手机直连卫星技术或将进一步发展

10月前

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继亚马逊、苹果、AST SpaceMobile、华为和Lynk Global的类似项目之后，Starlink本月（https://api.starlink.com/public-files/DIRECT_TO_CELL_FIRST_TEXT_UPDATE.pdf）首次通过其最新一代卫星v2mini在手机之间的4G/LTE连接发送和接收文本。Starlink公司的美国合作伙伴T-mobile在一份声明（https://www.t-mobile.com/news/un-carrier/first-spacex-satellites-launch-for-breakthrough-direct-to-cell-service-with-t-mobile）中表示，由SpaceX运营的卫星星座Starlink公司将向全球至少八家不同移动网络运营商的用户提供短信服务，并可能在“未来几年”提供语音和数据覆盖，而无需其客户现在使用的地面终端。

Starlink的成就是卫星和蜂窝基站如何融合的最新例子。少数几家公司正在利用更便宜的卫星制造和发射成本，以及调整波束成形等现有技术，以桥接手机和轨道卫星之间的距离。在这些公司必须解决的许多新问题中，有一个事实是，发射塔本身首次成为网络的移动组件：近地轨道（LEO）卫星以每小时数万公里的速度移动，因此它们几乎没有时间与地球表面的任何一部移动电话通信。

据IEEE Spectrum报道（https://spectrum.ieee.org/5g-satellite-2665870437），到目前为止，竞争解决这些问题的公司已经通过商业卫星（华为/中国电信；Lynk Global；苹果/Globalstar）在传统手机上发送和接收短信，并通过实验卫星（AST SpaceMobile）在5G（https://spectrum.ieee.org/tag/5g）上进行语音和数据通话。投资者已经注意到：Lynk Global将上市（https://lynk.world/news/lynk-signs-letter-of-intent-to-become-publicly-listed-leading-satellite-to-phone-company-through-a-business-combination-with-slam-corp/），该公司的估值高达8亿美元，而AT&T谷歌和沃达丰最近投资了市值6.746亿美元的AST SpaceMobile。

“I recall many discussions 10 years ago where the mobile operators told the satellite people, ‘Your price points are way too high.’ This has totally changed due to more availability of the technology, more agile development, and a different approach to failure.”

—ANDREAS KNOPP, UNIVERSITY OF THE BUNDESWEHR

直到最近，卫星还无法连接到数百公里以下的手机。人们在探险到更偏远的地方时使用的那种卫星电话天线很粗，需要多颗卫星清晰的视线，而且需要一段时间才能获取信号。整合地面和卫星蜂窝网络并不像在蜂窝塔之间移动并将信号从一个信号传递到另一个信号塔那么容易。

事实上，这项任务非常困难，以至于一个研究小组建立了一个实验应用程序，帮助一辆配备了自己计算机的联网牲畜卡车在失去蜂窝网络信号时切换到Starlink地面站。丹麦奥尔堡大学无线通信研究员、研究合著者Melissa López表示，实现陆地和非陆地网络的无缝集成是最终目标。

Starlink没有解释其4G连接的许多细节，但现有的商业星座揭示了无缝卫星蜂窝连接的几个组成部分，研究人员已经发表了至少一个有前景的未来星座线索。

将手机直连卫星的三个关键

公司没有将手机重新设计成更像是卫星手机，而是通过重新设计卫星网络，以满足手机的需求。为了把卫星变成手机发射塔，他们正在把卫星上的天线做得更大。例如，AST SpaceMobile的第一颗卫星（https://spectrum.ieee.org/satellite-cellphone）的天线面积为64平方米，其次是第二代卫星，天线面积为128平方米，计划增加到400平方米。Starlink新的v2mini卫星天线面积为6.21平方米，但Starlink计划在其更大的Starship火箭可用时发射更大的蜂窝兼容卫星。

公司还通过将卫星飞得比以前更低，使其更像手机发射塔。在太空时代的最初几十年里，通信卫星被插入地球上方高得多的地球同步轨道，在那里它们可以在相对较长的时间内覆盖地球表面的大部分。然而，这些卫星处理的设备比现在少得多。

在过去十年左右，更小、更便宜的卫星的出现和更便宜的发射成本使商业模式能够依赖于许多在近地轨道上飞行的更便宜卫星。这些新卫星不会持续那么长时间，但将能够更好地检测地表手机的微弱信号，并处理其不断增长的流量。

STARLINK

德国慕尼黑特种军校（University of the Bundeswehr）的信号处理工程师Andreas Knopp说：“我记得10年前的许多讨论中，移动运营商告诉卫星人，‘你的价格太高了。’由于技术的可用性、更灵活的开发和不同的失败方法，这种情况已经完全改变了。”

另一个贡献是改进的波束成形，这是发射设备如何计算将其信号引导到特定接收方而不干扰其他接收方的最佳方式。这可能涉及从建筑物或山坡上、地面发射塔上反射信号，也可能涉及从每小时移动数万公里的卫星上精确瞄准狭窄、快速移动的信号。

更复杂的波束成形可以包括从多个天线发送相同的信号，以便信号相互增强，有点像声波协调时。任何调整过家庭扬声器系统以在特定沙发上提供最佳声音的人都可能在后台的复杂软件的帮助下进行了波束成形。

最近两篇（https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/10355084）论文（https://ieeexplore.ieee.org/document/10286242）的作者写道，未来，波束成形的任务可能值得在比现在更多的卫星上推广。其中一项研究中提出的一个场景是，使用二十多颗紧密编队飞行的微小卫星来复制今天由一颗蜂窝兼容卫星完成的工作。慕尼黑特种军校研究信号处理的研究生Diego Tuzi说：“这些卫星中的每一颗现在都是独立的，有自己的组件。主要的方面是这种同步算法，它必须调整频率、相位和信号相干到达的时间。”他和Knopp是最近一篇论文的合著者。

目前，Starlink及其竞争对手提供的服务很少，尽管这是一个必要的步骤。“总比什么都没有好，”最近这篇论文的另一位合著者、德国慕尼黑特种军校的信号处理工程师Thomas Delamotte说，“但如果你想从长远来看，我们需要新的方法来让6G（https://spectrum.ieee.org/tag/6g）无处不在。”