新机内置芯片，老机升级兼容：手机直连卫星技术全解析
新机内置芯片，老机升级兼容：手机直连卫星技术全解析
手机直连卫星技术是未来智能手机发展的重要趋势。本文将为您详细介绍手机接入卫星通信网络的多种方式，包括通过中继设备连接和直接连接卫星的技术细节，以及实现这一技术的具体途径和面临的挑战。
前年和去年华为mate50,mate60手机出来的时候，老余用“捅破天”来形容手机接入卫星通信的技术。在偏远地区，出现自然灾害的地区，总之一切地面移动通信网络不能有效覆盖的地区，手机可以接入卫星，在紧急条件下通过卫星通信来实现信息的传递。其中在mate50手机上集成了北斗三号短报文的功能，能够实现用北斗卫星来发送短信。在mate60手机上集成了天通一号卫星的通信功能，用户可以用手机拨打接听电话了。
智能手机能够具备接入卫星通信的功能，应该是以后手机发展的一个趋势。
手机直连卫星最简单的定义就是：消费级别的智能手机，能够直接接入卫星通信网络，不需要通过中继设备、中间设备，实现手机信号直达卫星。用户使用手机既可以接入地面的移动通信网络，也可以接入卫星通信网络。
手机接入卫星通信网络的方式
手机接入卫星通信网网络主要有2种方式：
手机和卫星不直接连接，通过地面的卫星通信设备作为中继，和卫星实现通信；
手机直接跟卫星建立通信，不需要通过地面卫星通讯设备作为中继
手机通过中继的方式接入卫星通信网络
第一种模式：手机和基站直接连接，基站接入卫星通信站，卫星通信站连接卫星，然后信号落地到地面的卫星信关站，卫星信关站通过地面通信网络（光纤等）接入地面的移动通信网络。这样通过通信基站中继了一次，实现了手机连接卫星。
这个应用主要在地面移动通信网络不能覆盖的地区，临时恢复移动通信。比如前几年南方暴雨的时候，地面移动通信网络中断。为了给灾区恢复移动通信业务，在无人机上安装了移动通信基站和卫星通信站。无人机飞到灾区的上空，地面的手机先接入无人机上的移动通信基站，然后连接到无人机上的卫星通信站，通过卫星、卫星信关站接入到地面移动通信网络中，实现了给灾区提供手机移动通信服务的目的。
第二种模式：地面卫星通信站和卫星进行通信。地面卫星用户站通过无线路由器转换成 WiFi 信号，然后手机连接 WiFi，通过这种方式手机间接的接入了卫星通信网络。比如starlink 1.0就是采用了这种模式。
手机直接连接卫星
目前已经实现的，手机直接连接卫星的方式也有2种：
新研制生产的双模手机，直接卫星。
存量的手机，直接卫星。
双模手机直接和卫星建立连接
下面这个图是双模手机连接卫星的示意框图。手机有两套完全独立的通信构架。一套通信构架是接入卫星通信，另一套通信构架是连接到地面的4G/5G 的通信网络，这就是通常所说的双模手机。比如mate50和mate60都是双模手机，其中mate50是北斗卫星通信+移动通信的双模手机，将北斗三号短报文通讯功能集成在了手机里面。mate60是天通一号卫星通信+移动通信的双模手机，将中国电信的天通卫星通信系统功能集成在了手机里面。如图：
双模手机直连卫星是由手机生产厂家发起的，针对的是新生产的手机。在新生产的手机中增加支持现有卫星通信的芯片，实现卫星通信的功能。卫星通信和移动通信是两套完全独立的系统。
存量手机，怎么和卫星直接建立连接
对于现存的海量的存量手机，不可能再增加新的通讯芯片了，对存量手机而言，有没有办法能够实现跟卫星直联呢？
当然也是可以的。但是这个工作只有卫星通信运营商来做，简单说就是卫星运营商发射的卫星中增加兼容地面移动通信网络的载荷。卫星通信运营商跟地面移动通信运营商合作。新发射的卫通信卫星发射信号的体制、信号格式、频段等,能够跟地面移动通信网络的信号体制格式兼容,这样的话，存量的手机不需要做更改，也可以进入卫星通信了。
上面的方法我们可以这样理解：相当于把移动通信的基站搬到了卫星上了，卫星就是一个移动基站，手机能够接入地面的移动基站，那么也就可以接入卫星。如下图：
手机直接连接卫星
美国的starlink 2.0 星座就是和美国的T-mobile运营商合作，starlink2.0卫星增加了兼容T-mobile的移动通信网络的载荷，地面采用T-mobile制式的手机就可以直接连接到卫星。老马在twitter上传了T-mobile手机接入starlink卫星实现远程视频的推文：
T-mobile手机接入starlink卫星
starlink用户频段是Ku、Ka频段，而为了实现兼容T-mobile移动通信网络，starlink上的专门有手机直连的频段。
Starlink卫星频段
存量手机直接接入卫星通信网络需要的关注点
存量手机进入卫星通信网络，跟手机接入地面基站相比，手机接入卫星有自身的特殊性。主要考虑下面2个因素
卫星到终端手机的距离，要远远超过了手机到地面基站的距离，低轨卫星的高度一般是500多km，而手机到地面基站的距离一般是几百米到几km，所以为了保证卫星通讯能够正常的进行数据传输，卫星上必须采用高增益的相控阵天线，保证到达手机的卫星信号功率足够。
多普勒频偏、时延补偿技术。由于低轨卫星的运行速度非常快，低地球轨道(LEO)卫星距离地面大约500km以上，飞行速度大约在7~8km/s，所导致的多普勒频移非常大。举个例子，低轨卫星绕地飞行速度接近第一宇宙速度，2GHz 频段的多普勒频移在-110kHz-110kHz 之间（地面网中高铁场景最大多普勒频移约在-1,667Hz-1,667Hz），多普勒频移相差了几十倍，卫星上的接收机必须进行多普勒补偿。另外手机到卫星的通信延时也远远大于地面基站系统，因此需要在卫星端进行时延补偿。
总结
上面我们用非常简单的方式介绍了手机接入卫星通信网络的几种方式，特别是新生产的手机、存量手机如何在不依靠中继设备的情况下直接连接卫星，实现卫星通信的方法和需要关注的问题。
希望对大家能有所帮助。