手機(jī)+衛(wèi)星，到底有多難？

這幾天，關(guān)于衛(wèi)星手機(jī)的新聞又火了。

根據(jù)媒體報道，9月6日即將發(fā)布的華為Mate 50系列手機(jī)，將具備“衛(wèi)星通信能力”，在沒有網(wǎng)絡(luò)的地方，可通過衛(wèi)星系統(tǒng)發(fā)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(wèi)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(xiàn)。

言外之意，華為和蘋果，都在發(fā)力“衛(wèi)星通信”。似乎，新的“賽道”，又出現(xiàn)了。

無良流量號，又開始嗨了……

那么，事實真的是這樣嗎？手機(jī)的衛(wèi)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(guān)于衛(wèi)星通信的新聞，一直都是媒體和大眾的關(guān)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(wèi)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(wù)于流量，服務(wù)于資本運作。

衛(wèi)星通信，無論現(xiàn)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(tǒng)，都是基于無線電磁波進(jìn)行通信的。

無線電磁波，有一個重要的屬性參數(shù)，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?nèi)祟悷o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(xiàn)在逐漸往高頻甚至太赫茲（就是上圖中間的THz）發(fā)展。也有科學(xué)家，在研究可見光通信（往光波發(fā)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(guān)部門規(guī)定了對應(yīng)的用途。

從使用者來看，這些頻段分為軍用、專網(wǎng)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(yè)、Scientific科學(xué)、 Medical醫(yī)學(xué)）免授權(quán)頻段，無需申請授權(quán)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(fā)明了一個無線通信設(shè)備，然后占用運營商的800MHz頻段，發(fā)射這個頻段的無線信號，那就是違法行為。

手機(jī)進(jìn)行衛(wèi)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(jī)，到手之后，都會在反面看到一個藍(lán)色的標(biāo)簽：

這個標(biāo)簽，就是手機(jī)的進(jìn)網(wǎng)許可證。任何手機(jī)型號上市之前，廠商都要先拿到工信部，去做入網(wǎng)測試。測試合格，才會發(fā)證。

這就意味著，國家對每一個電子產(chǎn)品，尤其是帶無線信號收發(fā)功能的電子產(chǎn)品，都是有嚴(yán)格要求的：要求無線電工作頻率必須符合國家有關(guān)規(guī)定，必須符合產(chǎn)品的合法用途。

我們的手機(jī)被設(shè)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(tǒng)工作頻率（也就是基站的工作頻段）。如果是現(xiàn)在比較常見的全網(wǎng)通手機(jī)的話，就要支持2G/3G/4G/5G頻段。每個頻段，都在官網(wǎng)上注明。

小米某型號支持的頻段

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

第三種呢，就是衛(wèi)星定位系統(tǒng)的工作頻段。我們手機(jī)現(xiàn)在都支持GNSS衛(wèi)星定位，可以收發(fā)衛(wèi)星信號。GNSS系統(tǒng)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(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)

那么，問題來了。很多人天天嚷著手機(jī)通過衛(wèi)星進(jìn)行通信，真要通信的話，使用什么頻段呢？

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

ITU-R有明確的文件，對申報程序和規(guī)則有嚴(yán)格的要求，往往是和衛(wèi)星軌道資源的申請同步進(jìn)行。

衛(wèi)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(wèi)星通信。因此，常用的衛(wèi)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(yè)務(wù)，所以Ka頻段現(xiàn)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(qiáng)度更高。

不管怎么說，衛(wèi)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(jī)，根本不支持通信衛(wèi)星的無線工作頻率，自然就無法和衛(wèi)星進(jìn)行通信。

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

前面提到手機(jī)可以和GPS、北斗進(jìn)行通信，那是定位導(dǎo)航衛(wèi)星。嚴(yán)格來說，不是通信衛(wèi)星。不過，我們國家的北斗很牛逼，除了定位、導(dǎo)航和授時服務(wù)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(jìn)行短消息通信（RDSS協(xié)議）。有多短呢？最多78個進(jìn)制數(shù)/英文/數(shù)字，或者39個漢字。

前面提到的華為MATE 50“衛(wèi)星通信”功能，就是指的這個。借助北斗定位衛(wèi)星的短報文通信通道，在緊急情況下，收發(fā)短信，進(jìn)行應(yīng)急通信。

這個只是文本短消息而已，沒有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，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(wèi)星通信，還是有很大區(qū)別的。前面說的專用衛(wèi)星電話，是可以打電話和使用數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)（上網(wǎng)）的。

目前市面上的手機(jī)，均不支持通信衛(wèi)星的頻段。那么，是不是可以加上呢？

沒那么簡單。

手機(jī)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(fù)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(jī)都有基站信號，或者Wi-Fi信號，沒有必要為了極少出現(xiàn)的情況，增加無謂的成本。（搞一個外置的衛(wèi)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(jī)不改裝，不支持現(xiàn)有衛(wèi)星通信的工作頻率，是不是就沒辦法進(jìn)行衛(wèi)星通信了呢？

也不是。

我們可以換一種思路。如果手機(jī)不支持衛(wèi)星通信頻率，那么，干脆讓衛(wèi)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(wèi)星使用部分5G頻段，改進(jìn)天線，然后對地面發(fā)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(wèi)星。

這些年來，衛(wèi)星通信有一個非常重要的發(fā)展趨勢，那就是低軌道衛(wèi)星的崛起。

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

高軌道衛(wèi)星，雖然覆蓋面積大，但距離遠(yuǎn)，通信就更困難。那個時候，通信技術(shù)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(qiáng)滿足定位導(dǎo)航等需求。

現(xiàn)在，隨著技術(shù)的成熟，加上一箭N星技術(shù)的廣泛應(yīng)用，發(fā)射衛(wèi)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(shù)，更降低了衛(wèi)星發(fā)射成本，使得低軌道通信衛(wèi)星的大量鋪設(shè)，成為了可能。

低軌衛(wèi)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(wù)的。

“星鏈”衛(wèi)星的運行軌道高度原本是1110公里到1325公里，后來調(diào)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(yuǎn)點。

那么，T-Mobile搗鼓的這種衛(wèi)星通信技術(shù)，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(dāng)年ADSL撥號上網(wǎng)一個級別。勉強(qiáng)打打電話、發(fā)發(fā)圖片，視頻的話，夠嗆。

馬斯克的傳統(tǒng)星鏈主要使用衛(wèi)星通信專用頻段，基于已有的衛(wèi)星數(shù)量優(yōu)勢，目前可以達(dá)到大約300Mbps的服務(wù)速率。

注意！星鏈屬于常規(guī)衛(wèi)星通信系統(tǒng)，不是手機(jī)達(dá)到這個速率，而是它所配備的衛(wèi)星通信設(shè)備。這個設(shè)備有“鍋”（蝶形天線），還有路由器啥的。

星鏈設(shè)備開箱

星鏈設(shè)備天線展開狀態(tài)

那么，為啥手機(jī)不能實現(xiàn)更高的衛(wèi)星通信速率呢？

這個和手機(jī)硬件有很大關(guān)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(xiàn)在的手機(jī)都是內(nèi)置天線，天線都在手機(jī)里面。專用的衛(wèi)星電話，會有更大更醒目的天線，如下圖所示：

衛(wèi)星電話

根據(jù)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(fā)射和接收轉(zhuǎn)換效率較高。衛(wèi)星電話的天線這么大，說明這個通信系統(tǒng)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(xué)物理知識，低頻率（大波長）的無線信號，繞射能力更強(qiáng)，傳播距離更遠(yuǎn)。這和衛(wèi)星通信的場景是相匹配的。
鞭狀天線的信號收發(fā)能力終歸比較弱。比它更強(qiáng)的，是碟狀天線，也就是大家常見的“鍋”。

碟狀天線，只要朝向?qū)Φ脺?zhǔn)，就可以實現(xiàn)較好的通信效果。

那么，我想問一下，如果手機(jī)進(jìn)行衛(wèi)星通信，你愿不愿意手機(jī)上再背一個鍋呢？然后這個鍋，你還是使勁找準(zhǔn)朝向。
即便你愿意背這個鍋，你還面臨一個問題——發(fā)射信號的問題。

衛(wèi)星向手機(jī)發(fā)射信號，可以調(diào)大發(fā)射功率。手機(jī)向衛(wèi)星發(fā)射信號，這就難了。

手持通信終端，發(fā)射功率是有嚴(yán)格限制的。你也不希望自己手上拿個微波爐，進(jìn)行通信吧？

以手機(jī)毫瓦級的無線發(fā)送功率，想讓衛(wèi)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(jī)，向太空中的衛(wèi)星發(fā)送信號，你覺得，衛(wèi)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(xù)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(wèi)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(wèi)星的話，也就226顆。

那么，地面基站數(shù)量呢？

中國的基站總數(shù)，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(guān)系。如果沒有地面蜂窩基站，我們需要多少顆衛(wèi)星，才能讓所有人高速上網(wǎng)？

退一萬步說，即便衛(wèi)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(wèi)星將信號發(fā)到地面站），又該怎么辦？數(shù)據(jù)中心都在地面，云服務(wù)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(dá)到25Gbps級別。衛(wèi)星通信，是否可以實現(xiàn)與地面站的25Gbps通信速率呢？

此前，我國在衛(wèi)星上做了一次試驗任務(wù)，采用高速高階相干激光通信終端，實現(xiàn)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(wěn)定性、抗干擾性都遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如光纖。而且，衛(wèi)星的數(shù)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如基站，如果要比肩陸地基站，它的數(shù)量需求是極大的。

█ 室內(nèi)覆蓋問題

簡而言之，如果衛(wèi)星通信取代地面蜂窩基站通信，那么，室內(nèi)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(jié)語

洋洋灑灑說了那么多，大家應(yīng)該看明白了。衛(wèi)星通信，是完全無法取代地面蜂窩通信系統(tǒng)的。如果有人告訴你通信衛(wèi)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(shù)，衛(wèi)星通信的角色定位，仍然是地面蜂窩通信系統(tǒng)的補(bǔ)充。

衛(wèi)星通信的應(yīng)用領(lǐng)域有三類：

1、在人煙稀少地區(qū)，在光纖和基站不方便布設(shè)的地區(qū)，衛(wèi)星會有很大的作用。在國外，在國內(nèi)的中西部，這種地區(qū)還有很多。對于一些戶外愛好者，還有礦產(chǎn)勘察、自然保護(hù)等特殊工作人群，衛(wèi)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(jī)，對衛(wèi)星通信有強(qiáng)烈的需求。尤其是民航，這幾年商務(wù)人士等高價值人群，對空中通信需求很大，這類應(yīng)用發(fā)展很快。

3、應(yīng)急救災(zāi)場景。當(dāng)發(fā)生地震、洪水等自然災(zāi)害，地面通信系統(tǒng)失靈，就需要借助衛(wèi)星，進(jìn)行應(yīng)急通信。

大家在看待衛(wèi)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(xì)分市場，確實有很大的發(fā)展空間。

這些年，3GPP的NTN（Non-terrestrial networks，非地面網(wǎng)絡(luò)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(cè)重的是衛(wèi)星通信與5G的融合，是衛(wèi)星對5G的補(bǔ)充。并不是脫離蜂窩通信，另起爐灶，大家應(yīng)該有基本的了解。

對于衛(wèi)星通信，除了技術(shù)瓶頸之外，還涉及到法律、環(huán)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（見文末）。

好了，今天的內(nèi)容就到這里。希望對大家有所幫助。下期再見！