智能手机迈入卫星通信时代,国产厂商步伐“遥遥领先”

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卫星通信技术近年来得到广泛关注,尤其是在智能手机领域,当前主要的作用是通过卫星发送SOS紧急联络,如在探险旅行中保持与外界的联系,或在灾难发生时快速获得援助。除了紧急情况下的通讯功能,这项技术还为用户提供了更广泛的服务和便利。通过卫星通信,智能手机可以在偏远地区或缺乏传统通信基础设施的地方实现全球覆盖的通信能力,如在海洋、沙漠、高山等极端环境中进行通信。

据机构预测,支持卫星通信的智能手机将在2024年至2025年间获得巨大的吸引力,该功能可能会扩展到高端机型之外。我们迎来智能手机卫星通信连接的时代,而国产厂商的步伐“遥遥领先”。

手机卫星通信之门开启

卫星通信是指地球上(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。卫星通信不同于运营商蜂窝网络通信,它不需要地面基站,可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。智能手机终端设备可以直接连接太空中的卫星,从而实现短消息或者语音通话等功能。

我们日常生活中使用的新型智能手机卫星通信最早出现在2022年。此前有传言称苹果将在9月活动中发布搭载卫星通信功能的iPhone 14系列智能手机,而实际上,在9月6日华为Mate 50系列手机提前一步发布,宣布搭载北斗卫星消息功能。

据华为介绍,华为Mate 50系列是首款支持北斗卫星消息的华为手机,无地面网络信号时,仍能通过畅连发送文字和位置信息。多条位置可生成轨迹地图,可突破地面网络限制。需要注意的是,华为Mate 50仅支持发送北斗卫星消息,不支持接收。

2022年9月8日凌晨发布的iPhone 14系列搭载了卫星连接功能,后续该功能扩展到iPhone 15系列机型上,用户可以将iPhone连接到卫星,从而给紧急服务发送短信,请求道路救援,并与朋友和家人共享自己的位置——特别是当用户在没有蜂窝网络和无线局域网信号的偏远地区时,可以使用该功能。不过需要注意的是,中国的iPhone机型仍不支持卫星通信功能。

中国卫星通信产业仍处于在轨试验阶段

根据中国卫星导航定位协会提供的数据,2022年中国卫星导航产业总产值为5000亿元,较2021年增长6.76%。其中,2022年北斗导航终端设备销量约3.76亿台,其中2.64亿台为智能手机,汽车超过1200万辆。

然而,谈到卫星通信,观察人士指出,中国的卫星通信产业仍处于在轨试验阶段,类似SpaceX星链的完整星座尚未形成。遥感卫星历来主导着中国的航天计划:中航证券数据显示,截至2022年4月30日,中国在轨运行的541颗卫星中,遥感卫星(296颗)占55%,通信卫星占12%(67颗),9%用于导航(49颗)。同期,得益于SpaceX,美国在轨运行的3449颗卫星中,78%用于通信(2692颗),15%用于遥感(510颗),1%用于导航(34颗)。

卫星互联网建设已经上升为国家战略性工程。随着多家中国公司规划卫星互联网星座,尤其是“国网”(GW)系统计划建设的低轨道星座(预计发射12922颗卫星)以及上海航天技术研究院计划建设的“G60”巨型星座(计划2026年~2027年之间发射约12000颗互联网卫星),该比例预计将很快发生变化。中航证券预计,2021年~2025年,中国整体卫星通信产业复合年均增长率为15%~20%,卫星通信设备和卫星通信服务市场规模分别达到110亿元、140亿元。

应用与芯片创新助力中国卫星通信产业迎头赶上

2023年8月底,突袭上市的华为Mate 60 Pro在卫星通信领域再次突破,成为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。这进一步甩开了与苹果iPhone的距离。

随着应用场景的不断增多,特别是在移动和汽车领域,中国卫星通信产业预计将迎来高速增长期。进入2024年,OPPO于1月初公布了具有直连卫星通信能力的Find X7 Ultra卫星通信版,可实现听筒/免提双模卫星通话,支持拨打卫星电话、发送卫星信息等。而小米预计将在2024年第一季度发布首款具有双向卫星通信连接能力的小米14 Ultra。

汽车制造商吉利计划建设一个由240颗卫星组成的星座,称为“吉利未来出行星座”,是吉利旗下时空道宇建设的全球首个商用通信导航遥感一体星座。据悉,到2025年,第一阶段将有72颗卫星发射到近地轨道(LEO),实现全球实时数据通信服务。该星座将由通信系统、遥感和通信卫星组成。除了为吉利的自动驾驶项目服务外,该星座还针对物流、地图、无人机导航和其他应用。

在此过程中,进一步降低成本和扩大生产规模将是中国卫星通信行业需克服的主要挑战。近日,工信部等七部门联合印发《关于推动未来产业创新发展的实施意见》,其中提出,前瞻布局6G、卫星互联网、手机直连卫星等关键技术研究。例如,到2025年,上海的目标是形成年产50发商业火箭、600颗商业卫星的批量化制造能力。上海表示,到2025年,以商业航天跨越式发展为牵引,围绕卫星制造、运载发射、地面系统设备、空间信息应用和服务等环节,加强卫星通信、导航、遥感一体化发展,推动空天地信息网络一体化融合。

一位华为内部人士称,在卫星通信行业发展过程中,天线和集成电路技术的突破是先决条件。而除了人工智能和汽车芯片,卫星产业似乎将成为中国芯片自主努力的另一个前沿。

机构还揭示了中国卫星行业追赶的潜在方式:通过卫星相关应用和服务的创新,进而促进其自身的技术发展——这是中国在其他领域经常采取的战略。

国产手机厂商迎接挑战,纷纷涉足卫星通信

华为、OPPO、荣耀、小米等中国品牌纷纷推出或即将推出卫星通信智能手机,标志着中国在天线小型化方向迈出重要一步。

在智能手机端,该服务是通过芯片和天线完成的。如果不采用更大的天线,那么通信卫星将需要具有更高的吞吐量。就SpaceX而言,这是通过配备大型阵列天线的新卫星来实现的。然而,为了广泛支持普通智能手机,必须考虑链路预算。

据介绍,华为研发将手机天线分布于主板四周,并通过增加天线数量、调整天线在空间中的布局来优化信号接收和发送能力。中国电信则在网络侧进行优化,降低对手机侧天线要求,如降低语音传输速率、提高网络容量。双方还合作攻关最终实现了如今的手机外观设计。

天线性能不可避免地取决于芯片设计。今年1月11日,荣耀发布Magic6系列智能手机时,还宣传了Magic6系列的自研射频芯片HONOR C1+。荣耀称该芯片在天线性能上取得突破,发射增益提升41%,接收增益提升51%。

具体来说,荣耀Magic6 Pro手机射频芯片据称总面积减少40%。荣耀CEO赵明没有使用目前可用的解决方案,而是声称,由于采用优化算法,公司内部的解决方案可以以更快的速度、更低的功耗接收卫星信号。现场演示似乎表明荣耀Magic6 Pro花费21秒连接到卫星,而华为Mate60 Pro花了34秒。

荣耀旗舰手机产品经理李坤将芯片面积的缩小归因于荣耀采用纯数字载波跟踪方案,大幅调整芯片软件架构,重构芯片软件接口,同时大幅简化硬件方案。他还将天线性能的增强归功于手机内置的黄金天线,性能接近专业卫星电话圆极化效果,搜星注册速度比友商快5~10秒。

赵明将这一改进归功于通信系统的彻底重新设计,特别是应用处理器和基带芯片的分离,但他补充说,还有很大的改进空间。

由于卫星信号是圆极化的,因此通常需要极长天线,而且考虑到卫星距离较远,它们的尺寸通常很大。相比之下,手机信号是线极化的。因此,为了使手机与卫星连接,一个关键挑战是使用线极化天线接收圆极化的卫星信号。荣耀表示,团队实现内置卫星天线,克服外观限制,在已集成4G/5G/WIFI/蓝牙等多频段信号天线的基础上,采用线极化设计和镀金工艺,性能提升11%,实现了更小体积,性能上与专业卫星电话接近的效果。

在卫星通话中,功耗是另一个挑战:卫星通信通常意味着几瓦的功耗,而移动通信的功耗则在数百毫瓦的范围内。因此,将卫星通信功能整合到手机中需要显著提高信号传输功率,散热也是需要考虑的一个要点。

手机卫星通信大规模普及仍待时日

除了苹果iPhone和华为领头的中国厂商进军卫星通信领域外,全球智能手机巨头三星电子仍未迈入这一领域。

三星电子曾在2023年暗示,其2024年的新机型将支持卫星通信服务,这意味着各大品牌都将进军智能手机卫星通信领域。然而,当三星Galaxy S24系列在2024年正式发布时,最初预期的卫星通信功能并没有出现。相反,人工智能(AI)成为焦点,标志着移动通信市场AI智能手机之战的开始。

为什么三星等其他厂商犹豫不决,还没有配置卫星通信功能呢?原因有如下几个。

生态系统和功能尚未完善最初有消息称,三星打算在Galaxy S24系列中搭载的卫星通信功能将使用L频段向卫星发送信号,以提供紧急信号传输服务。然而,实际上,这种卫星通信的实用性和功能性仍不清楚。

看看苹果iPhone上的卫星通信功能,目前仅支持基本通信,包括位置信息和短信文本。至于华为,其新款Mate 60 Pro中的卫星通信功能确实支持更先进的卫星通话语音通信功能。然而,它连接的是中国电信自有的天通卫星系统(高度3.6万公里),与低地球轨道(LEO)卫星(高度500~2000公里)相比,该系统的带宽较小,导致实际应用和使用场景仍然有限。

在缺乏完整生态系统的情况下,大多数消费者不太可能仅仅因为卫星通信功能的加入而提高购买意愿。此外,智能手机上的卫星通信涉及订阅费用。除非有特定需求,否则消费者不太可能为订阅花费额外的预算。

事实上,智能手机卫星通信的商业模式仍在探索中。尽管苹果预计将在推出两年后开始对其卫星通信服务收费,但苹果的生态系统和服务平台的规模并不是其他智能手机品牌可以轻易效仿的。未来,可能需要与电信服务提供商合作来开发可行的商业模式。目前,该行业仅处于硬件开发的早期阶段。

智能手机端卫星连接的发展缓慢。与卫星端方面相比,这一点尤其明显,SpaceX已成功将第一批6颗可直接连接智能手机的LEO卫星送入轨道,并正在与各国电信服务提供商合作进行测试。

在智能手机端方面,虽然荣耀、OPPO等智能手机厂商纷纷效仿苹果、华为的脚步推出支持卫星通信的新机型,但苹果与Globalstar合作,而中国品牌则背靠天通卫星系统。至于三星等其他厂商,我们还没有看到类似的合作伙伴。

卫星连接的智能手机端此前曾寄希望于高通等芯片设计商身上,希望芯片端与卫星通信趋势的连接带动智能手机卫星通信生态系统的整体发展。在MWC 2023上,高通与小米、OPPO、摩托罗拉、一加、荣耀等主要智能手机品牌合作,宣布将卫星通信功能集成到智能手机中。尽管如此,该项目还没有取得新的进展。

高通于2023年初宣布与卫星运营商Iridium建立合作伙伴关系,但该合作关系于2023年12月结束,标志着智能手机卫星连接出现“小步”倒退。消息人士称,虽然相关硬件技术已经研发成功,但智能手机品牌尚未将该技术应用到其最终用户设备上。

尽管如此,部分地区的三星Galaxy S24系列中使用的Exynos 2400芯片支持3GPP Release 17标准以及非地面网络(NTN)通信。也就是说,三星在硬件方面已经做好支持卫星通信的准备,但还需要等待合适的时机。

总结

卫星通信应用前景广阔,正逐步成为高端智能手机新标配,在不久的将来还将逐步扩展到众多中端手机、平板电脑等设备上,甚至是汽车电子,有望形成万亿元级别市场,这将激发运营商、零部件厂商、设备商等整个产业链的创新动力,从而推动整个行业的进步。

不过,智能手机卫星通信要实现硬件、应用和生态的繁荣发展,还需克服一系列挑战,需要政府、企业、科研机构等各方应共同努力,推动卫星通信技术不断进步,为用户提供更加便捷、安全、高效的通信服务。

责编: 李梅
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