解密低軌衛(wèi)星通信：華為Mate X6全球首發(fā)

作為以通信技術(shù)起家的科技巨頭，華為始終在終端衛(wèi)星通信的道路上領(lǐng)先行業(yè)，并持續(xù)進化突破。2024年12月6日，華為將正式發(fā)售其最新折疊屏手機Mate X6，支持三網(wǎng)衛(wèi)星通訊 —— 北斗衛(wèi)星消息、天通衛(wèi)星通信和低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)，這在全球范圍內(nèi)是首次實現(xiàn)。無論是北斗衛(wèi)星消息、天通衛(wèi)星通信，還是低軌衛(wèi)星互聯(lián)，華為Mate X6都展現(xiàn)了華為在衛(wèi)星通訊技術(shù)上的領(lǐng)先地位。

Mate X6的亮點還在于其首發(fā)的低軌道衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)功能，不過在發(fā)布會上并沒有官宣低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的合作方，只是表示目前低軌衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)正在測試，預(yù)計將于2025年下半年開啟公測。與傳統(tǒng)的手機網(wǎng)絡(luò)相比，低軌道衛(wèi)星技術(shù)可以在全球范圍內(nèi)提供更加穩(wěn)定的網(wǎng)絡(luò)連接，尤其在山區(qū)、海洋等信號不佳地區(qū)，用戶仍可保持與外界的聯(lián)系。此項技術(shù)的運用，使得Mate X6不僅僅是一款手機，而是一種更為智能的通信解決方案，可能會在未來引領(lǐng)新的市場趨勢。

什么是低軌衛(wèi)星通信？

按照衛(wèi)星軌道高度的不同，通信衛(wèi)星可以分為低軌通衛(wèi)星（LEO）、中軌衛(wèi)星（MEO）和高軌衛(wèi)星（GEO）。

高軌衛(wèi)星也被稱作地球同步軌道衛(wèi)星，軌道高度為35786千米，相對地面靜止且覆蓋區(qū)大，三顆經(jīng)度差約120°的衛(wèi)星就能夠覆蓋除南、北極以外的全球范圍。中軌衛(wèi)星的軌道高度為2000-35786千米，全球組網(wǎng)覆蓋所需衛(wèi)星數(shù)量較少，而低軌衛(wèi)星軌道高度在160-2000千米之間。

通信衛(wèi)星的分類

相對于其他衛(wèi)星通信網(wǎng)絡(luò)，低軌通信衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)中單個衛(wèi)星對地面的覆蓋范圍有限。為了實現(xiàn)全球范圍的信號覆蓋，通常需要數(shù)十顆甚至數(shù)百顆衛(wèi)星。典型的低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)包括空間段、地面段和用戶段三部分。

· 空間段：由數(shù)百顆甚至更多數(shù)量的小衛(wèi)星構(gòu)成低軌衛(wèi)星星座，并以這些衛(wèi)星作為“空中基站”，典型案例為SpaceX和OneWeb等發(fā)起的太空互聯(lián)網(wǎng)計劃。巨型星座網(wǎng)絡(luò)由于涉及衛(wèi)星數(shù)量龐大，多采用不同軌道高度、不同傾角的子星座構(gòu)成多層混合星座。

· 地面段：用于完成衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)和地面網(wǎng)絡(luò)的連接，對全網(wǎng)進行綜合管理和監(jiān)控。地面段包括信關(guān)站、綜合運控管理系統(tǒng)以及連接地面核心網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)設(shè)施 —— 數(shù)據(jù)經(jīng)信關(guān)站接入地面網(wǎng)絡(luò)，完成星地空口通信協(xié)議和網(wǎng)絡(luò)協(xié)議轉(zhuǎn)換，即可利用地面網(wǎng)絡(luò)設(shè)施訪問地面網(wǎng)絡(luò)資源。

· 用戶段：主要由接入網(wǎng)及接入終端組成，主要包括車載站、艦載站、機載終端、電腦以及手持移動終端等。用戶終端可作為接入點（AP，access point）建立局域網(wǎng)絡(luò)，將用戶設(shè)備接入網(wǎng)絡(luò)。

相比于北斗、天通等中高軌道衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星由于距離地球表面更近，擁有獨特優(yōu)勢。低軌衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)信號傳播時延低，往返時延一般都小于100ms，而高軌衛(wèi)星通信的往返時延會達到600ms左右；同時，由于低軌通信衛(wèi)星相對較短的傳播距離，使得信號的傳播衰減較小，有助于將終端設(shè)備的能耗控制在一定范圍內(nèi)。

換句話說，低軌衛(wèi)星縮短了智能終端和衛(wèi)星之間的通信距離，通信效率更高。隨著集成電路、通信等技術(shù)的發(fā)展低軌衛(wèi)星星上處理能力不斷加強，在相同的衛(wèi)通終端能力下更易實現(xiàn)高速率衛(wèi)通傳輸。

在部分遠距離傳輸?shù)膱龊希ㄟ^低軌衛(wèi)星通信可能比地面網(wǎng)絡(luò)的延時還要短。因為光在光纖中的傳播速度是真空中的2/3，在遠距離傳輸應(yīng)用上，雖然信號通過衛(wèi)星多走了數(shù)百公里，但其延時依然比通過地面光纖要短。因此，對于要求低延時和無間斷的國際金融和車聯(lián)網(wǎng)等業(yè)務(wù)，低軌互聯(lián)網(wǎng)星座會更加適用。

對普通用戶而言，尤其是沒有接入地面互聯(lián)網(wǎng)的區(qū)域，這意味著使用衛(wèi)星聯(lián)網(wǎng)進行工作和娛樂成為可能；而在災(zāi)難救援、科考等場景下，當?shù)孛鏇]有基站，或者基站損壞、通信癱瘓時，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也將成為重要補充。更重要的是相比于地面通信，低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)在低業(yè)務(wù)密度地區(qū)成為經(jīng)濟、高效的解決方案，有著廣闊的市場前景。

低軌衛(wèi)星具有輕型化優(yōu)勢，降低發(fā)射成本、成功率高。與傳統(tǒng)通信衛(wèi)星系統(tǒng)中重達幾噸的衛(wèi)星相比，低軌通信衛(wèi)星系統(tǒng)中使用的小衛(wèi)星重量通常在1噸以下（SpaceX的衛(wèi)星在200-300kg），輕型復(fù)合材料技術(shù)以及集成化應(yīng)用是小衛(wèi)星輕型化的特點。衛(wèi)星的重量下降使得單次發(fā)射所能搭載的衛(wèi)星數(shù)量進一步提升，從而降低了平均發(fā)射成本。

發(fā)展低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的關(guān)鍵技術(shù)

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，在技術(shù)上主要涉及星地之間的通信技術(shù)，其中高效的傳輸和信號接收是關(guān)鍵要素，這之中涉及空間段的信號傳輸以及地面段的信號接收。低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)規(guī)?；l(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)集中在“天地”間的通信技術(shù)、星座組網(wǎng)技術(shù)以及衛(wèi)星制造。

· 星間激光通信技術(shù)（星間鏈路）：低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)的構(gòu)建必將面臨海量信息的接入和傳輸問題，衛(wèi)星與衛(wèi)星、衛(wèi)星與地面高速數(shù)據(jù)傳輸?shù)哪芰Γ蔀橹萍s低軌互聯(lián)網(wǎng)星座發(fā)展的一個瓶頸。

星間激光通信是一種利用激光束作為載波在空間進行圖像、語音和信號等信息傳遞的通信方式，具有傳輸速率高、抗干擾能力強、系統(tǒng)終端體積小、質(zhì)量輕和功耗低等優(yōu)勢。可大幅度降低衛(wèi)星星座系統(tǒng)對地面網(wǎng)絡(luò)的依賴，從而減少地面信關(guān)站的建設(shè)數(shù)量和建設(shè)成本，擴大覆蓋區(qū)域、實現(xiàn)全球測控。

· 相控陣天線技術(shù)：衛(wèi)星天線用于對特定的目標或地域，發(fā)射或接收載有各種信息的信號，當需要衛(wèi)星交換信息的目標是可變的時候， 往往要求天線的波束也做相應(yīng)的變化。近年來，衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，對天線的重量、體積、便攜性、一體化設(shè)計等提出了更高的要求，尤其在低軌通信衛(wèi)星領(lǐng)域，對于天線的智能化和輕量化都有較高要求。

相控陣天線成為克服上述困難的有效途徑之一，通過控制各個輻射陣元的相位實現(xiàn)波束的電控掃描，可快速改變波束發(fā)射方向而不用改變天線孔面的物理朝向，能夠?qū)崿F(xiàn)對頻譜資源的高效利用，并可與其他空間和地面的授權(quán)用戶靈活使用頻譜。此外，相控陣天線能夠同時跟蹤多個目標，可以實現(xiàn)邊跟蹤邊掃描，大幅提高雷達系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的探測能力。

· 基于跳波束的時空資源聯(lián)合控制技術(shù)：低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)若想用較少數(shù)量的衛(wèi)星實現(xiàn)Ka波段用戶鏈路波束的全球覆蓋，采用傳統(tǒng)固定的多波束覆蓋方式很難滿足寬帶通信需求。此外，低軌衛(wèi)星運動速度快、覆蓋區(qū)域不斷變化，動態(tài)變化引起的終端需求變化使得合理、高效的資源調(diào)度策略成為亟待解決的問題。

跳波束（BH，beam-hopping）通過時間分片技術(shù)，并不需要所有的波束都同時工作，而是其中一部分波束按需工作，因此資源分配更加靈活；通過改變跳變波束在每個波束覆蓋區(qū)的駐留時間，在有限星載資源條件下提高衛(wèi)星寬帶通信吞吐量，可以最大化星上帶寬資源利用率。此外，跳波束技術(shù)還可以通過將波束聚焦在目標位置來提高吞吐量并靈活利用衛(wèi)星功率。

未來巨型星座網(wǎng)絡(luò)將與地面網(wǎng)絡(luò)進一步深度融合，在網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)設(shè)計，星間、星地、地面?zhèn)鬏旀溌愤x擇，星地切換，天地協(xié)同信息處理，星地網(wǎng)絡(luò)協(xié)議互聯(lián)互通等方面開辟新的研究方向。巨型星座（如Starlink）中由于衛(wèi)星數(shù)量眾多，且需要頻繁進行鏈路切換，上述問題所涉及的規(guī)模和復(fù)雜度均明顯提升，可采用人工智能中的相關(guān)算法如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、強化學(xué)習(xí)等方法解決。

比天通衛(wèi)星這類高軌衛(wèi)星，低軌衛(wèi)星的星座留給消費者容量更大，業(yè)務(wù)潛力會更好。從技術(shù)趨勢來看，終端直連衛(wèi)星從高軌衛(wèi)星到連接低軌衛(wèi)星，從短報文到語音通話、甚至上網(wǎng)，能力會逐步地提升。未來的終極目標是，不修改任何的智能手機，即不在智能手機上增加任何的天線和芯片，就可以直接連低軌衛(wèi)星來實現(xiàn)通話、上網(wǎng)等各種服務(wù)。

全域覆蓋是6G網(wǎng)絡(luò)的一個重要特征，將建設(shè)空天地海一體化的泛在接入網(wǎng)，而低軌巨型星座將是其中關(guān)鍵的組成部分，可以不受地形地貌的限制提供無處不在的覆蓋能力。從全球網(wǎng)絡(luò)覆蓋面積來看，目前尚有80%以上的陸地區(qū)域和95%以上的海洋區(qū)域沒有地面網(wǎng)絡(luò)覆蓋，非地面網(wǎng)絡(luò)（NTN）是地面蜂窩通信技術(shù)的重要補充，是手機直連衛(wèi)星的技術(shù)方向之一。預(yù)計3GPP國際標準組織將于2025年后啟動6G國際技術(shù)標準研制，大約在2030年實現(xiàn)6G商用。

海外存量終端直連進入應(yīng)用階段，NTN等新標準推進有望推動終端側(cè)需求釋放。據(jù)PC MAG報道，F(xiàn)CC已批準Starlink在受颶風(fēng)影響的北卡羅萊納州提供手機直連服務(wù)。當前海外存量終端直連已進入應(yīng)用階段，基于低軌衛(wèi)星的存量終端直連有望進一步降低衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用門檻并打開應(yīng)用場景空間。

今年9月，在2024空天信息產(chǎn)業(yè)國際生態(tài)大會上，華為常務(wù)董事、終端BG董事長、智能汽車解決方案BU董事長余承東稱：“今年開始中國進入5.5G時代，原來我們6G是空天地一體，但是我們想可能不用等到6G，我們希望從5.5G開始就實現(xiàn)空天地一體的通信網(wǎng)絡(luò)。”當下，低軌衛(wèi)星通信發(fā)展的重中之重，是必須有足夠的衛(wèi)星數(shù)量，才能實現(xiàn)更大區(qū)域覆蓋、更低時延和更高帶寬。

低軌衛(wèi)星通信“爭奪戰(zhàn)”

在衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展前景廣闊的背景下，軌道和頻率將成為稀缺資源，搶占資源也成為衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)發(fā)展的重要推動力。隨著各類衛(wèi)星應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓寬，世界各國對衛(wèi)星無線電頻率資源爭奪越發(fā)激烈，對于低軌衛(wèi)星的需求也日趨增加。近地軌道共8萬顆衛(wèi)星總?cè)萘?，世界各國必須按照國際電信聯(lián)盟ITU的《組織法》、《無線電規(guī)則》等，遵循“先登先占”原則，開展衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)資料的申報、協(xié)調(diào)、登記和維護工作，任何一個國家都不能單方面主導(dǎo)衛(wèi)星頻率和軌道資源的獲取和使用。

低軌通信星座可按照應(yīng)用方向和支持業(yè)務(wù)劃分為移動服務(wù)和寬帶服務(wù)兩類： 移動通信星座，如Iridrum、Globalstar，采用L/S低頻段工作，以中低速率業(yè)務(wù)為主，支持面向手持移動通信和低功耗小型化物聯(lián)網(wǎng)服務(wù)； 寬帶互聯(lián)網(wǎng)星座，又稱為低軌高通量衛(wèi)星（HTS）星座，代表企業(yè)有OneWeb、SpaceX，采用Ku/Ka等高頻段工作，衛(wèi)星數(shù)量多，以中高速業(yè)務(wù)為主，支持互聯(lián)網(wǎng)接入、網(wǎng)絡(luò)節(jié)點互聯(lián)以及基站回程等服務(wù)。

低軌衛(wèi)星頻段有限，先發(fā)優(yōu)勢較為明顯。頻率資源是發(fā)展空間業(yè)務(wù)的基礎(chǔ)，LEO所用頻率較多為Ka/V頻段或更高頻段，同時采用點波束和頻率復(fù)用技術(shù)可以解決部分 Ka頻段中低軌衛(wèi)星間頻率兼容性問題，實現(xiàn)超過500Mbit/s大容量通信，且支持海量終端接入的需求。雖然Ka頻段的頻率資源高達3.5GHz，可為衛(wèi)星通信的寬帶化提供可觀的拓展空間，但相較于日益增長的通信帶寬需求，已申報星座的先發(fā)優(yōu)勢依舊明顯。

國內(nèi)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座主要包括了GW星座、千帆星座（G60）及鴻鵠-3星座，規(guī)劃合計超3.5萬顆星，三個星座是未來國內(nèi)低軌衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)組網(wǎng)核心載體：

· GW星鏈是中國星網(wǎng)公司于2020年9月向ITU申請了“GW”星座計劃，共12992顆衛(wèi)星，由GW-A59和GW-A2兩個子星座構(gòu)成，分別計劃發(fā)射6080顆和6912顆衛(wèi)星；

· G60星座由上海垣信衛(wèi)星科技有限公司牽頭，是我國首個進入正式組網(wǎng)階段的巨型低軌商業(yè)衛(wèi)星星座，將由超過1.2萬顆低軌道衛(wèi)星組成，其首批組網(wǎng)衛(wèi)星今年8月6日成功發(fā)射，第二批組網(wǎng)衛(wèi)星以一箭18星方式于今年10月15日成功發(fā)射。隨著第二批組網(wǎng)衛(wèi)星的發(fā)射，G60星座在軌衛(wèi)星數(shù)量增加到36顆，該星座建設(shè)完成后，將集低軌寬帶、手機直連、VDES（甚高頻數(shù)據(jù)交換系統(tǒng)）等應(yīng)用功能于一體；

· 鴻鵠-3星座由藍箭鴻擎科技有限公司提出，計劃在160個軌道平面上發(fā)射約1萬顆衛(wèi)星。

衛(wèi)星研制模式逐步由傳統(tǒng)定制化向“工業(yè)化”批量生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，以商業(yè)化模式運行的衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)鏈相關(guān)公司或在成本控制等領(lǐng)域具備優(yōu)勢，有望加速低軌互聯(lián)網(wǎng)布局進程。未來三年將是中國發(fā)射低軌衛(wèi)星的集中窗口期，至2027年發(fā)射數(shù)量可能達到3900多顆，至2030年中國低軌衛(wèi)星發(fā)射數(shù)量有望突破6000顆，中國衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)總體規(guī)?？蛇_千億級別。

另外，短時間內(nèi)實現(xiàn)批量生產(chǎn)才能更好地發(fā)揮星座效益，時間成本也是重要控制量。例如，Starlink目前座集衛(wèi)星、火箭、地面站制造、火箭發(fā)射、衛(wèi)星運營和服務(wù)于一身，在實現(xiàn)核心技術(shù)可控的同時能夠有效縮減制造時間，從而滿足產(chǎn)能需求。

2015年，SpaceX發(fā)起的星鏈（Starlink）計劃的在軌衛(wèi)星是目前商業(yè)公司中最多的。截至2024年9月30日，SpaceX共進行了194批星鏈衛(wèi)星發(fā)射，總發(fā)射數(shù)量達到7062顆（在軌衛(wèi)星7010顆，在役4727顆）。運載器為可以做到10次以上重復(fù)使用的獵鷹火箭，目前單次發(fā)射最大運載56顆，年發(fā)射數(shù)量在2000~3000顆，若如期實現(xiàn)了4.2萬顆的布局目標將占據(jù)衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)高達53%的空間。

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)也是一項重要的國家戰(zhàn)略。一旦國外衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座成功完成部署，中國市場無疑將會是競爭的熱點，這種跨國界的全球互聯(lián)網(wǎng)接入業(yè)務(wù)，勢必會帶來激烈競爭和信息安全問題。

華為Mate X6的通信技術(shù)突破不止于此。它的北斗衛(wèi)星消息功能也全面升級，不僅支持發(fā)送和接收文字消息，還新增了圖片消息的發(fā)送功能。用戶可以通過暢連APP，將帶有豐富視覺信息的圖片消息通過衛(wèi)星發(fā)送出去，讓接收方能夠直觀地了解發(fā)送方的周圍環(huán)境和人員情況。這種“一圖勝千言”的通信方式，無疑大大提升了衛(wèi)星通信的效率和實用性。

為了實現(xiàn)這一功能，華為Mate X6采用了基于AI生物視覺的圖片編解碼壓縮技術(shù)。這項技術(shù)通過深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，從圖像中提取多層次特征，以最優(yōu)化的數(shù)據(jù)量傳輸最精確的視覺信息，即使在衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)帶寬資源稀缺的情況下，它也能確保圖片消息的順利發(fā)送，讓用戶在深山、高原等地面網(wǎng)絡(luò)無法覆蓋的區(qū)域也能安心與外界保持聯(lián)系。

除了北斗衛(wèi)星消息外，華為Mate X6典藏版還搭載了天通衛(wèi)星通信功能，讓用戶可以在無地面網(wǎng)絡(luò)的情況下?lián)艽蚝徒油ㄐl(wèi)星電話，并自由編輯衛(wèi)星消息。而且它的搜星速度也大幅提升，最快9秒即可連接衛(wèi)星，將衛(wèi)星通訊連接速度帶入了個位數(shù)連接時代。此外，天通衛(wèi)星通信還支持衛(wèi)星尋呼、GNSS與衛(wèi)星共存等功能。前者在衛(wèi)星通話被叫場景中能夠讓用戶收到尋呼提醒，后者讓用戶在衛(wèi)星通話時可以同步使用地圖導(dǎo)航，實時更新位置信息，實現(xiàn)更精準高效的聯(lián)絡(luò)。

值得一提的是，華為Mate X6還引入了星閃查找技術(shù)，實現(xiàn)了關(guān)機也能精準定位的功能。簡單來說，就是即使手機關(guān)機，用戶仍然可以通過華為賬號登錄云空間官網(wǎng)，通過“查找設(shè)備”功能查看手機所在的位置。這一功能的加入，無疑為用戶的出行安全提供了更多的保障。