馬斯克的星鏈手機，兩年后能推出嗎？

本文來自格隆匯專欄：字母榜 作者：苗正

馬斯克的星鏈計劃又有了新動作，他在一檔訪談節目中談到，星鏈手機將要在2年后上市。馬斯克口中的星鏈手機，其實和普通手機區別不大，最大不同就是可以直接連上衞星，不需要地面基站也能打電話發短信。

馬斯克在節目中承認，爲了讓衞星和星鏈網絡能夠直接與手機連接，他已經花費170億美元來購買頻段。馬斯克補充道，這筆交易使得SpaceX可以直接從衞星向手機提供高帶寬連接，但手機需要進行硬件的調整。由於目前的手機不支持這些頻段，手機的芯片組需要進行修改以添加對這些頻率的支持。

最終效果是，你可以在手機上隨時觀看高清視頻，再也不會受到地面基站信號強度的影響了。但是對於室內環境，這些頻段在普通房屋中可以正常使用，但在有厚金屬屋頂的建築物內可能會受影響。

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那……什麼是星鏈手機呢？

要理解衞星手機這回事，得先搞清楚我們現在的手機是怎麼工作的。你的手機其實就是個小型無線電臺，它通過電磁波跟附近的基站聊天。基站收到你的信號后，再通過光纖或者微波鏈路把信息傳到電信公司的交換中心，最后送到對方手機那里。整個過程看起來挺順暢，但有個致命問題：基站的覆蓋範圍有限，大概只有幾公里到幾十公里。

這就是為什麼你在深山老林里經常沒信號，因為電信公司不可能在每個角落都建基站，成本太高了。全球有大片大片的地方，包括海洋、沙漠、極地，都是通信的盲區。據統計，地球上大約有一半的地方沒有可靠的移動通信覆蓋。

衞星通信的想法其實不新鮮。早在上世紀九十年代，就有公司嘗試過衞星電話，比如銥星系統（Iridium）。但那時候的衞星電話有幾個大問題：設備巨大笨重，通話費用貴得離譜，而且信號質量也不太好。一臺衞星電話能有磚頭那麼大，通話費一分鍾幾十塊錢，普通人根本用不起。

星鏈手機不是專門的衞星電話，而是可以直接連上衞星上面的基站。這聽起來簡單，實際上技術難度相當大。

要知道，地面基站離你只有幾公里，但衞星在天上幾百公里甚至幾萬公里高。距離遠了，信號就弱了，這是物理定律，沒法改變。信號強度跟距離的平方成反比，也就是説距離增加一倍，信號強度就變成原來的四分之一。衞星比基站遠了幾十倍，信號強度就弱了幾千倍。

你的手機發射功率本來就不大，大概只有幾瓦，這點功率要傳到幾百公里外的衞星，信號已經微弱得像蚊子叫了。更要命的是，衞星還在高速移動，每秒鍾移動好幾公里，這就產生了多普勒效應（Doppler Effect）。就像救護車開過來時警報聲會變尖，開走時會變低，衞星移動也會讓無線電信號的頻率發生變化。

星鏈的直連手機服務採用了一種巧妙的方案。每顆具備直連功能的衞星都搭載了一個eNodeB基站設備，這相當於在太空中放置了一個標準的4G基站。手機看來，這個衞星基站就像普通的地面基站一樣，可以使用標準的LTE協議進行通信。

這種設計的好處是兼容性強，現有的手機不需要任何硬件修改就能使用衞星服務。但挑戰在於，衞星基站需要處理更復雜的信號傳播環境，包括長距離傳輸、多普勒頻移、快速切換等問題。

爲了解決多普勒效應，星鏈衞星使用了先進的信號處理算法。衞星知道自己的精確位置和速度，也能通過GPS等方式獲得用户的大致位置，因此可以預先計算出多普勒頻移的大小，並進行相應的頻率補償。

衞星切換也是個技術難點。當一顆衞星飛出覆蓋範圍時，通信需要無縫轉移到另一顆衞星上。這個過程需要在幾秒鍾內完成，而且不能中斷正在進行的通話或數據傳輸。星鏈使用了類似於地面網絡的軟切換技術，讓手機同時與多顆衞星保持連接，然后逐步轉移到信號最強的衞星上。

傳統的手機芯片可處理不了這麼複雜的情況。它們設計的時候假設基站是固定不動的，信號強度也相對穩定。現在要適應快速移動的衞星，就需要更聰明的算法和更強的處理能力。

馬斯克的解決方案是低軌道衞星星座（Low Earth Orbit Constellation）。星鏈衞星運行在距離地面大約550公里的軌道上，比傳統的地球同步衛星近得多。地球同步衛星在36000公里高空，信號來回一趟就要半秒鍾，打電話會有明顯的延迟。

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低軌道衞星雖然距離近了，但帶來新問題：它們移動得更快，而且單顆衞星的覆蓋範圍更小。

爲了解決覆蓋問題，星鏈計劃發射數萬顆小衞星，組成一個巨大的衞星網絡。這些衞星像接力賽一樣，當一顆衞星飛出你的視線範圍時，另一顆衞星正好進入覆蓋區域。這種無縫切換需要精確的軌道計算和複雜的網絡協調。

技術上最大的挑戰是天線設計。衞星信號微弱，需要高增益天線（High-gain Antenna）來接收。但高增益天線通常都有方向性，需要對準衞星才能工作。問題是衞星在天上快速移動，天線也得跟着轉。傳統衞星電話都有個大天線，可以手動或自動調整方向。

普通手機顯然裝不下這樣的天線。馬斯克的團隊想出的辦法是相控陣天線（Phased Array Antenna）。這種天線由很多小天線單元組成，通過電子方式控制每個單元的相位，可以在不物理轉動的情況下改變天線的指向。就像指揮一個合唱團，讓不同的人在不同時間開口，最終形成想要的聲音效果。

圖片所展示的，就是SpaceX目前所使用的星鏈相控陣天線。

相控陣天線的好處是響應速度快，可以瞬間改變指向，跟上快速移動的衞星。但問題是成本高，功耗大，而且需要複雜的控制電路。要把這些技術塞進手機里，還要保持合理的價格和電池續航，確實不容易。

信號處理也是個大問題。衞星信號不僅弱，還會受到各種干擾。大氣層會吸收和散射無線電波，特別是在下雨的時候。這種現象叫雨衰（Rain Attenuation），在某些頻段特別嚴重。手機需要更強的糾錯能力和更智能的信號處理算法。

現代數字通信系統使用各種編碼技術來對抗噪聲和干擾。比如卷積碼（Convolutional Code）、渦輪碼（Turbo Code）和LDPC碼（Low-Density Parity-Check Code）。這些編碼方式可以在信號中加入冗余信息，即使部分數據丟失或出錯，也能恢復原始信息。但更強的糾錯能力意味着更多的計算量和更長的處理時間。

頻譜資源也是個限制因素。無線電頻譜就像高速公路，車道數量有限。衞星通信需要使用特定的頻段，這些頻段已經被各種服務佔用了。國際電信聯盟（ITU）負責協調全球的頻譜分配，確保不同服務之間不會相互干擾。

星鏈現階段使用的是Ku波段和Ka波段，頻率在12-18GHz和26-40GHz之間。這些頻段的好處是帶寬大，可以傳輸更多數據，但缺點是穿透能力差，容易被建築物和樹木遮擋。這就是為什麼衞星電話在室內經常沒信號的原因。

要讓普通手機支持衞星通信，還需要解決功耗問題。衞星信號弱，手機需要更大的發射功率才能讓衞星收到。但手機電池容量有限，不能無限制地增加功耗。這需要在通信質量和電池續航之間找到平衡。

一種解決方案是自適應功率控制（Adaptive Power Control）。手機根據當前的信號條件自動調整發射功率，信號好的時候降低功率，信號差的時候提高功率。還可以使用更高效的調製方式和編碼技術，在相同功耗下傳輸更多信息。

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要想手機能連上衞星，那麼它的網絡架構也需要重新設計。傳統的移動通信網絡是分層的，手機連接基站，基站連接基站控制器，基站控制器連接移動交換中心。衞星網絡更像是一個分佈式系統，每顆衞星既是基站，也是路由器，需要智能地選擇最佳的通信路徑。

衞星之間還需要建立星間鏈路（Inter-satellite Link），讓數據可以在太空中直接傳輸，而不用每次都繞道地面站。這樣可以減少延迟，提高網絡效率。但星間鏈路需要精確的指向控制和高速的數據處理能力。

從用户體驗角度看，星鏈手機也是手機，通話質量肯定要放在第一位。由於信號延迟和可能的中斷，通話質量可能不如地面網絡穩定。其次是數據速度，雖然衞星網絡在理論上可以提供高速數據傳輸，但考慮到帶寬分配和用户數量，實際速度可能會受限。

還有一個問題是室內覆蓋。前文也提到了，衞星信號很難穿透建築物，這意味着衞星手機主要適用於户外場景。在室內，還是需要依賴傳統的地面網絡。這就需要手機能夠智能地在衞星網絡和地面網絡之間切換。

除了科學技術能解決的以外，監管也是個複雜問題。不同國家對衞星通信有不同的法規要求，有些國家出於安全考慮限制或禁止衞星通信服務。馬斯克需要在每個目標市場獲得相應的許可，這個過程可能很漫長。

儘管面臨這些挑戰，衞星手機技術正在快速發展。除了星鏈，亞馬遜的柯伊伯項目（Project Kuiper）、英國的OneWeb等公司也在佈局類似的服務。競爭會推動技術進步和成本下降。

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從產業格局來看，星鏈手機可能會帶來深刻變化。傳統電信運營商的壟斷地位可能受到衝擊，特別是在偏遠地區的通信服務方面。新的商業模式可能出現，比如按需付費的全球通信服務，或者針對特定行業的專業通信解決方案。

對於消費者來説，星鏈手機最大的價值在於提供無處不在的連接。無論你在珠穆朗瑪峰還是太平洋中央，都能保持與外界的聯繫。這對於應急救援、遠程工作、探險旅行等場景特別有價值。

衞星手機也可能催生新的應用和服務。比如新型的位置服務，結合衞星通信和導航，提供更精確的定位和路徑規劃。

但這種變化不會一蹴而就。傳統運營商仍然掌握着大部分用户和基礎設施，馬斯克表示，他們沒辦法做到讓其他運營商消失，因此他們也在積極尋求與衞星運營商的合作。比如T-Mobile與星鏈的合作，讓用户可以在沒有地面信號的地方自動切換到衞星網絡。

這種合作模式可能是未來的主流趨勢。運營商提供地面網絡和用户服務，衞星公司提供覆蓋補充，雙方各取所需。這樣既能發揮各自的優勢，也能降低投資風險。

從技術發展的角度看，星鏈手機只是一個開始。隨着6G技術的發展，地面網絡和衞星網絡的融合會更加深入。未來的通信網絡可能是一個立體的架構，包括地面基站、低空平臺、低軌衞星、中軌衞星和高軌衞星，形成無縫的全球覆蓋。

當然，這一切還需要時間。技術成熟、成本下降、監管完善，都不是一朝一夕的事。但趨勢已經很明顯了，天空正在成為我們新的通信基礎設施。也許再過幾年，「沒信號」這個詞就會成為歷史。