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手机卫星通信,顾名思义,就是手机可以与卫星建立通信连接。现在市场上有两家面向大众的智能手机具有卫星通信功能,华为和苹果。在中国大陆地区,暂时只有华为的产品具有卫星通信功能,苹果的产品在中国大陆地区暂时无法进行卫星通信。
在中国区域,手机卫星通信实际上应该叫做北斗卫星短报文通信,短报文是北斗系统附加的一项实用功能,在应急救援、远洋海运中发挥着巨大的作用。
一、短报文分类短报文有全球短报文和区域短报文之分:
GSMC和RSMC
全球短报文(GSMC)
全球短报文性能指标
根据北斗官方发布的文件显示,2020年建成的北斗三号系统已经具有服务全球的能力,也就是说全球短报文系统已经投入使用。但是根据其性能指标,发射功率较大,对天线的要求也比较高,天线的体积应该比较大,所以地面终端小型化比较困难,智能手机可能无法实现,应该是一种专用终端设备。而且单位时间内的服务容量有限,报文长度也有限,约为560比特,约40个汉字。为防止过多设备占用宝贵的卫星资源,只提供给专用应急救援等设备使用也是合理的。
区域短报文(RSMC)
区域短报文性能指标
在2020年6月23日,我国发射了北斗三号系统中的最后一颗地球同步静止轨道卫星(GEO-3)。这颗卫星与其他两颗GEO卫星成功组合使用,可为亚太核心区域提供短报文服务。
在RSMC性能指标中,发射功率≤3W,这个发射功率在小型设备上是可以实现的,甚至穿戴设备也可以实现。而且响应时延、服务容量、报文长度等也符合大众化需求,所以区域短报文功能是可以应用在大众智能手机上的。
区域短报文在官方文件中定义了区域的范围是东经75-135度,北纬10-55度。
区域短报文覆盖经纬度
区域短报文的覆盖范围
可以看到,区域短报文覆盖了亚太核心区域。
二、手机实现短报文通信的难点1、高损耗
卫星通信不同于基站通信,基站与手机的距离通常在五公里范围内,卫星相距地面要远的多,哪怕是近地轨道卫星,距离地面也有500-2000公里左右。北斗短报文通信是通过3颗地球静止轨道卫星(GEO)实现双向收发的,上行采用L波段,下行采用S波段;三颗卫星距离地面的高度约为36000公里。由于卫星轨道高、通信距离远,星地信号衰减达到188dB。
衰减后相当于没有信号了。
这里做个对比,苹果的卫星通信实现是靠Globalstar公司的低轨道卫星,卫星高度约1400公里左右,通信难度低了25倍;
同时Globalstar公司的卫星由于轨道低,覆盖范围也会因此缩小不少,在纬度超过62度的地方可能就无法建立卫星连接,如加拿大北部和阿拉斯加。
2、低功率
国家规定的手机信号发射功率不得超过2W,这个发射功率要给遥远的卫星发送信号是很困难的。
3、低增益
收发天线相比与专业天线增益低,手机内部的天线布置也不适合与卫星通信。卫星天线一般是圆极化天线,而手机是线极化天线,线极化天线会天然比圆极化天线增益低。
三、如何实现短报文通信?想要实现卫星通信,以上三个问题必须同时解决,华为的解决方案是设计新的通信协议、采用新的高性能天线设计、引入高增益Polar算法。
在2019年,华为就和北斗团队接触,短报文带入手机的想法一拍即合。两个团队一起制定了新的通信协议,新协议采用了新的通信体制、协议栈和应用层设计。这很关键,相当于从顶层对北斗短报文通信进行了优化,是一种自上而下的优化。
针对信号衰减,华为团队重新对手机的天线进行优化布置,并结合了手机UX引导用户手动调整位置对星。在软件层面引入了一个Polar编码,该编码在信道增益上提升了0.8dB,最后增加高效率PA、低损耗射频链路提升信道增益。
在做完这些技术攻关后,成熟的技术可以固化下来形成一整套技术标准,实现这些技术转化的标志是做成一颗SOC。有人在华为的MATE50中发现了一颗不知名芯片,推测其是基带射频一体化的北斗短报文SOC,尺寸只有2毫米,而传统卫星短报文芯片的尺寸大概是30毫米。在2022年11月4日,国务院举办了一场新闻发布会,会上透露短报文芯片成本大概10元。
疑似北斗短报文SOC|图源立创EDA
华为官方没有透露该芯片的参数和技术指标,但是从北斗官方文件中可反推出其大致作用和通信原理;在《北斗卫星导航系统民用区域短报文通信基带芯片性能要求及测试方法》中提到,芯片应至少支持如下业务:
应急搜救;定位报告报文通信,其中兼收功能可选,可选择北斗三号S1频点信号;双向定时。官方文件
RSMC业务
其中C项很有意思,“兼收功能可选”正好印证了华为发布的MATE50系列可发送短报文但是收不到回复的缺点。这个缺点在华为后续发布的P60系列、手表、Nova11Ultra等克服了,可发可收现在成为了常态。说明华为在mate50系列发布时接收功能还没有完善,这也是该技术慢慢走向成熟的标志,也是芯片进行了迭代的体现。
在性能指标里,《北斗卫星导航系统民用区域短报文通信基带芯片性能要求及测试方法》里的指标是最低标准,这颗芯片的性能应该是优于此文件列出的指标的。
芯片性能要求
卫星性能
在北斗卫星的区域短报文系统性能指标中的服务频次1次/30秒,华为官方并没有说明发送一条消息需要多久,但是说明了回复间隔需要60秒。据网友测试,对星完成后,发送时间比较快。服务时间拉长的原因可能是考虑北斗卫星的服务容量限制,毕竟拉长单设备服务时间可以提高总的服务容量。但这对于应急通信来说完全够用同时也能防止信息拥塞导致的通信失败。
华为官方回复说明
其次还有报文长度限制,官方文档限制单条信息长度为1000个汉字,华为北斗卫星消息的发送不能自定义短语,都是预置短语选择后发送。
华为官方回复说明
另外还有一个重要信息官方也进行了说明:在手机无互联网连接28天后北斗卫星消息将无法使用,需要连接互联网获取数据后才能继续使用。其原因是因为手机中的星历在超过28天后就无法计算卫星的各项参数、手机时域和频率。
华为官方回复说明
中国是个地大物博的国家,拥有各种复杂地形地貌,同样的,各种地质灾害也时常发生。我国已经建立了各种灾害预警系统,比如极端天气预警,地震预警等。当前中国有十亿网民,几乎人手一部手机,这些手机大都可以接收这些灾害预警。但这些都只是预警信息,在每次灾害发生后,可能会发生地面通信基站瘫痪,导致局部通信中断,灾区情况无法及时告知外界,受灾人员的位置和情况很难确认的情境。此时如果有卫星通信手段,一定会大大缩短救援时间,降低救援难度。希望此项技术得到普及,也许这个功能一辈子都用不到,但用到的时候也许可以救命。
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