智能手机连上卫星了,然后呢?

TechSugar 2022-09-27 08:00


今年的你,可能并不容易找到一个换手机的理由,但厂商们可不这么想。本周以来,华为Mate 50、苹果iPhone 14系列先后发布,二者有个共同卖点:可以直连卫星。

由于横跨智能手机和卫星互联网两大行业,“手机直连卫星”也成为2022年最酷的科技概念。

手机直连卫星能用吗?好用吗?怎么用?市场前景如何?本文带你一起关注相关的技术和产业问题。

手机直连卫星(satellite-to-cellular service)并不是新概念。2021年,就有传言苹果iPhone 13系列会增加相关功能(当然后来没有),今年9月手机发布季临近,业界曝出多宗相关消息——

  • 8月17日,联发科使用自有5G NTN移动芯片,与罗德与施瓦茨(Rohde & Schwarz)合作,使用后者的低轨卫星通道模拟器,完成实验室环境的5G手机直连卫星;[1]
  • 8月25日,马斯克的星链公司Starlink与T-Mobile合作,宣布2023年底,通过蜂窝网络,为美国地区提供短信服务;[2]
  • 8月26日,中兴与中国移动研究院合作,实现运营商 5G NTN(非地面网络) 的外场验证,支持智能手机与物联终端的接入高轨卫星。[3]

但问题也随之而来:以往需要地面站/专用设备中继或连接的卫星,到底是怎么直连手机的?手机-卫星直连之后最重要的应用场景是什么?用户能愉快地刷短视频听音乐吗?我们头顶到底有哪些卫星可供选择?


智能手机商的“一小步”


先来看华为的手机直连卫星技术。根据华为官方信息,其新机Mate 50可在无移动网络情况下,通过华为“畅连App”连接北斗卫星发送“短报文”(但不支持接收)。

华为这项技术可能源于今年7月30日发布的“手机北斗短报文通信射频基带一体化芯片”,该芯片由中国兵工集团联合中国移动、中国电子和国产手机厂商研制,北斗官方表示,芯片的特点是:

“不换卡、不换号、不增加外设”的大众手机“一号双网”设计,全球首次实现了大众智能手机卫星通信能力,在亚太地区大众用户将享受到北斗三号短报文通信服务。[4]


不过,搭载该芯片的手机如Mate 50,直连卫星时,主要的使用场景是勘探与救援定位,而不是闲聊,毕竟北斗系统的主要功能是定位导航,而不是通信。

而iPhone 14系列的功能也主打安全:在没有地面移动信号且无高处遮挡物的情况下,用户可以通过苹果自带Find App,选好选项(是的,为了压缩信息文件大小,用户不能编辑文本),用15秒至几分钟直连卫星,再转回地面基站和中继站,进而使地面语音呼叫急救中心收到信息。


总之,到2022年9月,大众消费级智能手机的直连卫星功能,只是迈出了一小步,未来能不能再迈一大步,取决于能否实现以下目标:

  • 直连卫星,高速稳定全天候接入,实现双向高通量通信;
  • 智能手机与卫星服务商间形成稳定、成规模的商业模式;
  • 与地面移动通信服务商类似,有不同的通信卫星星座可供选择。

但在目前看来,要实现以上科幻级场景,有大量技术问题待解决。


美好但艰难的“一大步”


让手机直连卫星,主要有三条技术路线(见下表),每一条路都存在自己的难点,同时还要面对四个关键问题:

其一,频段问题。首先是,用什么频段。现阶段,Ku 频段基本被瓜分殆尽,Ka 频段虽已有低轨星座规划,但尚无实际卫星应用,Q/V频段应用潜力正在开发中,加之智能手机暂不支持通信卫星频段,这种情况要么重新定制手机(包括芯片、基带、射频、软件等),要么让卫星使用部分5G频段(如T-mobile)。[8] 其次是,怎么用。卫星专用频段与协议,与地面蜂窝频段有差异,采用Ku、Ka和Q/V这些频段目前还很难用于卫星直连手机,即便使用了“两网合一”的模式,与4G和5G手机通信也会出现交叉干扰,甚至需要修改手机4G/5G标准。[9]

其二,平衡成本的问题。无论采取哪种技术路线,都要考虑卫星和手机间成本的平衡问题,手机价格过高,消费者承受不起;也可以把问题交给卫星,如北斗三号系统卫星总设计师林宝军接受媒体采访时就表示,手机能否直连卫星主要取决于卫星,“如果卫星功率很大、能量很强,那手机就能收到卫星信号”[10]。但这样也会导致卫星功耗、重量以及天线尺寸巨大。[9] 航天发射对载荷重量十分敏感,卫星增重意味着发射成本增加。

其三,天线问题。目前手机都是内置天线,卫星向手机发射信号时调大发射功率并不难,但手机向卫星发射信号,不仅实现难,手机发射功率也有严格限制,上行速率不足是致命的死穴。[11]

其四,手机和卫星的对接问题。据《中国电子报》报道,卫星移动速度过快、多普勒效应导致的无线电信号频率和相位变化等都将是难题。[12]


手机直连卫星三种实现形式

制表丨果壳硬科技,参考资料丨文献[9]


在信号塔稀疏的区域坐高铁,手机网络总是时断时续,这是因为人随高铁移动速度过快,而信号塔又过少;类似地,通信卫星密度要像信号塔一样足够多,手机直连卫星才会有良好的体验。

不过,现在全球的通信卫星星座(Satellite Constellation)建设到什么程度了?


地球人还不能用卫星刷短视频


通信传输的带宽取决于传输频率,信号频率越高,数据传输速率越快。但是在发射功率给定的前提下,信号频率越高,传输距离也越小。因此,拥有通信功能、尤其是高通量通信功能的卫星多为低轨道卫星(轨道高度200km~2000km)。

大型LEO通信卫星星座建设现状

制表丨果壳硬科技


因功率要求小、发射方式简单、投资成本低,低轨小卫星星座是卫星通信的主流,如OneWeb和Starlink(第一代)均属此列。但是小卫星的功率有限,用户必须借助特殊的地面接收设备,才能使用这些公司的卫星互联网。

另一类则以AST SpaceMobile、Lynk、全球星、Starlink(第二代)为代表,这些星座的卫星天线和功率更大,允许手机直连的卫星互联网,但目前进度较慢。

进度最快的Lynk已于今年4月部署第六颗卫星,该公司联合创始人兼CEO查尔斯·米勒(Charles Miller)称,预计2022年晚些时候商业化,届时将面向全球提供“世界首个真正的手机直连卫星服务”。[13]

更高轨道的卫星能不能通信呢?也能。

比如北斗卫星就是典型的中轨道地球卫星(MEO),但北斗卫星主要功能是导航,通信功能要简单很多。

短报文是北斗系统提供的一种初级卫星通信服务,搭载特定芯片的终端可以通过北斗卫星,双向收发文字、语音或者较小的图片。该服务多用于应急救灾、远洋通信等地面基站无法覆盖的场景。

直到2020年7月31日,北斗三号系统正式开通提高了短报服务的效率和稳定性,提升了报文长度、服务容量和覆盖范围等指标的同时,降低了终端发射功率,该功能才得以商用。[14]

中轨道卫星距离海平面2000km~35786km,主要用于建设大型导航系统卫星星座,全球大型导航系统如GPS、北斗、格洛纳斯、伽利略均位于中轨道。

目前仅有O3b一家为中轨道通信运营商,主要为地面网接入受限的各类运营商或集团客户提供宽带接入服务,不过O3b提供的并非卫星直连互联网,用户依然要通过地面的信关站进行使用。

与铱星齐名的Thuraya、为广播电视传输线号的中星系列卫星,则位于更高的地球同步轨道(GEO,离海平面35786km,距地心的半径为42164 km)。


典型的MEO与GEO星座一览

制表丨果壳硬科技


但是中高轨道卫星离地面距离远,因此通讯带宽不高、传输延迟大,很难用于直连消费级智能手机。

回到开头的话题——两款可直连卫星的手机,的确是个技术突破,但想更进一步,实属难上加难。

低轨通信星座建设最快的Starlink,到2023年底才能在特定区域提供文本传输(Text messaging)测试,至于何时能用上语音和数据传输功能,Starlink与T-Mobile也没有提供具体时间表。

具体到我国,目前大型低轨卫星通信星座,中国星网目前还无首发星入轨,民企方面,银河航天目前也仅有7颗在轨。目前能通过中轨道的北斗实现电报文传输,算是弥补了低轨通信卫星星座的缺憾,至于进一步的功能,我们还需等待。

总之,地球人想通过手机直连卫星功能,实现打电话、发朋友圈甚至刷短视频,还很遥远。这种情况下,国内外市场炒作行为就显得相当不理智。


要突破,不要炒作


“手机连卫星”当然是个性感且吸睛的概念,但我们应以理性的态度审视其商业潜力,而非被一时的市场热度误导。

当前对卫星互联网的市场规模估算相当混乱,不同口径、不同机构给出的结果差距巨大。



这种差异,来自于对“卫星互联网”的具体定义不同,以及哪些价值链环节被纳入统计。一部分统计可能仅计算手机直连卫星,也就是移动互联网场景,而另一些则统计了家用市场。传统卫星互联网产业链包括卫星制造、卫星发射、地面通信基础设施建设、卫星通信网络运营、终端应用等——但这显然也不代表所有环节的产值都可被纳入卫星互联网行业。

当前对卫星互联网的模糊定义与口径上的混乱,本身就是行业不成熟的一种表现。大量存在争议的收入与产出被划入统计数据,而一些相关度不高的公司也被资本热捧,而这一点在二级市场颇为明显。

随着苹果发布会宣布手机直连卫星功能,合作方全球星在美国证券交易所的股票被迫停止交易,发布会后涨幅一度超过36%,收盘时却录得1.44%的跌幅。


苹果发布会前后,全球星股价走势 | 来源:雪球


A股方面,最先受消息面刺激上涨的,大多是卫星导航概念股,甚至与卫星互联网没有直接关系,其中波动较大的已经收到交易所关注函,要求对有“蹭热点”之嫌的异动公告做出解释。

这就是典型的过热。

我们在前文解释了当前卫星通信,在转向更常规、广泛的基础应用场景时,面临着多么复杂的技术问题。显而易见,缺乏功能足够强大的卫星,“卫星互联网”最多只能算作一种补充路线,不可能取代基于基站以及光纤的网络,贸然将整个网络服务市场直接视为是卫星互联网行业可获取的“蛋糕”,过于冒进。

卫星互联网的需求,来自于传统网络覆盖方式难以触达的偏远地区。这在海外表现为无力进行基础设施建设的不发达地区,或是发达国家没有光纤铺设的农村地区。但就国内市场而言,中国的人口分布与基建工程与国外存在一定差异,依赖卫星而非光纤接入互联网的普通居民相对有限,这在一定程度上降低了对卫星互联网的需求,同样不能照搬海外机构给出分析。

另一个关键问题是,有了能够直连卫星的手机,用户能做些什么。

现阶段的卫星通讯无法满足一般移动互联网用户的基本需求,大多数情况下仅能支持短信收发功能。而所谓的“覆盖荒郊野岭”,也并不是一种普遍存在的用户需求。当前的卫星移动通信,主要应用于森林防火、户外探险、救灾、远洋捕捞等特殊性较高领域,应用场景非常特殊,且在这些场景下往往对设备本身的可靠性也有着特殊需要,普通智能机在可靠性上无法满足。普通用户购买一台具有卫星直连功能的手机,除了罕见情况,也只是多了一个可能永远用不到的功能,认为这代表了一个多么欣欣向荣的市场,为时尚早。

总的来说,手机直连卫星在现阶段,谈不上是具有极其旺盛的市场需求,相关技术也无法满足用户基本需要。

我们可以说,“卫星互联网”是对传统网络服务的重要补充,能够实现对传统且在未来于国家有着重要的战略意义。但称其会对现有的网络服务覆盖模式形成大规模替代,则毫无疑问的夸大了其实际功能与商业潜力,有炒作之嫌。


References


[1] 数位时代:联发科5G技术再有新里程碑!新晶片让手机也能连上卫星网路 https://www.bnext.com.tw/article/71268/meditek-satellite-5g-communication?

[2] SpaceX官网:SpaceX Invites World's Carriers to Collaborate — No More Cell Phone Dead Zones https://www.spacex.com/updates/#direct2cell

[3] 未来移动通信论坛:全球首个运营商5G NTN技术外场验证成果发布!https://mp.weixin.qq.com/s/7_Gn7wRT8EgkCNgaklAY_g

[4] 中国北斗卫星导航系统:重磅|全球首创!北斗三号短报文通信服务成果正式发布 https://mp.weixin.qq.com/s/HOO9XSNu1YBhksG_Wi7jFw

[5] 利扬芯片公告 http://static.cninfo.com.cn/finalpage/2022-09-06/1214541079.PDF

[6] SpaceExplored:iPhone 14 Emergency SOS via satellite feature to be powered by Globalstar https://spaceexplored.com/2022/09/07/iphone-14-emergency-sos-via-satellite/

[7] 全球星的sec文件 https://www.sec.gov/ix?doc=/Archives/edgar/data/0001366868/000136686822000059/gsat-20220907.htm

[8] Feng Li, Hang Yu, Rui Ding, Ningyuan Wang, Yuqi Wang, Zhicheng Zhou. Development Strategy of Space Internet Constellation System in China. Strategic Study of Chinese Academy of Engineering, 2021, 23(4): 137‒144  doi:  10.15302/J-SSCAE-2021.04.016

[9] 空基通信:卫星直连手机技术介绍 https://mp.weixin.qq.com/s/Zyf097UhB_bm-cJGE3jTug

[10] 第一财经:手机直连卫星时代来临?技术颠覆还是噱头 https://www.yicai.com/news/101528084.html

[11] 鲜枣课堂:手机+卫星,到底有多难?https://mp.weixin.qq.com/s/NzbuubK4Y_lbvfXvU1cEZA

[12] 中国电子报:智能手机将实现卫星通信?可能为时尚早 https://mp.weixin.qq.com/s/LUJisBVKypUunW9YCPmR_Q

[13] Telecoms:Lynk launches ‘first commercial-ready cell-tower-in-space’https://telecoms.com/514594/lynk-launches-first-commercial-ready-cell-tower-in-space/

[14]  新华社:北斗三号短报文通信服务进入大众应用阶段 http://www.news.cn/2022-07/30/c_1128877807.htm

[15] 浙商证券:卫星通信意义重大,中国“星链”将冉冉升起,2022.07.22

[16] Acumen:RSatellite Internet Market Size - Global Industry, Share, Analysis, Trends and Forecast 2022 - 2030,2022.09 https://www.acumenresearchandconsulting.com/satellite-internet-market

[17] Allied Market Research:Satellite Internet Market by Band Type (C-band, X-band, L-band, K-band, and Others) and End User (Commercial Users and Individual): Global Opportunity Analysis and Industry Forecast, 2020–2030, 2021.07 https://www.alliedmarketresearch.com/satellite-internet-market-A12472

[18] Technavio Research:Satellite Internet Market Size to Grow by USD 2.70 billion due to Growth In The Number Of IoT Devices, 2022.09.05 https://www.prnewswire.com/news-releases/satellite-internet-market-size-to-grow-by-usd-2-70-billion-due-to-growth-in-the-number-of-iot-devices---17-000-technavio-reports-301617318.html

[19] The Business Research Company:Satellite Internet Global Market Report 2022 – By Product (Two-Way Satellite-Only Communication, One-Way Receive, One-Way Broadcast), By Band Type (C-Band, X-Band, L-Band, K-Band), By End-User (Commercial, Residential, Military, Industrial) – Market Size, Trends, And Global Forecast 2022-2026, 2022.04 https://www.thebusinessresearchcompany.com/faqs/5817

[20] 中商产业研究院:【新赛道专题】聚焦卫星互联网新赛道 卫星互联网行业前景分析,2022.08.29 https://www.askci.com/news/chanye/20220829/1702561971710_2.shtml


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