個主權國家的無線電管理能力。因此，對衛星通信工作頻率資源的使用，要向國際電聯（ITU-R）進行申請。

ITU-R有明確的文件，對申報程序和規則有嚴格的要求，往往是和衛星軌道資源的申請同步進行。

衛星通信工作在微波頻段，其頻率范圍為1GHz~40GHz。按照頻段，可劃分：L、S、C、X、Ku、K、Ka。其中，K頻段由于處于大氣吸收損耗影響最大的頻率窗口，不適合于衛星通信。因此，常用的衛星通信頻段為：L、S、C、X、Ku、Ka：

值得一提的是Ka頻段。

由于C和Ku頻段已近飽和，無法承載更多的業務，所以Ka頻段現在逐漸成為熱門。Ka頻段比Ku頻段更容易受天氣影響，但工作帶寬更大，信號強度更高。

不管怎么說，衛星通信頻段和運營商蜂窩通信頻段是不同的。目前在市場上售賣的普通手機，根本不支持通信衛星的無線工作頻率，自然就無法和衛星進行通信。

只有衛星通信服務商提供的專用衛星電話，才能和這些通信衛星建立連接。這些衛星電話的話費，也是要充值給對應衛星電話服務商的。

前面提到手機可以和GPS、北斗進行通信，那是定位導航衛星。嚴格來說，不是通信衛星。不過，我們國家的北斗很牛逼，除了定位、導航和授時服務外，它比GPS多了一個功能，那就是短報文通信能力。

也就是說，除了位置信息之外，它可以進行短消息通信（RDSS協議）。有多短呢？最多78個進制數/英文/數字，或者39個漢字。

前面提到的華為MATE 50“衛星通信”功能，就是指的這個。借助北斗定位衛星的短報文通信通道，在緊急情況下，收發短信，進行應急通信。

這個只是文本短消息而已，沒有數據業務，無法看圖片，更無法打電話或者看視頻。

這個和大家正常意義上理解的衛星通信，還是有很大區別的。前面說的專用衛星電話，是可以打電話和使用數據業務（上網）的。

目前市面上的手機，均不支持通信衛星的頻段。那么，是不是可以加上呢？

沒那么簡單。

手機對通信頻段的支持，不是加根天線就可以的。它涉及到SoC芯片、基帶、射頻、軟件部分的改造，是一個非常龐大且復雜的工作。

不是做不出來，而是沒有意義。

因為絕大部分情況下，手機都有基站信號，或者Wi-Fi信號，沒有必要為了極少出現的情況，增加無謂的成本。（搞一個外置的衛星通信套件，倒是更有可行性。）

這個和水陸兩用汽車的道理，是一樣的。

汽車加上輪船的功能，也不是不可以。但是，價格會翻幾倍，利用率極低，不利于汽車的普及。

那么，手機不改裝，不支持現有衛星通信的工作頻率，是不是就沒辦法進行衛星通信了呢？

也不是。

我們可以換一種思路。如果手機不支持衛星通信頻率，那么，干脆讓衛星直接使用地面蜂窩基站的頻率唄？

事實上，美國運營商T-Mobile和馬斯克一起新搞的那個項目，就是這么干的。他們讓衛星使用部分5G頻段，改進天線，然后對地面發送無線通信信號。

這種工作方式，有一個重要的前提，那就是必須使用低軌道衛星。

這些年來，衛星通信有一個非常重要的發展趨勢，那就是低軌道衛星的崛起。

以前，發射衛星的成本很高，所以，就希望一顆衛星能覆蓋很大的范圍。想要覆蓋范圍大，就必須把衛星放得更高。如下圖所示：

高軌道衛星，雖然覆蓋面積大，但距離遠，通信就更困難。那個時候，通信技術也不是很成熟，所以，無線信道的帶寬比較低，通信速率比較慢。這種低速率通信，只能勉強滿足定位導航等需求。

現在，隨著技術的成熟，加上一箭N星技術的廣泛應用，發射衛星的成本有所下降。以馬斯克Space-X為代表的民營公司，采用火箭回收技術，更降低了衛星發射成本，使得低軌道通信衛星的大量鋪設，成為了可能。

密集恐懼癥慎入

低軌衛星，距離地面更近，如果拋開天氣因素，都是視距覆蓋，所以，是可以給地面用戶提供信號服務的。

“星鏈”衛星的運行軌道高度原本是1110公里到1325公里，后來調低至540到570公里。

簡單來說，就等于是把基站吊在了天上，就是距離稍微遠點。

那么，T-Mobile搗鼓的這種衛星通信技術，能提供的帶寬速率是多少呢？

2-4 Mbps。

是的，你沒看錯，也就和當年ADSL撥號上網一個級別。勉強打打電話、發發圖片，視頻的話，夠嗆。

馬斯克的傳統星鏈主要使用衛星通信專用頻段，基于已有的衛星數量優勢，目前可以達到大約300Mbps的服務速率。

注意！星鏈屬于常規衛星通信系統，不是手機達到這個速率，而是它所配備的衛星通信設備。這個設備有“鍋”（蝶形天線），還有路由器啥的。

星鏈設備開箱

星鏈設備天線展開狀態

那么，為啥手機不能實現更高的衛星通信速率呢？

這個和手機硬件有很大關系。尤其是天線的類型，造成的影響很大。

█ 天線類型問題

我們現在的手機都是內置天線，天線都在手機里面。專用的衛星電話，會有更大更醒目的天線，如下圖所示：

衛星電話

根據天線原理，天線的長度為無線電信號波長的1/4時，天線的發射和接收轉換效率較高。衛星電話的天線這么大，說明這個通信系統的工作波長更長。也意味著，它的工作頻率越短（頻率=光速÷波長）。

基于中學物理知識，低頻率（大波長）的無線信號，繞射能力更強，傳播距離更遠。這和衛星通信的場景是相匹配的。

鞭狀天線的信號收發能力終歸比較弱。比它更強的，是碟狀天線，也就是大家常見的“鍋”。

碟狀天線，只要朝向對得準，就可以實現較好的通信效果。

那么，我想問一下，如果手機進行衛星通信，你愿不愿意手機上再背一個鍋呢？然后這個鍋，你還是使勁找準朝向。

即便你愿意背這個鍋，你還面臨一個問題——發射信號的問題。

衛星向手機發射信號，可以調大發射功率。手機向衛星發射信號，這就難了。

手持通信終端，發射功率是有嚴格限制的。你也不希望自己手上拿個微波爐，進行通信吧？以手機毫瓦級的無線發送功率，想讓衛星收到這種信號，到底有多難？大家可以自行想象一下。

更何況，是成千上萬甚至十萬百萬的手機，向太空中的衛星發送信號，你覺得，衛星能捕捉到所有的信號嗎？

馬斯克的星鏈，也存在上行速率不足的問題。這是一個死穴。

█ 容量問題

好了，我們繼續往下分析。

接下來，我們說說容量問題。

馬斯克的星鏈，號稱是1.2萬顆衛星，用于覆蓋全球。簡單平均一下，中國960萬平方公里，地球面積5.1億平方公里，大概占比1.88%。衛星的話，也就226顆。

那么，地面基站數量呢？

中國的基站總數，大約是1035萬座。僅中國移動的話，大約是550萬座。

226 vs 5500000，傻子也能看明白，這里面不存在取代關系。如果沒有地面蜂窩基站，我們需要多少顆衛星，才能讓所有人高速上網？

退一萬步說，即便衛星可以一點對多點，承接了海量的移動寬帶連接需求，那么，信號回傳（也就是衛星將信號發到地面站），又該怎么辦？數據中心都在地面，云服務也在地面，不回傳不行的呀。

目前的5G基站，也就覆蓋幾平方公里到幾十平方公里的面積，幾百用戶，前傳帶寬都要達到25Gbps級別。衛星通信，是否可以實現與地面站的25Gbps通信速率呢？

此前，我國在衛星上做了一次試驗任務，采用高速高階相干激光通信終端，實現了速率10Gbps的傳輸。

看似好像也和25Gbps差不大，但是這個是無線通信，穩定性、抗干擾性都遠遠不如光纖。而且，衛星的數量遠遠不如基站，如果要比肩陸地基站，它的數量需求是極大的。

█ 室內覆蓋問題

簡而言之，如果衛星通信取代地面蜂窩基站通信，那么，室內信號覆蓋，該怎么辦？地下室、隧道，該怎么辦？如果遇到惡劣天氣，又該怎么辦？

█ 結語

洋洋灑灑說了那么多，大家應該看明白了。衛星通信，是完全無法取代地面蜂窩通信系統的。如果有人告訴你通信衛星會取代基站，要么是傻，要么是壞。

作為一項特殊的通信技術，衛星通信的角色定位，仍然是地面蜂窩通信系統的補充。

衛星通信的應用領域有三類：

1、在人煙稀少地區，在光纖和基站不方便布設的地區，衛星會有很大的作用。在國外，在國內的中西部，這種地區還有很多。對于一些戶外愛好者，還有礦產勘察、自然保護等特殊工作人群，衛星電話很有用。

2、海洋以及天空場景，例如航海船舶、民航飛機，對衛星通信有強烈的需求。尤其是民航，這幾年商務人士等高價值人群，對空中通信需求很大，這類應用發展很快。

3、應急救災場景。當發生地震、洪水等自然災害，地面通信系統失靈，就需要借助衛星，進行應急通信。

大家在看待衛星通信的時候，一定要理性、客觀。它的市場體量，和蜂窩移動通信根本不是一個級別。但是，它面對的細分市場，確實有很大的發展空間。

這些年，3GPP的NTN（Non-terrestrial networks，非地面網絡項目），還有SaT5G、TC12，都在研究空地一體化通信。

我覺得，市場潛力是有的，但是并不沒有想象中那么大。尤其是NTN，主要側重的是衛星通信與5G的融合，是衛星對5G的補充。并不是脫離蜂窩通信，另起爐灶，大家應該有基本的了解。

對于衛星通信，除了技術瓶頸之外，還涉及到法律、環境、政治等一系列因素。限于篇幅，就不一一介紹了，大家可以看我以往的文章。

好了，今天的內容就到這里。希望對大家有所幫助。下期再見！