5G，上天了！ 卫星和基站擦出了火花？

大家好，我是蜉蝣君。

本期我们来聊聊卫星通信，以及卫星通信和地面通信的融合：非地面网络的故事。

对于5G来说，这可能只是后半场的锦上添花；但对仍处于畅想中的6G来说，空天地海一体化通信则是待征服的星辰大海。

这一切是如此地理所当然，以至于我们甚至想不到这样不可思议的问题：

移动通信网络真的无处不在吗？

我们都知道，地球虽叫“地”球，但实际上是一个不折不扣的水球，陆地面积只占29%，海洋面积占到了71%。

就这么点陆地面积，移动通信网络也仅仅覆盖了20%；相比之下海洋的网络覆盖率就更低了，只有5%。

总体算下来，移动通信网络只覆盖了全球不到10%的面积！

全球GSM网络覆盖

海洋里住不了人没有覆盖很好理解，陆地上的覆盖率为什么这么低呢？看下面这张图就明白了。

全球人口密度

原来，陆地上适合人居住的地方本就不多。移动通信网络没有覆盖到的地方，大多都是沙漠，丛林，冰原等人迹罕至的地方。

在这种地方建地面基站纯属亏本买卖，自然就成了信号的盲区。

可是，海洋上有各种各样的船只要上网，陆地上人迹罕至的地区也不是完全没人去。这些被遗忘的边缘地带的通信需求该如何满足？

此外，在大自然面前，人类的力量是渺小的。洪水、地震、海啸等自然灾害往往导致大面积的地面基础设施破坏，导致断电、断网、断路，使救援工作困难重重。

在此等危急时刻，如何打通救援的生命线？

上述问题的本质是：怎样建设一张覆盖全球，不受地面环境限制的通信网络？

于是，人们把目光投向了天空，期望通信基站像星光和月光一样，不管底下的大地是繁华还是贫瘠，是平原还是戈壁，都能把信号毫无偏见地洒满大地。

这样的方案还真有，就是“卫星通信”。

那么，卫星运行的高度到底是多少呢？

回想起我之前介绍5G ATG（链接：如何在万米高空畅享5G？）时，用到了“5G，可以上天了！”这样的摘要，现在想来是不够严谨的。

虽然我们口头上经常把仰头所能看到的外部世界叫做“天空”，但实际上，“天”和“空”的概念，是截然不同的。

“空”指的是地球表面到大气层之内的高度范围，通过气球、飞机、飞艇等航空器可达；而大气层之外的空间，才可以称之为“天”，一般需要通过火箭才可到达。

“空”和“天”一般以海拔100千米为界，也被称作“卡门线”。这是由美国工程师和物理学家西奥多·冯·卡门通过研究航空器的极限飞行高度得出的。也就是说，地球大气层的极限为100千米，再往上就是地球外部的茫茫宇宙了。

能实现“上天”的通信载体，就是各式各样的通信卫星。它们无时无刻不在我们头上游弋，既熟悉又陌生。

卫星轨道的高低，一般分为低轨、中轨、地球静止轨道和高轨。

低轨（Low Earth Orbit，LEO）：距地面高度低于2000千米的卫星系统。由于低轨道卫星离地球近，有着路径损耗小，传输时延低（一般小于10毫秒）的特点。

随着发射成本的逐年降低，多个LEO卫星可组成星座来实现真正的全球覆盖，频率复用更有效。因此，LEO 系统被认为是最有应用前景的卫星互联网技术。

中轨（Medium Earth orbit，MEO）：距地面高度2000km~35786Km，传输时延一般小于50毫秒，要大于低轨道卫星，但覆盖范围也更大。当轨道高度为10000Km时，每颗卫星可以覆盖地球表面的23.5%，因而只要少量卫星就可以覆盖全球。

地球静止轨道（Geostationary Earth Orbit，GEO）：距地面高度35786km，即同步静止轨道。也就是说，GEO卫星运动的角速度和地球自转相同，因此从地球上看这些卫星是相对静止的。

理论上，用三颗地球静止轨道卫星即可以实现全球覆盖。但是，同步卫星有一个不可避免的缺点，就是轨道离地球太远，链路损耗严重，信号传播时延一般为250毫秒以上，远大于LEO和MEO。

高轨（High Earth Orbits，HEO）：距地面高度大于35786km。此外还有椭圆轨道等，相比于前面几种，这些技术的应用较少，在此不再赘述。

这些不同轨道的距离尺度以数字的形式来看感受不明显，从下图可以看出，中轨和高轨以地球同步静止轨道为分界线，它们高度范围是非常宽广的。相比之下，低轨则离地面非常近，可容纳的卫星自然就少得多。

根据赛迪顾问研究报告数据，地球近地轨道可容纳约6万颗卫星。据预测，到2029年，地球近地轨道将部署总计5.7万颗低轨卫星。

目前，单单一个SpaceX的星链，就已经规划了4.2万颗卫星。这么稀缺的资源，你不抢，有的是人抢。因此，随着卫星互联网的发展，低轨卫星的建设已炙手可热。

要采用卫星来实现远距离无线通信，频谱资源也是至关重要的。

随着容量的需求，卫星通信使用的频段从中频L、S波段到Ku、Ka，再到毫米波一路向上，频率越来越高，带宽也越来越大。

卫星通信系统的组成可以分为三部分：空间段、地面段和用户段。

卫星系统架构（来源：Starlink）

空间段指的主要就是天上的由多颗通信卫星组成的星座，以及卫星之间的通信链路（ISL，Inter-satellite Link，也叫星间链路）。

地面段主要包含地球站（也可称作网关），以及业务控制、监控管理、时间注入等辅助部分。地面网络的传输、核心网等网元也可以看作地面段的一部分。

用户段指的是接入卫星的终端，主要包含天线（我们常说的“锅”）、信号处理并提供网络接入能力的设备（如路由器等）、接入网络的终端（手机、电脑等）。

农村数字连接中心（来源：Starlink）

从上图可以看出，在有线网络和无线网络均没有覆盖的地方，要实现低成本的上网，只需在房顶上安装卫星天线，连接室内的路由器即可实现电脑、笔记本、手机等终端共同上网。

野外用卫星接入上网（来源：Starlink）

如果想在野外随时随地上网，Starlink的方案依然是携带小尺寸的电子相控阵天线和路由器。

标准尺寸的天线功耗为50~75瓦，路由器也需供电，因此，车载电源是必不可少的。看上图，一人在静谧的星空下独享卫星高速网络，好不惬意。

 Starlink 的用户终端（来源：维基百科）

如果你仅仅是在紧急情况下有语音通信需求，想要甩掉笨重的天线轻装上阵，那么你就需要一部专用的便携式卫星电话。

卫星电话长什么样呢？

下图是美国2022年销量最好的三款卫星电话，支持Inmarsat（国际海事卫星）或者Iridium（铱星）这两种主流的卫星通信系统。

乍一看，这初号机的造型、9 宫格按键、又粗又大又长的天线，莫非是穿越到了20年前？

再看价格，好家伙，就支持些打电话、发短信、GPS、紧急呼叫等我们看来2G手机自诞生起就支持的功能，竟然卖到了接近1600美元，约等于人民币一万多。

我们再来看看国内的卫星通信系统和卫星电话是什么样的。

2020年1月10日，我国自主建设的第一个卫星移动通信系统——天通系统，正式面向全社会提供服务，由中国电信运营。

天通一号01卫星可以提供速率为1.2 kbps的语音业务和最大384 kbps的数据通信业务。虽然容量比较低，但提供应急通信服务还是可以的。

2022年5月17日，电信推出“天地翼卡”，宣称用户不用换SIM卡，也不用换手机号就能打卫星电话，永不失联！如果能收到地面基站的信号，4G和5G网络也能正常用。

虽说不用换卡换号，但手机却是必须要换的。蜉蝣君在某购物平台搜了下，支持天通系统的手机型号还是不少的，价格从几千到上万的都有，旗舰机确实可以支持5G。

下图是电信2020年主推的一款可支持4G和天通卫星的手机。看起来颜值是比传统的卫星电话高了些，但价格也确实是贵。

这其中的原因，一是卫星电话的定位并不是给普通人用的消费品，而是专门给野外、远洋工作者使用的工业品，需要在恶劣的环境下稳定工作，成本确实也比较高；二是卫星通信产业的用户比较少，系统和终端成本都难以摊薄。

我们从下面的产品介绍中就可以窥见其中端倪。

至于资费，那就更能看出卫星电话的定位了：100元60分钟通话，短信0.4元一条，300元20M流量。

这价格，也确实只能在十万火急的时候满足最关键的通信需求。

今年，华为推出了支持北斗卫星短报文的Mate 50旗舰机，苹果也跟Globalstar（全球星）合作推出了支持卫星求救的iPhone14。这两款产品揭开了卫星通信探索消费领域的序幕。

据悉，华为Mate 50可以通过北斗卫星给个人定向发送文字、位置、轨迹图等信息，但内容会被审核，只有跟救援相关的信息才能被发送，而且收不到回复。

iPhone14可以发布的内容也是预设的求救信号，且自带定位坐标，但不能定向发给个人，消息会统一发送至公立或付费的救援机构，但能收到救援机构的回复。

由此可见，目前在消费领域，手机上的卫星通信和地面的4G、5G网络还是两套独立的系统，技术上并没有进行融合，且卫星仅定位于应急通信，这一点跟传统的卫星电话并没有本质的差别。

甚至，由于技术上的限制，华为和苹果的这两款手机连卫星电话都还打不了。

那么，我们能否更进一步，让这两套系统融合起来，卫星直接发送5G信号？ 这样一来，我们可能连手机都不用换，在荒郊野岭就直接能通过卫星来连上5G了！

答案是肯定的。且Starlink在这方面已经走出了第一步。

今年8月25日，SpaceX宣布和T-Mobile将达成频谱共享，新一代的Starlink V2卫星将通过1.9GHz来向现网的手机提供服务。

现网的手机可不像专用的卫星电话一样有硕大的天线，发射功率也被协议定在了很低的水平（一般是0.2瓦）。因此要达成目标只能在卫星上下功夫。

Starlink V2卫星对信号接收能力进行了增强，将卫星天线加长到7米，面板增加到25平米，通信性能达到上一代V1的10倍。

这样一来，现网已有的手机终于可以直连卫星上5G了，预计吞吐率可达2~4Mbps。

这速率，虽说跟通常意义上5G动辄几百兆的速率不能相比，但支持打电话是不在话下的，流畅上网也是可以保证的。

跟地面上的5G网络相比，这种飘在天上的5G网络自然就叫做“非地面网络（Non-Terrestrial Network）”，简称作NTN。

广义的NTN包含的范围很广，有无人机、地对空通信、高空基站、卫星网络等等。基于卫星的NTN自然是最受关注的重点，因此在一般情况下，我们说的NTN都是基于卫星的。

下图是3GPP对于NTN技术标准化的进展及计划。可以看出，在R15和R16，5G NTN还处于研究阶段；从R17开始，5G通过NTN的接入技术已开始了标准化，并将在后续版本不断向前推进。

这些技术上的挑战固然棘手，但没关系，只要有需求，只要市场在，随着各路专家的不懈努力，技术总会找到出路。

6月21日，紫光展锐宣布，其已联合北京鹏鹄物宇，完成全球首个基于 R17 IoT-NTN 标准的 5G卫星物联网上星实测。

7月11日，爱立信、高通及法国航空航天公司泰雷兹联合完成“5G手机直连LEO卫星”的研究，并将在LEO轨道卫星网络上部署5G进行测试。

7月28日，诺基亚和AST SpaceMobile达成五年协议，将建设一张4G、5G手机可访问的天基移动宽带网络。预计将采用透明载荷架构，诺基亚主要提供地面基站。

8月17日，联发科宣布，其已经和罗德施瓦茨公司合作，在实验室完成全球首次基于3GPP R17标准的5G NTN的卫星和手机直连测试。实验室模拟的LEO卫星高度为600千米，移动速度高达每小时27000千米。

8月26日，中国移动、中兴通讯和交通运输通信信息集团等单位合作，共同发布全球首个基于3GPP R17的运营商5G NTN技术外场验证成果。本次测试基于GEO卫星，ping 64字节时延约4s，实现了文字短消息、语音对讲等业务。

图片来源：中兴通讯官网

可以看出，这些计划和测试目前还都处于比较初级的阶段，但是却真实不虚地验证了NTN技术架构是可行的，这就是从“0”到“1”的突破。

回顾卫星通信的发展史，一般认为分为三个阶段：

第一阶段是在二十多年以前，卫星通信和地面通信经过正面交锋和竞争最终落败。

第二阶段大概是2000年到2014年这十几年时间，卫星通信蛰伏起来，仅仅作为地面通信的补充和备份，在夹缝中生存。

第三阶段自2014年起至今，以O3b的投入运营为肇端，以Starklink的崛起为高潮，基于LEO的宽带卫星互联网发展迅猛，并和地面通信加速融合。

5G NTN，正是卫星通信和地面通信融合的产物，是一颗希望的种子。

期望在不久的未来，我们每一个人的手机，都可以在杳无人迹的沙漠荒原，在波涛汹涌的茫茫大海，在被自然灾害蹂躏下的残破家园，都能接收到来自卫星的满格信号。