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传遍朋友圈的“iPhone 13支持卫星通信”,支持的究竟是什么?

* 来源 : * 作者 : admin * 发表时间 : 2021-09-09
今天凌晨,苹果公司发布公告,2021年的新iPhone将于9月15日发布。
前几日,一则“iPhone 13手机将支持卫星通信”的消息传遍朋友圈,“可以卫星上网的新iPhone”听起来着实酷炫。
有关苹果iPhone 13将支持卫星通信的消息,源自于著名的苹果分析师Ming-Chi Kuo,Kuo给出他的分析“基于定制的高通调制解调器,如果苹果手机启用了相关的软件功能,iPhone 13的用户可以在没有4G/5G网站覆盖范围的情况下通过卫星打电话和发送消息”。Kuo指出,与苹果合作的是Globalstar公司。
Globalstar公司由来已久,是由美国劳拉公司(LoralCorporation,主要业务为太空通信)与高通公司于1991年共同出资成立的卫星通信公司,专注于低轨道卫星通信通信,与被广泛熟悉的“铱星计划”提供相类似的低速率数据传输服务。2020年3月,Globalstar宣布其所掌握的用于卫星通信的n53/B53频段,被3GPP批准为正式的5G频段[1,2]。
卫星通信究竟有什么功能,需要什么条件?传言苹果iPhone 13可支持的n53频段究竟能做什么?什么样的射频前端可以支持到n53频段?
卫星通信是利用卫星做为通信“基站”,移动用户与卫星直接相连后,通过卫星的中继,实现移动用户之间、用户与地面固网之间的互联。按照在轨高度,卫星移动通信分为:
· GEO(Geosynchronous Earth orbit,静止轨道)卫星系统 ;
· MEO(Medium EarthOrbits,中轨道)卫星系统;
· LEO(Low Earth Orbit,低轨道)卫星系统。
其中,GEO(静止轨道)卫星系统运行在赤道上方高度约35,800 km的地球同步轨道,运行周期同地球相同,一般较少卫星即可实现全球除极低以外的覆盖。不过由于高度高,传播延时大。
目前有代表性的GEO卫星系统主要有由国际移动卫星公司经营的Inmarsat(国际海事卫星)系统。该系统由13颗地球静止轨道卫星构成,可以向南北纬83度以内的地区提供电话、传真和数据业务,主要承担国际船舶、飞机等的航行、遇险安全通信任务,目前终端用户约30万。目前Inmarsat已经历经五代系统更替,前四代采用L波段频率(1~2GHz频率范围内),第五代采用Ka波段(27~40GHz频率范围内),可提供约50Mbit/s的下行及5Mbit/s的上行传输。
MEO(中轨)卫星系统轨道高度在2,000 ~ 30,000 km左右,因为其高度高,且无法实现与地球周期同步,目前发展不如GEO和LEO卫星系统。目前代表型的为Odyssey系统。Odyssey为TRW空间技术公司推出,由12颗高度为10,000 km的卫星构成,可在全球范围为280万个用户提供服务,通信速率约为4.8~19.2kb/s。
LEO(近轨)卫星系统是近年来广受关注的卫星通信系统,LEO卫星系统轨道高度在1,500 km以下。由于处于近地轨道,若实现全球覆盖需要较多的卫星数量。但LEO卫星系统有卫星链路传播损耗小、传播时延短的优点,适合于多用户的全球卫星互联,是当前卫星通信关注的重点。以下将对LEO近轨卫星展开详细讨论。
LEO(近轨)卫星系统在20世纪末期经历了第一个发展高潮。当时全球移动通信的概念被全球关注及推行,在90年代所推行的第二代蜂窝移动通信系统,就取名为GSM(Global System for Mobile Communications,全球移动通信系统),但蜂窝通信由于受限于基站建设,只能覆盖地面基站所覆盖的数公里范围,并不能实现真正意义的全球覆盖。
传言摩托罗拉一位工程师的妻子在加勒比海度假时,向丈夫抱怨没有信号无法接到客户电话。这位工程师突发奇想,如果用环绕地球的卫星组成一个星座,不就可以让通信覆盖地球上的每一个角落了吗?
1998年,如日中天的摩托罗拉公司雄心勃勃的推出了“铱星”LEO(低轨)卫星星座系统,铱星系统由77颗低轨卫星组成,为用户提供手机式的全球个人移动通信服务。铱星系统是一个里程碑事件,它是人类历史上第一个商业低轨道移动通信系统。同样在1998年,另外两个低轨道全球通信卫星系统相继建立,分别是全球星(Globalstar)和轨道通信(Orbcomm),这一年,铱星发射40颗低轨卫星,全球星(Globalstar)和轨道通信(Orbcomm)分别发射20颗及18颗。这也被称为第一代低轨卫星通信系统。
虽然计划斗志昂扬,但现实却很残酷。第一代卫星通信系统建立时并没有找到合适的盈利模式。当时,卫星发射成本居高不下,但却没有足够多有钱的“金主”愿意为卫星通信买单。在入不敷出的情况下,2000年前后,第一代卫星通信系统先后宣告失败:2000年3月,铱星系统背负40亿美元债务宣告破产;全球星(Globalstar)及轨道通信(Orbcomm)也分别放弃第一代,分别转到第二代近轨卫星通信系统中。
 第一代近轨卫星通信系统以商业的失败而告终。面对如何实现商业成功上,第二代铱星系统与SpaceX公司的星链(Starlink)系统选择了完全不同的路线。
铱星选择了寻找“土豪”用户。
铱星2000年申请破产保护和债务重组,并重新组建了新的铱星公司。新的铱星公司将营销对象转向了美国军方。2001年,”911事件”爆发,美国开始在全球进行反恐战争。新铱星公司等待的“土豪”用户终于出现,铱星公司与美国军方的合同进一步巩固。同时,不少美军官兵个人也购买了铱星电话和家人联系。铱星公司拥有了全球约85万的用户,营收也在稳步提高,2019年,铱星达到了5.6亿美元的营收。
星链(Starlink)选择了降低卫星发射成本,服务广泛市场。
如果说当年的铱星计划是雄心勃勃,那么2020年的星链计划则是近乎疯狂。星链卫星系统准备在2024年前发射4,425颗卫星,这个数字甚至大于当前全球在轨的合计3,300颗卫星(截至2020年11月)。星链卫星系统计划长期共计发射4.2万颗LEO(近轨)卫星,实现全球的覆盖。星链的目标用户为数亿需要卫星进行互联网链接的用户。
为了满足广泛用户对于上网成本及上网质量的需求,SpaceX开发了一系列降低卫星发射成本的技术。比如SpaceX的星链卫星仅227千克左右,一次火箭发射可以发射60颗星链卫星;同时SpaceX的火箭还可以进行火箭回收,重复利用,用以进一步降低发射成本。这和当年铱星时代的一次发射只承载几颗卫星并且火箭不可被回收相比,卫星发射成本有了数量级的降低。
除了SpaceX公司的星链计划,英国卫星通信公司的OneWeb计划提出将发射720颗低轨卫星(第一期648颗)。我国也不甘落后,我国中国航天科工集成的“虹云”卫星通信和中国航天集团的“鸿雁”卫星通信系统,均是为低轨通信设计的卫星通信系统。
大家看到卫星通信,就会想当然的认为可以绕过运营商进行通话、免费上网打电话了,就可以取代现在在用的4G/5G甚至是宽带了。其实不然,卫星通信只能做为陆地蜂窝通信的补充,无法做到对陆地通信系统的取代。
随着星链计划的推出,以及铱星计划的升级,近地卫星通信开始进入Mbit/s量级,星链计划所推出的150Mbit/s为最快标称速率。而陆地移动通信的5G系统愿景为达到10Gbit/s的通信速率,相比近地卫星通信高近100倍。而对于类似全球星(Globalstar)系统,通信速率只有数kbit/s,几乎只能完成语音及短信业务,无法完成互联网数据业务。
地面站与卫星通信,星间链路通信通常采用微波毫米波波段(如Ka、Ku波段),容量大,并且高频率有助于做高天线增益。
移动终端与卫星通信的频段主要有两种,分别是1~4GHz频率范围内的L/S波段,以及微波毫米波的Ka/Ku波段。
L/S波段的优势是技术简单,不需要毫米波的波束成形技术,缺点是无法得到天线增益,空间损耗大,速率受限;
微波毫米波频段通信可以利用波束成形技术提高天线增益,但终端复杂度提高,通常需要专用的发射接收设备。
另外,卫星通信距离长,卫星通信的长度约为1,000公里。根据自由空间损耗计算公式对于使用1.65GHz进行上行传输的全球星系统,1,000公里传输的路径损耗为156.8dB,相较于距离通信基站1km左右距离,损耗增大约60dB。
目前,陆地蜂窝通信系统已在全球建成约700万个物理站点,覆盖52亿全球用户使用[4]。即使星链卫星系统宏大的4.2万颗卫星系统建立成功,其数目也只是全球基站数目的0.6%。每颗卫星需要覆盖相当于两个上海的面积。单个卫星需要覆盖范围面积大,用户容量大大受限。
根据测算,铱星系统全球最大承载的用户数目为1,470万[5],这只相当于上海人口的一半左右,远低于陆地蜂窝通信系统。
在目前提供卫星通信的服务商中,星链公司的服务费用为每月99美金(约650元人民币),可提供网络服务;全球星服务费约20美金(约130人民币),提供紧急呼叫服务。对比陆地移动通信系统部署发达地区的单月10美金(约65人民币)的上网套餐相比,通信成本高。
虽然有以上不足,但相比于依赖于陆地基站建设的陆地蜂窝系统,卫星通信系统有以下优势。
在陆地蜂窝系统建设中,由于基站建设受限于物理环境,无法建设和覆盖沙漠、海洋等无人区域。而卫星通信的广泛覆盖,可以提供“无人区”的覆盖。
同时,由于全球经济发展的不均衡,全球大约有7亿用户无法使用互联网[4],占全球总人数的的10%,其中印度及非洲分别有1.39亿及1.09亿人口。卫星通信的的广泛覆盖特性,可帮助全球还没有联网能力的地区实现联网覆盖。
随着物联网的发展,大量处于非基站建设范围的物联网终端需要联网,这些物联网终端可能无法采用陆地基站连接,如自然灾害监测系统、海洋轮船、远程无人机等,卫星通信可以解决这些物联网终端的互联需求。
对于人员低密度地区,卫星通信可以避免光纤基建的过度投入,在一些低密度地区,如美国、加拿大、澳大利亚、俄罗斯等地区,由于人口密度低,光纤全面建设的成本和人口的全面联网的需求之间构成一对矛盾,卫星通信可以很好的解决这一矛盾。
综上所述,卫星通信有以下特点:
是陆地蜂窝移动通信的补充,不会对陆地蜂窝移动通信构成替代。
主要以提供广泛覆盖下的低速连接服务为主。
通信速率和连接数目受限,无法为全球用户提供高速率的连接。
对于文章开头提到的iPhone13对卫星频段的支持,传言与苹果合作的是全球星(Globalstar)公司。全球星系统仅可支持低速率的语音和短信发送功能。即使iPhone 13可对卫星通信支持,还是无法利用卫星通信享受到高速上网功能,但可享受到全球星覆盖范围内的SOS紧急定位及呼叫功能。
过去20多年移动通信的发展,通信协议从2G快速演进到5G,但演进还远没有结束。随着近年来卫星通信的发展,移动设备有可能加入卫星通信功能,作为陆地蜂窝通信的补充,实现真正意义的“全球通”终端。
但移动终端目前已经同时共存了大量的蜂窝通信制式与模式,统计显示,目前手机中已经支持近40个通信频段,覆盖2G (GSM、CDMA)、3G(WCDMA、CDMA2000、TD-SCDMA)、4G(TDD-LTE、FDD-LET)、5G(NR)等[6]。在对最新的iPhone手机拆解中,有近一半的芯片与无线通信相关。卫星的连接的加入,加进一步增加射频前端方案的复杂度。
与当前无线终端现有的射频前端复用是一种解决方案,但卫星通信的功率、制式、波形等与当前移动终端不同,射频前端需要有能力针对卫星连接场景进行优化。
可重构射频前端可以实现链路复用,以及针对不同场景的优化。
为了支持多频段多模式,传统宽带射频前端方案一般将相近的频段进行宽带覆盖,虽然损失了性能,但可以在一定程度上减少芯片的射频通路,在过去10年中,被业界广泛采用。
采用传统方案对性能的折损在LTE/NR Sub-3GHz高频段表现的尤为明显,在这个频率范围,对功率有高要求的n41与对效率有高要求的B7在同一组频率范围中,构成一对矛盾。传统宽带方案用一颗固定的宽带PA将两个频段同时覆盖,造成n41的高线性、B7的低电流均无法达成。
近年来,不断有公司投入到移动终端多频段多模式可重构射频前端方案中,慧智微电子是此技术方案的开创和代表公司。可重构方案是利用软件和硬件的协同,使射频前端在感知当前应用场景后,通过软件调谐的方式,对此应用场景进行有针对性的性能优化,使各个频段和模式应用时,性能均达到最优。
在卫星通信连接中,由于“iPhone13支持n53”的传言,n53成为备受关注的卫星通信频段。n53频段位于LTE/NR Sub-3GHz通信频段的高频段频率范围内(2.3-2.7GHz),属于高频TDD频段。此频段处于HPUE TDD关键频段n40/n41之间,处于FDD关键频段B7旁边。
S55643-11是慧智微基于慧智微第三代可重构射频前端平台AgiPAM® 3.0开发的Phase5N射频前端发射模组。该模组尺寸为4x6.8mm2,利用软件调谐方式,支持Sub-3GHz 低中高4G及5G频段。针对n53作为卫星通信频段,窄带、高线性的需求,S55643-11可做针对性的软件调谐优化,并且不需要对其他频段性能进行折中。以下为S55643-11产品对n53频段及高频关键频段B7/n41进行性能测试。 
通过以上测试数据,可以看到,慧智微可重构射频前端S55643-11,可实现针对不同场景特殊优化。在新引入的n53卫星通信频段,可实现线性度优于竞品6dBc,电流优于竞品172mA。同时保持关键FDD频段B7实现电流优于竞品204mA,关键TDD频段n41线性度优于竞品3dBc。
目前,3GPP协议对n53的定义还不完整,一些如带外抑制、共存干扰等指标还没有明确定义,并且可能还有其他协议对n53频段的使用进行规范,n53的性能需求无法短期收敛。而传统宽带射频前端只能等待协议固化后,再重新做硬件设计来达成对n53的优化支持。慧智微软件定义的Phase5N方案射频前端S55643-11,可支持协议后续升级,确保客户n53终端方案以用最短的时间推向市场。
对于蜂窝通信系统,中频段的最低频率为Band3,1.71GHz-1.785GHz,这也是传统宽带射频前端的中频段功率放大器支持的最低频率。而卫星频段通常用到的1.6GHz频段无法支持。
可重构射频前端可以利用软件调谐的特性,将最低支持频率调谐至1.6GHz,在不增加射频通路的情况下,支持卫星通信频段。如果有这方面的需要,请与慧智微销售及技术支持团队联系,进行具体规格讨论。
卫星通信由于其广覆盖的特性备受关注,可以作为现在移动通信的有效补充,有望是移动终端通信的下一个功能引爆点。当前射频前端芯片及方案需要兼容考虑对未来潜在通信制式的支持。
卫星通信由于建设成本高,运行周期长。在卫星通信设计中已经考虑支持在轨软件定义和功能重构[7],确保在卫星使用的7.5~10年生命周期内,实现星上通信资源的高效按需调度和配置,能够针对不断变化的应用需求,及时做出调整。
对于移动终端而言,需要有能力承接快速变化的协议需求,灵活的支持新协议的加入及未来演进。可重构射频前端利用软硬件协同特性,可以支持在协议演进中快速收敛产品,帮助终端快速面市。