依托北斗三号,华为首次将“卫星通信”带入了智能手机领域,标志着智能手机已经进入“太空新赛道”。

 

依托北斗三号,华为首次将“卫星通信”带入了智能手机领域,标志着智能手机已经进入“太空新赛道”。

 

那么到底什么是卫星通信?为何手机厂商会和卫星联系在一起?到底是噱头还是突破?是不是所有手机都能够直连卫星?卫星通信有哪些优势?答案就在这篇文章中。

 

  啥是卫星通信?

 

卫星通信就是地球上(包括地面和低层大气中)的无线电通信站间利用卫星作为中继而进行的通信。

 

结合此次手机直连卫星的使用场景来说,就是地球上的终端设备(手机)直接连接太空里的卫星,进行文字传输(发短信)。具体定义后面会说明。

 

 

卫星通信和运营商蜂窝网络通信的核心区别就是它不需要地面基站,直接利用卫星作为中继接收和转发信号,并将无线电信号放大,实现手机、卫星、地面站之间的通信。

 

  身在太空中的卫星咋帮地球人?

 

首先我们要知道,卫星的轨道按距离地面的高度分高中低三种,位于相应轨道上的卫星分别称为高轨卫星、中轨卫星和低轨卫星。

 

 

卫星距离地面越高,覆盖的区域越大,一颗高轨卫星可以覆盖地球表面的近1/3,所覆盖区域内的地、海、空均能够进行相互通信。

 

 

不过,卫星越高传输距离越远,所以高轨卫星相较与其他轨道卫星而言信号的传输损耗最大,需要通过增大天线的体积来增强信号,高轨卫星的技术实现、制造难度、制造成本也是最高的。

 

虽然高轨卫星距离地表最高,但由于体积比低轨卫星大了近100倍,所以信号落地强度不会有太大变化,而且是三者当中最不容易受外界影响的。

 

 

从理论角度,相比于地面通信,卫星通信的优势还是很明显的:

 

 

  手机卫星手牵手,是噱头还是突破?  

 

目前人类的任何无线通信系统,都是基于无线电磁波进行通信的。

 

无线电磁波的重要参数就是频率,每个频率,都被规定了对应的用途,任何人占用都是违法行为。

 

 

所以手机如果要和卫星通信,第一个要考虑的就是:用什么频段?

 

其实,答案就在我们新买的手机上,大家有没有想起手机背面的蓝色标签。

 

 

这个标签意味着国家对该产品使用无线电工作频率的范围和要求,那么手机可用的频段有哪些呢?

 

第一种,是运营商的蜂窝通信系统工作频率(也就是基站的工作频段);

第二种,是Wi-Fi和蓝牙;

第三种,就是卫星定位系统的工作频段。

 

 

所以,理论上我们的手机都支持GNSS卫星定位,可以收发卫星信号。比如中国的北斗卫星。

 

  但~~是  

  卫星定位系统频段 ≠ 卫星通信频段  

 

卫星通信属于空间无线电通信,已经超出了一个主权国家的无线电管理能力。因此,对卫星通信工作频率资源的使用,是要向国际电联(ITU-R)进行申请的。

 

卫星通信工作在微波频段,其频率范围为1GHz~40GHz,目前在售的民用手机是不支持通信卫星无线工作频率的,自然就无法和卫星进行通信。

 

 

  “进化”手机 or 给卫星电话“减负” ? 

 

那把这个频段加到手机上是不是就可以了呢?

 

不是不可以,但意义不大。如果基站满足你的日常通讯需求,你愿意拿着一个需要支付高额通信费用且又大又沉的热得快吗?(发射功率和产生热量成正比)

 

 

手机对通信频段的支持,不是加个频段这么简单;卫星通信民用化,也不是在卫星电话的基础上进行改造那么容易。

 

它涉及到芯片、基带、射频、软件、通讯协议等多方面改进,是一个庞大且复杂的工作,并要契合使用场景。

 

 

  北斗的“凌波微步”让手机与卫星更进一步  

 

前面提到的北斗卫星是定位导航卫星,严格意义上来说并不是通信卫星。不过,我们国家的北斗卫星除了定位、导航外,多了一个短报文功能:除了位置信息之外,还可以进行短消息通信,这个功能在全世界独一无二。

 

所以,目前民用手机所谓的“卫星通信”就是指的这个。借助北斗定位卫星的短报文通信通道,在紧急情况下,发送短信,进行应急通信,它和普遍定义的卫星通信还是有很大区别的,比如专用的卫星电话,是可以打电话和使用数据业务的。

 

  我们真的需要动用卫星吗?

 

目前的蜂窝通信方式是可以满足人们日常需求的,技术上的不断突破和创新,是不满足于99分,这是探讨手机连接卫星的前提。

 

如果手机只是使用基站连接通信,首先要尽量实现基站覆盖。地球71%是海洋,水域上很难像陆地一样建站;剩下不到30%的区域,沙漠、森林、山脉也并不都适合建站,所以通过基站很难实现手机信号的全覆盖。即使适合建站,倘若发生地震、海啸等自然灾害,当基站遭到破坏后手机便失去了与外界联络的功能。

 

 

当可用资源有限时,当灾难随时可能出现时,通过手机直连卫星通信的意义重大,不仅可以覆盖森林、沙漠、海洋等区域,还能在灾难发生、基站被破坏、野外遭遇意外时通过卫星通信提供紧急通讯功能,这无疑在挽救一个甚至无数生命。

 

此次四川甘孜州泸定县发生6.8级地震后,电信设施损坏,移动信号基站受毁,救援信息正是通过卫星无线电测定业务系统进行收发的。

 

  卫星通信中网络协议的研究与改进  

 

卫星通信其实是数据通信网络的一种重要形式,传统上是作为“通信子网”,即只支持网络层以下的功能。

 

 内容截取自《科来网络通讯协议图2022版》

信息即使传到了太空,依旧无法摆脱“协议的引力”,网络层以下各层的数据包传送业务需要包括XTP压缩传输、L2F第二层转发、MPLS多协议标签交换等众多协议的支持,这些协议均可以在《科来网络通讯协议图2022版》进行查询。

 

 

其中TCP传输控制协议与IP协议一起构成了卫星通信中的主要协议。但由于卫星信道的特点有别于地面信道,如长时延、高误码率等,使得适用于地面网络的TCP协议不能很高效的为卫星网络服务。随着人们对卫星通信相关服务需求的提升,TCP协议亟需针对卫星信道的特点予以改进。

 

目前已经提出了多项改进机制,其中包括:

 

  • 急速恢复的改进机制,来抑制拥塞窗口的逐渐降低和TCP-Peach+性能的恶化;
  • 新的TCP-Peach算法,通过观察确认信号达到的情况进行准确的带宽估计,在收到3个重复确认信号时根据估计带宽设置拥塞窗口和慢启动阀值。

 

卫星通信具有重大的战略及经济意义,由于TCP/IP协议在卫星通信中能够更有效地为“空天地”提供数据传输业务,所以针对TCP/IP协议的研究与改进仍在进行,这也从侧面说明了网络协议的发展代表着网络技术的发展。

 

科来对网络协议方面的研究与探索从未止步,精准解析超万种协议及应用,自2008年以来伴随网络技术发展更新迭代《科来网络通讯协议图》,旨在通过全流量全协议解析提升数据价值,帮助用户提升核心竞争力。科来相信,所有创新的技术,即使向上能“捅破天”,也源自向下“扎根”的孜孜不倦。

 

在频谱及卫星轨道资源有限的大背景下,早布局早研究早发展是中国卫星通信的重要方向,在激烈的国际竞争中,推动以科技创新为核心的全面发展是适应和引领我国经济发展的新态势。

 

   了解网络协议及更多前沿技术  
  协议图免费领取方式   
关注“科来”公众号,回复关键词“协议图”,即可申领科来《网络通讯协议图2022版》电子版与印刷版。
– End –