白玉京：手机直连卫星，中国星链何时能登场？

【文/观察者网专栏作者 白玉京】

如果时间倒流回2024年1月3日，恐怕很多人都不会意识到，在遥远的大洋彼岸，蝴蝶悄无声息地扇动了翅膀——这一天，SpaceX发射了第一批6颗直连手机的星链卫星。一场手机直连卫星的变革风暴，悄无声息地离每个人越来越近。

当地时间7月3日，SpaceX发射了20颗星链卫星，其中13颗是直连手机的星链卫星。短短6个月，直连手机的星链卫星总数量破百，达到了103颗。“迅雷不及掩耳”是SpaceX的风格，这样看来，SpaceX目前计划发射的总数量是840颗，也不会很遥远。

直连手机的星链卫星总数将达840颗

太空时代的2G和5G

去年华为的手机凭借卫星通话功能一战成名，获得市场和口碑的轰动性效应，国内各厂纷纷跟进。比亚迪U8作为高端越野车，其卫星通话功能也成为了一大卖点——在荒无人烟的野外，这是妥妥的刚需。在2024年这个战意十足的618，当小米Ultra还在跟华为的卫星通话手机比天线大小时，很多人没意识到——杀死这一代机皇的未必是更强的机皇，有可能是卫星。

无论对于Z世代还是其他年龄层用户，通话和短信是保底性需求，数据传输是高层次的增值需求。用户考虑的重点不在于通过天基卫星互联还是地面基站互联，而是数据的传输速度、时延和费用。不能以葛优躺的姿势视频聊天，刷抖音/Tiktok，吃鸡上王者，仅能实现卫星通话的天地互联在当下除应急通讯外缺乏使用场景。

用一种不太精确但是比较浅显易懂的说法，小米Ultra和华为的卫星通话手机，或是比亚迪U8，让我们进入了天地互联的2G/3G时代，而SpaceX的蜂窝星链系统试图将把人们拉入手机天地互联的4G/5G时代。这里不需要抠字眼和技术定义，只是打个比方便于理解。

马斯克发布的手机直连卫星实测速率

小米Ultra和华为的卫星通话手机可以通过中国天通卫星进行通话和短信收发。中国电信天翼云网站公布，最大有384kbps的数据带宽。2024年3月3日，马斯克在社交平台X上发布了一项速度测试，使用一部未经改装的三星安卓手机直连星链卫星，传输 60.3MB的文件，能够达到15.6Mbps 至 17.2Mbps的速率。5月22日，SpaceX两名员工接入直连手机星链卫星，展示了视频聊天功能。

SpaceX首个合作伙伴是T-Mobile，通过1.91-1.995GHz频段的无线电频谱来传输蜂窝数据。今年秋天，SpaceX将为 T-Mobile 客户提供服务。初期需要大约300颗直连手机的星链卫星，才能为用户提供足够大的覆盖范围。除了SpaceX以外，美国其他几家公司也在致力于提升卫星数据下载速率。目前，BlueWalker 3卫星下载速率也可达10-14Mbps。

三星手机领先一步，通过卫星网络视频聊天，并不是因为三星手机比小米或华为的卫星通话手机要强，主要是依靠魔改版的卫星。

SpaceX手机直连卫星，相当于把基站搬上了太空

魔改手机还是魔改卫星

中美两国当前实现手机天地互联的路径有所不同。中国选择改造手机，美国选择改造卫星。

从某种意义上讲，小米和华为实现天地互联是通过设计专门的芯片和天线，打造魔改版手机，相当于手机开了外挂。这种方法的优点是短平快。目前国内的几大手机厂商还承担不起卫星高昂的研发费用，改造手机更为可行。通过魔改手机，接收天通卫星信号，区区数颗卫星就能实现亚太地区的覆盖。

2023年10月的一个晚上，SpaceX悄悄地推出了一个全新的“星链直连手机”（Starlink Direct to Cell）网站页面，专门用于推广其即将推出的针对手机的直连星链卫星服务，宣传标语为：“让全球LTE手机无缝访问文本、语音和数据。” SpaceX 的新网站补充道：“‘星链直连手机’可在现有 LTE 手机上与天空相通的任何地方使用。无需更改硬件、固件或特殊应用程序，即可无缝访问文本、语音和数据。”

SpaceX选择的方法是改造卫星来兼容市面主流的手机型号，以此“吞并天下”。三星 Galaxy、苹果 iPhone 和谷歌 Pixel 无需改装，都可以直接接入蜂窝星链。直连手机的星链卫星通过激光回程连接到现有的星座，使用星载的先进调制解调器作为太空中的手机信号塔。

天通一号卫星示意图，其特征是有一个巨大的天线

国内手机厂商短平快的方法慢慢暴露出明显的缺点。3颗天通卫星与840颗直连手机星链卫星相比，带宽容量上有巨大差距，造成用户分配到的数据传输速度慢，延迟高。

天通一号卫星属于高轨道（GEO）同步卫星，位于地球赤道上空约36000千米的固定位置，与地球自转同步。高轨道卫星系统构建相对简单，仅需3颗同步地球卫星就可以覆盖除两极外的绝大多数区域，但运营和在轨维护的成本效益比较高。当前我国已发射了三颗天通一号卫星，实现了组网。

值得注意的是，天通一号卫星并非是专门用来布局“天地网络互联”赛道的。天通一号卫星是在2008年“5·12”汶川大地震之后提上日程并由总理专项基金支持的项目，首要任务是在我国遭受严重自然灾害时实现应急通信。

低轨（LEO）通信卫星轨道高度为500千米-2000千米。SpaceX星链、测试后取消的中国虹云和中国鸿雁等星座均位于LEO轨道。一般来说，低轨通信卫星网络的往返时延一般小于100ms，而高轨通信卫星的往返时延会达到600ms左右。因此从轨道高度来看，天通的通信时延大是天生的。而稍微打过几局吃鸡或是王者的朋友，都知道高延迟意味着什么。

2022年12月，美国联邦通信委员会（FCC）批准SpaceX在525、530和 535千米高度（即与第一代卫星相同的区域）运行7500颗第二代卫星。2024年2月，SpaceX向FCC申请在340—360千米之间运行蜂窝式第二代星链卫星。马斯克将星链卫星的部署高度不断降低，力求将延迟降低到20ms以下。卫星轨道降低，会导致阻力增大从而缩短卫星的寿命，直接导致成本升高，但是马斯克自信已找到了应对问题的办法。

魔改手机还是魔改卫星，道路选择的背后是两国基础建设和通信应用场景的差异。中国的光纤宽带网络和5G地面基站等基建设领先于美国，甚至在珠峰和帕米尔高原也开设了5G基站。地面通信网络的完善使得中国对于天基卫星网络的部署需求不大。反而美国在应用场景上对于天基卫星蜂窝网络和无线宽带的需求更加迫切。

但魔改手机这条路有尽头，我们终归会回到魔改卫星这条虽然投资巨大，但更具发展潜力的道路上。

鸿雁星座计划2018年发射第一颗试验卫星，此后并未有新的发射计划

中国星链如何回答

“只有偏执狂才能生存”，万万没想到这并非硅谷独有的定律，马斯克也把它变成了航天定律。像种土豆一样发射卫星，在天上部署4万多颗卫星构建巨型星座，当时被批评为多么疯狂的计划。但如今马斯克在太空种下的土豆生根发芽到了收获的季节，从无线宽带，到手机直连，再到高性能低成本，军用潜力巨大星盾。蝴蝶的翅膀已经展开，不知会掀起怎样的波澜。

面对马斯克的步步紧逼，中国国家队和民商队纷纷下场，奋起直追。但需要注意的是，伴随着政策的出台和各路资金的入场，媒体和自媒体的报道中，中国版星链无处不在，是个星座就敢夸下海口称为中国版星链，完全不考虑规模和主要用途。

各种版本的中国版星链风起云涌，体现出国内对天基互联网的发展热情，未必完全是坏事。但挤干泡沫，实事求是，少走弯路，才能推动中国可复用火箭和中国版星链卫星的快速发展。中国国家队暂停不够成熟的鸿雁和虹云项目，充分展示了务实的态度和十足的魄力。建设星链需要巨大的投入，和长久的努力，只有集中力量干大事，才有机会做大做强再创辉煌。

用户会不会为了手机直联卫星打游戏、视频聊天、上网刷视频，下载大文件而买单？其实5G商用之初也面临相似的质疑。事实上，当产业链进一步成熟，成本进一步降低，卫星通信功能也许会像WIFI一样，变成手机的标配，深刻融入并改变我们的日常生活。这里可以作一个小调查，各位网友可以投票，买还是不买，若干年后，记得回来打卡，更有意思。

国产手机通过卫星直连网络，还需要多久？这不是手机厂商能回答的问题，我们等待真正的中国星链的回答。

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如何应对近地轨道（LEO）卫星通信系统设计挑战

人们对商业空间卫星系统的兴趣和投资与日俱增。自 2021 年以来，私人投资者已向太空相关公司注入了逾 235 亿美元的私营部门资金，SpaceX 和 Amazon（Kuiper）等科技巨头也启动了太空计划以增加全球宽带接入。长期以来，卫星通信一直用于语音通信、国防和太空探索；然而，近地轨道（LEO）卫星的推出和普及，降低了发射卫星的资金门槛，并为新的用例提供了机会。这种经济效益归因于两个因素：1、卫星的大小—SpaceX 公司最新的 Starlink LEO 卫星只有餐桌那么大；2、多颗 LEO 卫星可以同时发射 。虽然 LEO 使卫星通信系统在经济上更具可行性，但它们也带来了复杂性，即要求工程师应对更高的多普勒频移、干扰和网络复杂性。

近地轨道（LEO）卫星的推出和普及，降低了发射卫星的资金门槛，并为新的用例提供了机会。

推动卫星通信系统采用的趋势

泛在连接—设备几乎可在任何位置创建、共享和处理数据的环境—是推动 LEO 采用的主要趋势之一。尽管全球在建设地面无线通信基础设施方面取得了重大进展，但由于成本或地理原因，仍有相当多的地区（如偏远农村和海洋地区）仍缺乏蜂窝连接。卫星是无线行业缩小城乡连接差距的一项关键赋能技术。

LEO 不仅可以提供蜂窝连接的可及性，而且还可以提高蜂窝连接的容量。请参考以下来自 Statista 的市场数据：目前全球有 46 亿智能手机用户。据预计，到 2030 年，全球联网设备的数量将高达 290 亿以上。越来越多的人都在使用 Internet，这也增加了对全球蜂窝系统的需求。无线公司仍在投资于地面基础设施，因为使用商业卫星并非总是经济实用；然而，LEO 卫星的成本一直在降低，这使其成为解决日益有限的带宽问题的可行选择，特别是在偏远地区更如此。

最后，随着极端天气事件日益严峻和频繁，灾难恢复通信成为推动卫星通信应用的主要趋势。在发生这些事件期间，蜂窝基础设施经常遭到破坏，这促使卫星启动以确保现场急救人员、政府官员和居民能够广播和接收重要的安全信息。在地面蜂窝基础设施遭到飓风伊恩摧毁后，Starlink 定位了 120 颗卫星来覆盖佛罗里达西南部和其他受灾地区，这就是此类用例的有力证明。

信号延迟和功率放大

在 LEO 卫星出现之前，卫星通信系统主要使用地球静止轨道（GEO）卫星。如果三颗 GEO 卫星在经度上适当间隔，且以地球自转的速度旋转，则可以提供几乎全球范围的覆盖。三颗 GEO 卫星仅需几条交叉链路即可覆盖地球，但遗憾的是，其构建和发射成本远高于 LEO 卫星。此外，GEO 卫星与地面的距离以及彼此之间的距离会导致信号延迟。虽然 GEO 卫星适用于电子邮件和其他非实时通信，但语音电话和视频电话会出现显著延迟，从而阻碍了自然地沟通交流。

LEO 卫星更靠近地球表面，因此信号延迟要短得多。然而，与地面网络相比，发射机与 LEO 卫星通信时需要更高的功率。这是因为，地面网络信号的传输距离为 5—10 公里，而 LEO 信号的传输距离长达 2,000 公里，信号损失也更大。

LEO 卫星体积小既是一项优势，也是一项设计挑战。LEO 卫星的功率放大器（PA）必须在体积小的同时，具备足够大的功率向预定目标发射信号。在理想情况下，卫星工程师希望 PA 具有线性特征，即使在高功率输入驱动下也是如此。然而，PA 驱动功率过大会导致信号严重失真，如下图所示。发射机中的数字预失真（DPD）子系统可以抵消这些失真。

DPD 将“逆 PA”特性应用于信号，使得 PA 的输出信号更明显地呈线性。DPD 工具，如 Communications Toolbox® 中的工具，越来越多地使用 AI 来改进结果。

显示非线性（压缩）和记忆效应的功率放大器特性。所示的数字预失真（DPD）特性对非线性进行补偿。

射频链路、光链路和相控阵

将 LEO 卫星用于卫星通信系统时，干扰也带来了一项挑战。首要原因是，目前轨道上有近 6,000 颗 LEO 卫星。

长久以来，传统射频链路一直用于卫星通信系统，但工程师尽可能多地选择光链路。光束模式比传统射频链路窄得多，后者的宽射束可能会溢出到其他接收机中而造成干扰。由于信号传播受限，因此，光学系统中的干扰显著减少。

最后，卫星工程师还可以使用相控阵，这是一组由计算机控制的天线，它们产生的射束可以通过电子方式控制指向不同方向。相控阵可以在空间上消除干扰，并将能量导向地面上的某个特定点。相控阵系统在目标信号方向上最大化射束能量，而在干扰方向上插入射束零点，从而最大化信号与干扰加噪声比（SINR）。

多普勒效应和频移

与 GEO 卫星不同，LEO 卫星围绕地球旋转的速度不同于地球的自转速度。这意味着它们会不断地靠近或远离接收机。这种运动会产生多普勒效应，卫星工程师必须对此加以控制。

在工程术语中，多普勒效应指由于发射机或接收机的运动而导致发射波和接收波之间出现频率差异。多普勒效应带来的挑战要求卫星工程师获取并跟踪 LEO 卫星不断变化的中心频率。

发射机和接收机的频率和相位必须完全锁定，才能确保波形被成功解调。然而，如果多普勒频移较大，则会导致频率、相位和定时不同步。因此，必须在这些接收机中实现多个闭环，才能消除多普勒效应引起的频率偏移。同步必须在帧、符号定时、载波频率和载波相位级别执行。

结束语

许多卫星工程师都使用 MATLAB™ 等产品的参考接收机设计，因此他们无需“重造轮子”。通过对参考设计进行少量自定义，卫星工程师可设计出能在充满挑战的射频环境中工作的稳健接收机。

LEO 有令人瞩目的短期和长期用例，因而受到广泛关注。Apple 等公司已在使用卫星通信网络，而这仅仅是开始。随着卫星通信对无线行业的不断影响，工程师应熟悉其用途、挑战和赋能技术。

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