经过前期的各种暗示和逐步酝酿，诸如华为 “捅破天”的技术和苹果充满星空元素的发布会邀请函的发酵，卫星通信这个话题，在华为mate50和苹果iphone14系列发布后，便迅速成为了通信行业讨论的热点。
图源：华为
图源：苹果 9月6号正式发布的华为Mate50系列，作为全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机，可以支持使用者在没有地面网络覆盖的情况下，通过其畅连app将文字和位置信息，通过北斗卫星发送给最多四位联系人，并且支持生成相应的轨迹地图。目前Mate50还不支持卫星消息的接收。 而一天多后，苹果也发布了其支持卫星通信的iphone14系列，其合作的卫星运营商是美国的全球星（Globalstar）公司。和Mate50不同，iphone14系列支持发送和接收卫星消息，只是苹果的卫星消息，作为卫星SOS急救功能，目前只能发送给救援机构，具体发送链路的流程如下：
图源：苹果 具体对比Mate50和iphone14在卫星通信功能上的差异。 Mate50的合作方是北斗三号卫星，其由3颗地球同步轨道（GEO）卫星，3颗倾斜地球同步轨道（IGSO）卫星，24颗中轨道（MEO）卫星，共30颗卫星组成。而和Mate50进行通信的卫星为GEO卫星，距离地面高度大约为36000km，北斗三号应该有三颗GEO卫星，不过支持中国大陆的，应该只是其中一颗，也就是说，目前大概只有一颗GEO卫星支持Mate50的卫星通信。通过北斗卫星进行短报文的发送时，手机端具体的上行频率是1610~1626.5MHz。实际上北斗本身是支持下行的，下行频率为2483.5~2495MHz。目前Mate50的卫星通信功能只在中国大陆地区可用。11月5号，华为的Mate Xs2也开启了体验北斗卫星消息的众测活动。 苹果的合作方是Globalstar，其卫星高度为1414km，属于低轨卫星，其星座由48颗卫星和8颗备份卫星组成。由于是低轨卫星，卫星相对手机终端的速度很快，超过了24000km/h，因此每颗卫星最多只能给用户提供连续17分钟的连接服务，如果在这个时间内没搞定卫星消息的发送，那就得找别颗卫星了。具体到iphone14的卫星通信频率，上行为1610~1626.5MHz，下行为 2483.5~2495MHz，和北斗相同。2483.5MHz这个频率很熟悉，我们日常使用的蓝牙和Wi-Fi的部分频段就紧挨着2483.5MHz。目前卫星通信这一功能只能在美国和加拿大使用。之前Globalstar还确认，将分配其当前和未来网络容量的85%来支持苹果的卫星通信服务。 具体到两者的软硬件差异，华为似乎是重新设计了一套软硬件系统，而iphone14内置的高通骁龙X65基带，本身就支持和Globalstar卫星的连接。事实上，是高通和Globalstar共同游说的3GPP，将2483.5~2495MHz划分用作5G的n53频段，并且Globalstar还获得了北美的独家运营权，因此iphone14的卫星通信可以在北美使用。 只是完整看下来，目前手机终端的卫星通信功能，主要的使用场景还只是紧急求救，如果要在手机端实现类似或者接近蜂窝通信的体验，应该还有很远很远的路要走。
如果我们不仅仅考虑大众化的手机终端支持的卫星通信，而是单纯考虑卫星通信这一技术本身，其实到现在，它已经演化了30多年了。关于早期和当前的卫星通信系统的演化和发展，我也查找了很多资料，在这里做一个梳理。因为我的关注要点还是在物理层这块，以及市场发展相关的信息，其他层诸如网络层，应用层，传输层等，也是有看到相关资料的，但是对现阶段的我来说，看明白并且捋清楚有点过于挑战，就不瞎BB了。 铱星系统：
早期最为著名的卫星通信系统是铱星系统。它是摩托罗拉在1987年提出的一种利用低轨道卫星群实现全球卫星通信的方案，取名为铱星系统也是因为其最初的卫星方案与铱原子的外层电子分布类似，77个电子对应7个轨道的总共77颗卫星。只不过后来由于预算不够，轨道数从7个削减到了6个，也变得不像铱原子了。最终的卫星数量是66颗，平均分布在6个圆形极地轨道，距地高度均为765km。1998年，所有66颗卫星全部发射入轨，铱星系统正式投入运行。然而，由于系统耗资过于巨大（超过57亿美元），同时市场开发进度过于迟缓等原因，两年后的2000年，铱星公司就宣告破产了，表面上显现出来的原因是系统的维护费用远高于业务收入。 尽管铱星系统是当时最为完备的卫星通信方案，但无论是通话速率、稳定性、资费，终端成本等和GSM相比，都相差太多，因此突然暴毙也是情理之中的事情。铱星公司破产后，被新铱星公司以2500万美元收购，并在2001年上半年重启相关的服务。新铱星公司调整了市场定位、经营策略，也让新的公司走上了正轨，目前主要业务是给20多个国家提供紧急救援通信和机要通信等服务。 2007年的时候，新铱星公司提出了铱星二代计划，只是其规划的速率好像有点低，我暂时还没办法确定是否正确。新铱星系统上下行频率均为1616~1626.5MHz，然后馈线链路（卫星和地面站之间的通信）上下行频率为27.5~30GHz和18.8~20.2GHz。值得一提的是，这个频段正是当前非常热点的宽带卫星通信频段，国内外的很多团队都在做，也都有了一些成熟的产品，包括我在研究生期间的导师，东南大学的赵涤燹教授，在15年回国之后，重点投入的方向就是基于这个频段的高通量卫星通信芯片的研发和相应地面终端的国产化。回到铱星二代，把这个频段全用来做馈线链路，总感觉有点浪费。 全球星系统： 该系统就是前文提到和苹果合作的Globalstar，于1991年提出。相对于铱星系统来说，它的终端价格更便宜，接近当时的手机价格，系统也更稳定，因此相对铱星系统更贴近消费级用户。理论上铱星系统应该更加稳定的，只是当时推出来的时候过于着急，不管是系统软件还是硬件都存在很大缺陷，才导致了过早的夭折。如前文所说，Globalstar其卫星高度为1414km，属于低轨卫星，其星座由48颗卫星和8颗备份卫星组成。上下行频率分别为1610~1626.5MHz和 2483.5~2500MHz。而2010年开始建设的全球星二代系统（Globalstar-2），总共规划了24颗卫星，并且轨道高度依旧是1414km。 其他系统： 早期的卫星通信系统规划，除了以上提到的两个之外，还有其他诸如Orbcomm，LEO One，Final Analysis，Constellation Communications等，只是相对来说没有前两位出名，以上提到的这些都是低轨通信卫星系统。在这里做个总结： 铱星系统：66颗，765km，上下行1616~1626.5MHz 全球星系统：48+8颗，1414km，上下行1610~1626.5MHz/2483.5~2500MHz Orbcomm：48颗，825km，上下行148~150MHz/137~138MHz+400MHz LEO One：48颗，950km，上下行148~150MHz/137~138MHz Final Analysis：38颗，1000km，未知 Constellation Communication：46颗，2000km，上下行2483.5~2500MHz /1610~1626.5MHz
可以看到，早期的这些通信卫星系统都是用的很窄带的频段，这注定了数据速率会非常低，同时各个层面的成本，不管是卫星发射，终端制造，还是提供通信服务相关的成本都会很高，这就导致了之前的卫星通信和普罗大众没啥大关系。对了，这里提一句，GPS和北斗这些是导航卫星，和通信卫星是不同概念，我们这里说的是类似蜂窝通信的卫星通信。 那么，为什么现在卫星通信这个玩意突然又被搬上了台面呢？我想应该和以下几个原因有关。 第一个是卫星的制造和发射成本在这几年大幅降低。尤其是以SpaceX为代表的公司，急剧降低了卫星的发射成本，很大程度上激发了新的大规模低轨卫星星座和混合星座计划的提出，同时也保证了大规模部署的可行性。实际上，早期的通信卫星计划也都是低轨卫星，但由于发射成本的高企，使得星座的规模一直很小。如今，发射成本的降低使得低轨卫星星座，很快就要变成前辈们曾经梦寐以求的模样。 第二个是卫星自身对数据信息的处理能力，在这些年得到了极大的提升，这大概是系统和芯片性能的提升导致的。在以前，很多卫星因为处理能力有限，只能承担类似中继器的功能，导致卫星的处理能力一直很弱。而如今，更灵活的路由、波束成形、空间光学相关技术的提升使得这一自身处理能力得到很大的加强，极大提升了星座的容量，延时，可靠性等性能。 第三个是需求端的生长。这些年人们在日常生活中已经习惯了无处不在的高速无线网络，因此也会对任何时刻任何位置的高速上网有着非常大的需求。最明显的市场就是机载、船载的宽带通信，以及在偏远地区生活或者游玩的人们对高速无线网络的接入需求这块的市场。最近听说我们老师的目标市场还有在偏远地区施工的施工队，也属于刚刚说的市场了，乐。 最后一个和3GPP有关，具体是5G NTN（non-terrestrial networks），翻译过来就是5G非地面网络。更准确地说，当前卫星通信被重新搬上台面，5G NTN可能是因，也可能是作为航天/芯片/通信等工业发展的果。实际上，这两年所谓的6G空天地一体化，也是基于5G NTN的，如果没有5G NTN顺利的实现，6G空天地一体化也只会是畅想。因为我本身接触和感兴趣的话题主要是4/5G以及和他们协同的WCN这块的业务，因此着重查找了5G NTN这块的资料。 5G NTN，它是5G标准化下创造的一个术语，用于指定包括卫星、无人机系统、或者高空平台在内的非地面通信系统。该计划的主要目标是通过研究它们在架构和空中接口方面的特性，将这些资产无缝集成到5G 系统中。更重要的是，利益攸关方希望重视 NTN 的独特特性，例如其广泛的覆盖范围、多播能力以及与当地地面基础设施的互补性。此外，从部署的角度来看，通过使用5G 芯片组/系统并利用更大规模的经济，可以大大降低成本。 在IEEE上尝试以non-terrestrial networks和5G作为关键字，得到的最早论文是2019年的。印象中最早关于5G NTN的提出是2017年，但是具体细节不太找的到了。不过可以肯定的是，在2019年6月，3GPP就把5G NTN作为今年R17的主要讨论话题之一了。华为苹果这些厂商大概就是那个时候开始试水手机端的卫星通信的。 摘抄一段从别的网站上看到的3GPP从R15~R18关于5G NTN的规划： “3GPP R15完成 “支持非地面网络的NR研究”，定义了NTN部署场景和相关系统参数，为NTN调整了3GPP信道模型并确定了可能需要进一步评估的关键领域。 3GPP R16完成 “支持非地面网络（NTN）的NR解决方案”，研究并确定了NR支持NTN应用的基础功能，优先考虑卫星场景。 3GPP R17聚焦LEO和GEO的透明转发场景，兼顾HAPS应用，进一步增强相关具体功能。同时，启动了NTN物联网场景研究。R17专门完成了一项关于物联网NTN的研究：“对非地面网络（NTN）的NB-IoT/eMTC支持研究”。该研究的一个目标是确定适用于LTE-M和NB-IoT的场景，假设使用的波段在sub6G，卫星星座轨道可以是LTE或GEO，有效载荷是基于透明转发模式，标称最大设备输出功率可以是20dBm或23dBm。第二个目标是针对第一个目标中确定的场景，研究并建议必要的改变，以支持卫星上的LTE-M和NB-IoT。针对网络和UE所需的通用射频核心要求，以及相邻信道共存场景展开研究，输出 “NR支持NTN的解决方案：非地面网络（NTN）相关的射频和共存方面”。 3GPP R18相关研究已经启动，将对NTN覆盖增强、移动性增强、10GHz以上频谱支持、物联网增强、UE位置服务规范进行进一步讨论。3GPP还在R18中继续对物联网NTN增强管理和适用于NR的NTN网络进行进一步研究。” 就我个人的看法，我认为后续的5G NTN必然不可能仅仅是支持紧急求救和类似全球物联网这种功能的。我相信它最终将会规划并建设成从宽带到窄带，从对延迟敏感到对延迟不敏感，从服务普通消费者到专业人士，也必然会针对不同的应用和服务拥有各种各样的细分功能，会有点类似5G切片功能。 只是看上去目前规划主要还是针对物联网相关领域的，想想确实，在手机端支持高速率的卫星通信，物理限制确实还是很大，特别是手机端一般都有功率等级限制，大概23dBm附近，关于链路预算，没算过，大概就猜一下，这个缺口无论如何也有几十dB吧。确实也只能先从物联网着手，走一步看一步了。 4. 当前的通信卫星系统和发展 5. 具体的例子：Ka波段的卫星通信芯片和系统 6. 卫星通信的市场分析 7. 对卫星通信行业的展望 |
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