为啥手机卫星通话难普及？北邮潘恬：天线信号增益、散热等存在技术门槛

嘉宾简介：

潘恬，北京邮电大学副教授，博士生导师，博士毕业于清华大学计算机系，现任职于北京邮电大学信息与通信工程学院，从事公有云网络、卫星互联网等领域研究工作，在SIGCOMM、NSDI、CoNEXT等网络方向会议和期刊上发表论文100余篇，授权60余项国家发明专利。

随着华为Mate60系列新机的推出，卫星通信再次成为了业界关注的话题。

据了解，华为Mate 60 Pro是全球首款支持卫星通话的大众智能手机，即使在没有地面网络信号的情况下，也可以拨打、接听卫星电话。

支持华为手机进行卫星通信的是天通一号系列地球同步轨道卫星，由中国空间技术研究院研制，一共有三颗。天通卫星覆盖区域主要为中国及周边、中东、非洲等相关地区，以及太平洋、印度洋大部分海域。

需要注意的是，人造地球卫星按运行轨道可以分为：低轨道卫星的轨道高度为 200～2000千米；中高轨道卫星的轨道高度为2000～20000多千米；地球静止轨道卫星的轨道高度为35786千米，位于赤道上空。

北京邮电大学副教授、博士生导师潘恬告诉搜狐科技，对于终端的硬件实现来说，因为高轨道的星离地球表面更远，过来的信号相对会更弱，导致终端需要加大接收的增益，使之能够接收到处于更远位置卫星发过来的信号。

潘恬认为，华为的天线技术、芯片技术比较领先，所以能够实现硬件的小型化，把通信的模块做得足够的小，能够塞到民用手机里。

不过，因为卫星直连高轨卫星通话的市场需求和商业模式目前暂时还没有特别清晰，所以国内其他手机厂商可能相对是一个跟随的态度。

值得一提的是，尽管高通等芯片厂商已经推出了支持卫星通信的SOC，但国内安卓手机厂商暂未推出相关服务，这或许还有卫星资源有限的原因影响。

据了解，天通1号星的上下行速率总带宽为30MHz的带宽，支持5000人同时打电话。如果用的人多了，可能就会出现延迟、丢包的情况了。

不过，其它厂商也正加快卫星通信能力的实现。作为天通卫星的运营方，中国电信在接受媒体采访时表示，华为并未独占卫星通信技术，中国电信正计划与更多手机厂商合作。

目前，中国电信发布了5G卫星双模手机天翼铂顿S9，搭载天通卫星芯片可支持卫星通话，但暂时还没有上市。OPPO也正式官宣下一代Find旗舰产品将支持卫星通信技术。

发短信、通话之后，手机何时能实现直连卫星上网？在潘恬看来，首先在终端方面，直连卫星上网相比直连卫星打电话对终端天线设计的要求会更高一些，但这块随着硬件技术的发展，终端上星通信的速率应该会稳步提升。

此外，单颗高轨卫星的容量不一定能够支持大量上网终端的接入。“考虑到目前我国还不支持接入星链，因此这个技术的成熟落地个人觉得还是需要等到我国自主研制的低轨卫星星座投入运营以后。”

以下为对话实录：

搜狐科技：华为手机直连卫星通信的原理是什么？

潘恬：华为Mate 60 Pro连接的天通一号卫星系统是由3颗高轨卫星组成，处于距离地面3.6万公里的同步卫星轨道高度，相对地面保持静止。

原理上来看，信号先由手机终端传到位于同步轨道的高轨卫星上，高轨卫星收到信号之后可以选择直接把信号播到地面站上去，地面站在陆地上就可以跟运营商的网络相连，最终将信号送到位于运营商网络中的目的终端上。除了上述通过地面站信号落地的模式，两个手机终端也可以通过天线技术直接连接高轨卫星，经过高轨卫星的中继进行通信。由于少量高轨卫星就能够覆盖整个地球表面，所以具备高轨卫星接入能力的手机终端无论是处在海洋里，还是处在沙漠中，都可以与运营商网络中的普通终端或其他直连卫星的手机终端进行通信。

搜狐科技：高轨卫星通信有何优劣势？

潘恬：对于高轨通信卫星系统来说，其组网技术相对简单，因为卫星在地面终端头顶始终保持相对静止，不存在星地移动切换的问题；且理想情况下三颗同步轨道卫星就能够完整覆盖地球表面，通常端到端通信时也不需要进行复杂的星间路由。此外高轨卫星单星载荷容量大，寿命也更长，能够执行更加复杂的星上处理任务。但是，高轨卫星也存在不足之处。由于离地距离相对更大，导致其通信传输时延较大，在某些低时延场景下会影响终端业务体验；同时星地距离远也使得信号传播到地面的损耗更大，这对地面终端的天线接收技术提出了更高的要求，接收终端通常功耗会更高，体积也更大。此外，高轨卫星体积大、重量大，本身的制造和发射成本也更高。尽管单颗高轨卫星的星上处理能力较强，但相较于低轨卫星星座，其组网的抗毁能力和组网容量的可扩展性并没有优势。

搜狐科技：低轨卫星通信技术更复杂吗？

潘恬：从组网协议设计的角度是这样的，因为卫星如果处于较低轨道，如550公里高度，那么是无法保持和地面终端的相对静止的。此时，你头顶的卫星过了几分钟之后就有可能换到另一颗，这样的话为了保持通信业务的不中断需要做一些移动切换的处理，类似于坐高铁打电话会在很多基站间切换，这涉及到卫星与地面终端之间的移动切换技术。

另外，低轨卫星轨道高度比较低，这使得单颗卫星的覆盖范围很有限，所以想要覆盖整个地球表面，就需要发射上千颗甚至上万颗卫星。当卫星数量多了之后，两个直连卫星手机终端间的通信将大概率经过多跳低轨卫星节点的信号转交，这就涉及到卫星之间的星间路由技术，尤其考虑到卫星拓扑存在动态性，这给路由协议的设计带来了更多的挑战。此外，低轨卫星星座具备组网容量横向扩展能力，可以通过不断发射更多的卫星来提升星座的整体交换容量，但这也需要设计更好的负载均衡技术。

最后，不能回避的一点就是低轨卫星星座的建设成本问题，这里涉及到卫星的制造和发射成本。低轨卫星通信实施的前提就是低轨卫星的低成本生产制造和低成本的火箭运载技术，这些本身也涉及到很复杂的系统工程。

搜狐科技：对于终端来说，和高轨卫星通信会更难吗？

潘恬：从天线技术的角度来说是这样的，对于终端的硬件实现来说，因为高轨道的卫星距离地球表面更远，传过来的信号经过衰减相对会更弱一些，这就需要终端通过加大接收天线的增益使之能够接收到处于更远位置卫星发过来的信号。但从组网协议角度来说，因为星地连接的动态性，低轨卫星终端的网络协议栈复杂度会更高一些。

搜狐科技：为什么大多数头部手机厂商还不能实现直连卫星通话？

潘恬：华为公司在通信领域具有长期的技术积累，其天线技术、芯片技术领先，所以能够实现硬件的小型化，把直连高轨卫星的通信模块做得足够的小，塞到民用手机里，用手机而非专用的卫星电话终端去跟高轨卫星进行连接。另外，我国的高轨卫星通信组网技术相较低轨卫星更加成熟，天通一号是我国自主发射的高轨同步卫星，这也提供了我国手机终端厂商直连卫星通话的条件，因为最终的直连卫星端到端信号打通需要手机厂商和卫星厂商的协同配合。

华为公司有着较强的创新能力和创新动机，希望把最新研发的黑科技集成到公司的消费产品中，来塑造技术领先的形象，提升手机产品的溢价。但因为卫星直连高轨卫星通话的市场需求和商业模式目前暂时还没有特别清晰，所以国内其他手机厂商相对是一个跟随的态度，毕竟这个商业模式是否成立大家也都还在观望。

搜狐科技：有观点认为，要让手机能够连上卫星打电话，需要解决天线灵敏度、散热等诸多问题，类似的产品华为之外的厂商3年内都做不出来，您怎么看？

潘恬：

在Mate 60 Pro之前，已经有专用的卫星电话终端能够与高轨卫星直连，但仍保留了外置的高增益天线用来接收高轨卫星信号。这些卫星电话因为用户少，产量少，因此价格昂贵。华为的新手机将高增益天线集成到民用手机紧凑的空间内部，并通过软硬件的联合优化来挖掘信号增益，同时在散热方面肯定也有独到的设计，确实存在一定的技术门槛。但类似的产品华为之外的厂商3年内做不出来的观点我本人不是很认可。

搜狐科技：还有业内人士表示，国内卫星通话其他企业难介入的原因，主要是卫星资源有限，不知道是否会有影响呢？

潘恬：天通一号卫星的上下行速率总带宽为30MHz的带宽，支持5000人同时打电话。如果用的人多了，资源受限情况下就会出现延迟、丢包的情况了。但如果真的存在大量的卫星通话需求，那么卫星厂商应该很乐意发射更多的卫星到天上以扩充卫星资源。

媒体：为什么还不能支持手机直连卫星上网？

潘恬：

上网所需要的带宽相比语音通话是更高的，语音通话的速率是kbps，上网的流量则通常按Mbps、Gbps来算。高轨卫星尽管每一颗星的处理能力很强、覆盖范围很大，但轨道上仅仅只有三颗星，如果有瞬时的突发流量在星上汇聚导致星上处理产生拥塞，网络的体验肯定是非常差的。

而低轨卫星则能够通过在轨卫星数量来换取星座总带宽的增长，比方说你一开始打了1000颗星，然后用着用着你发现卫星网络总的交换容量太小了，链路上经常丢包，上网非常卡顿，这个时候就可以打更多的星上去，因为流量可以在多颗星上做负载均衡。一旦解决了低轨卫星的制造和发射成本问题，低轨卫星星座的可扩展性会比高轨卫星更强一些。

另外，从终端角度来看，我们可以看到马斯克的星链的终端是一口锅，我估计由于上网速率更高，接收端的天线功率也需要更大，这就给将高增益天线塞入手机内部提出了更大的挑战。

搜狐科技：为什么国内的低轨卫星通信还没发展起来？

潘恬：

一方面，由于拓扑的动态性，低轨卫星星座的组网技术相比高轨卫星确实会更难。另一方面，低轨卫星动辄要打成千上万颗卫星到天上，卫星的生产和发射成本降低也是一个很重要的前置条件。这个方面，美国的SpaceX公司通过可回收火箭和一箭多星等技术将成本做的很低。比如可回收火箭这件事是马斯克最早拍脑袋做的，一开始经常回收失败，火箭在发射台上爆炸，当时很多人也不看好，后来经过工程师不断的迭代优化就把这件事给做成了。另外，低轨卫星上网这件事的商业模式在我国现在也还不太清晰，尤其是我国人口绝大多数都分布在有运营商地面网络覆盖的区域，国内卫星企业在这件事上的动作可能就没有这么快了。但随着星链最近宣称达到现金流收支平衡，我们也看到在这个领域国内资本投入和初创企业都越来越活跃了。

搜狐科技：手机直连卫星上网啥时候能实现呢？

首先在终端方面，直连卫星上网相比直连卫星打电话对终端天线设计的要求会更高一些，但这块随着硬件技术的发展，终端上星通信的速率应该会稳步提升。等终端接入侧的挑战解决以后，就可以把语音信号改为IP数据包，通过接入高轨卫星实现数据中继。但如前所述，单颗高轨卫星的容量不一定能够支持大量上网终端的接入，考虑到目前我国还不支持接入星链，因此这个技术的成熟落地个人觉得还是需要等到我国自主研制的低轨卫星星座投入运营以后。

搜狐科技：直连卫星上网什么时候能普及？

潘恬：

普及的话，意味着通过卫星上网的终端数量是非常大的，而不是仅仅在救急的场景。那么首先我们先要讨论这个需求是否成立，这其实也是大家一直纠结的点，即要不要去做类似星链这样的系统。因为反面的声音是说根本没有这么多的民用需求，至少在中国，使用运营商的地面网络就完全够了，毕竟运营商都是肩负社会责任的央企，中国移动已经把基站建到珠穆朗玛峰了。目前来看，潜在的应用场景可能有这么几类，首先是人类对空天地海未知领域的探索，例如有钱有闲的朋友去海岛旅游，存在上网和通信需求，或者是海里的货轮存在回传物流信息的需求。另外是一些偏远地区的临时组网需求，例如沙漠里撒了一些传感器，需要采集一些数据。当然，目前国内也都在观望星链这个事物后续会怎么发展，如果真的出现了一个杀手级的应用，大家觉得接入地面网络不过瘾，那自然会慢慢普及。

搜狐科技：您觉得卫星通信会取代地面通信吗？

我觉得完全取代不太可能，成为互补是合适的。第一是成本问题，毕竟地面的网络设备不需要通过火箭发生升空，少了这块的成本。第二个是性能问题，如果卫星网络设备能够取代地面网络设备，就意味着在转发吞吐率、转发时延等各个网络性能指标上都要击败后者。这样其实有个悖论，把天上的卫星拿到地面上来，转发速率难道就会比在天上更慢吗？除非将来人类的生活方式有了变化，经常穿梭太空做星际旅行，网络设备需要漂浮在太空中，来承载最短路由和做负载均衡，但这就是很远之后的事情了。