解密低軌衛(wèi)星通信：華為Mate X6全球首發(fā)

作為以通信技術起家的科技巨頭，華為始終在終端衛(wèi)星通信的道路上領先行業(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，這在全球范圍內是首次實現(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)星通訊技術上的領先地位。

Mate X6的亮點還在于其首發(fā)的低軌道衛(wèi)星聯(lián)網功能，不過在發(fā)布會上并沒有官宣低軌衛(wèi)星互聯(lián)網的合作方，只是表示目前低軌衛(wèi)星聯(lián)網系統(tǒng)正在測試，預計將于2025年下半年開啟公測。與傳統(tǒng)的手機網絡相比，低軌道衛(wèi)星技術可以在全球范圍內提供更加穩(wěn)定的網絡連接，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)星通信網絡，低軌通信衛(wèi)星網絡中單個衛(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)網計劃。巨型星座網絡由于涉及衛(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成多層混合星座。

· 地面段：用于完成衛(wèi)星網絡和地面網絡的連接，對全網進行綜合管理和監(jiān)控。地面段包括信關站、綜合運控管理系統(tǒng)以及連接地面核心網絡的基礎設施 —— 數(shù)據(jù)經信關站接入地面網絡，完成星地空口通信協(xié)議和網絡協(xié)議轉換，即可利用地面網絡設施訪問地面網絡資源。

· 用戶段：主要由接入網及接入終端組成，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）建立局域網絡，將用戶設備接入網絡。

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)星網絡信號傳播時延低，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，有助于將終端設備的能耗控制在一定范圍內。

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?，通過低軌衛(wèi)星通信可能比地面網絡的延時還要短。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)網等業(yè)務，低軌互聯(lián)網星座會更加適用。

對普通用戶而言，尤其是沒有接入地面互聯(lián)網的區(qū)域，這意味著使用衛(wèi)星聯(lián)網進行工作和娛樂成為可能；而在災難救援、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)網在低業(yè)務密度地區(qū)成為經濟、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），輕型復合材料技術以及集成化應用是小衛(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)網的關鍵技術

低軌衛(wèi)星互聯(lián)網的發(fā)展，在技術上主要涉及星地之間的通信技術，其中高效的傳輸和信號接收是關鍵要素，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)網實現(xiàn)規(guī)模化發(fā)展的關鍵技術集中在“天地”間的通信技術、星座組網技術以及衛(wèi)星制造。

· 星間激光通信技術（星間鏈路）：低軌衛(wèi)星互聯(lián)網的構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、質量輕和功耗低等優(yōu)勢?？纱蠓冉档托l(wèi)星星座系統(tǒng)對地面網絡的依賴，從而減少地面信關站的建設數(shù)量和建設成本，擴大覆蓋區(qū)域、實現(xiàn)全球測控。

· 相控陣天線技術：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的變化。近年來，衛(wèi)星技術的快速發(fā)展，對天線的重量、體積、便攜性、一體化設計等提出了更高的要求，尤其在低軌通信衛(wèi)星領域，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，能夠實現(xiàn)對頻譜資源的高效利用，并可與其他空間和地面的授權用戶靈活使用頻譜。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：低軌衛(wèi)星互聯(lián)網若想用較少數(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，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。

未來巨型星座網絡將與地面網絡進一步深度融合，在網絡架構設計，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，星地網絡協(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)模和復雜度均明顯提升，可采用人工智能中的相關算法如神經網絡、強化學習等方法解決。

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)務潛力會更好。從技術趨勢來看，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，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、上網等各種服務。

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

海外存量終端直連進入應用階段，NTN等新標準推進有望推動終端側需求釋放。據(jù)PC MAG報道，F(xiàn)CC已批準Starlink在受颶風影響的北卡羅萊納州提供手機直連服務。當前海外存量終端直連已進入應用階段，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)網應用門檻并打開應用場景空間。

今年9月，在2024空天信息產業(yè)國際生態(tài)大會上，華為常務董事、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絡?！碑斚?，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)網發(fā)展的重要推動力。隨著各類衛(wèi)星應用領域不斷拓寬，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)星總容量，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)星網絡資料的申報、協(xié)調、登記和維護工作，任何一個國家都不能單方面主導衛(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用方向和支持業(yè)務劃分為移動服務和寬帶服務兩類： 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)務為主，支持面向手持移動通信和低功耗小型化物聯(lián)網服務； 寬帶互聯(lián)網星座，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)務為主，支持互聯(lián)網接入、網絡節(jié)點互聯(lián)以及基站回程等服務。

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)務的基礎，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用技術可以解決部分 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。

國內低軌衛(wèi)星互聯(lián)網星座主要包括了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低軌衛(wèi)星互聯(lián)網組網核心載體：

· GW星鏈是中國星網公司于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，其首批組網衛(wèi)星今年8月6日成功發(fā)射，第二批組網衛(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”批量生產模式轉型，以商業(yè)化模式運行的衛(wèi)星產業(yè)鏈相關公司或在成本控制等領域具備優(yōu)勢，有望加速低軌互聯(lián)網布局進程。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)網總體規(guī)?？蛇_千億級別。

另外，短時間內實現(xiàn)批量生產才能更好地發(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)星運營和服務于一身，在實現(xiàn)核心技術可控的同時能夠有效縮減制造時間，從而滿足產能需求。

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)網高達53%的空間。

發(fā)展衛(wèi)星互聯(lián)網也是一項重要的國家戰(zhàn)略。一旦國外衛(wèi)星互聯(lián)網星座成功完成部署，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)網接入業(yè)務，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。這項技術通過深度神經網絡，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)星網絡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、高原等地面網絡無法覆蓋的區(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絡的情況下?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航，實時更新位置信息，實現(xiàn)更精準高效的聯(lián)絡。

值得一提的是，華為Mate X6還引入了星閃查找技術，實現(xiàn)了關機也能精準定位的功能。簡單來說，就是即使手機關機，用戶仍然可以通過華為賬號登錄云空間官網，通過“查找設備”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。