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【Telegram中文版】把卫星通信接入百姓家 ——国防科大北斗团队探寻手机与卫星短报文通信的创新故事【Telegram中文官网】

科技日报记者 张 强  通讯员 王颖娇

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地震救援、出海遇险、户外徒步……你有没有想过,在生活如此依赖手机的今天,一旦我们进入没有移动信号的区域,该如何与外界联络呢?很多人可能会想到高大上的卫星通信。如今,卫星通信可能很快就将“飞入寻常百姓家”了。

9月6日,华为发布Mate 50系列手机,被形容为“向上捅破天”的技术也露出“真容”。

官方消息显示,Mate 50是全球首款支持北斗卫星消息的大众智能手机。在无地面网络信号覆盖的环境下,Mate 50能将文字和位置信息发出求助,并支持多条位置生成轨迹地图。

记者了解到,Mate 50应用的是北斗短报文系统。北斗短报文是由国防科技大学北斗团队研制的RDSS(卫星无线电测定业务)地面系统接收的。他们进行了十余年的深入研究,于2019年首次提出大众手机直连北斗卫星短报文的完整可行方案,推动北斗短报文进入大众消费领域。

“四川甘孜州泸定县发生6.8级地震后,电信设施损坏,移动信号基站受毁,短报文救援信息也正是通过我们的RDSS系统进行收发的。”国防科技大学北斗团队短报文技术负责人李井源说。

十余年自主创新,实现移动通信和短报文通信融合

很多人或许记得,汶川大地震中,北斗手持用户机在地震灾区中成功应用的画面。

然而,这一幕却曾让国防科技大学北斗团队喜忧参半。

“从北斗一号到北斗二号,RDSS系统均由我们团队独立承担建设。我们喜的是团队科研成果在抗震救灾中发挥了关键作用,忧的是受灾群众不能使用手机通过短报文及时发出灾情,否则一定能救出更多的人。”李井源回忆道。

2009年,我国启动北斗三号工程建设。国防科技大学北斗团队随即开始探索新一代北斗RDSS体制设计验证工作,力求让北斗用户端体积更小、成本更低,直至融入大众手机。

系统容量、终端体积和成本是制约北斗短报文更加广泛应用的关键要素。

然而,北斗一号、二号系统的短报文通信能力均为每次最多传送120个汉字,尚不能满足各类不同应用场景需求。同时,短报文广泛应用必有海量用户,这意味着北斗三号地面中心站设备规模也将急剧扩张。

“数量级的扩张以及未来可持续扩展的需求,意味着不能直接继承北斗二号信号处理架构,唯有从信号体制上实现跨越,短报文通信能力方可实现量变质变。”李井源介绍。

创新是唯一出路,但是创新又要从哪里开始呢?

几个月里,就短报文通信能力提升的问题,他们就讨论和推翻了数十个方案,创新提出了“射频前端+全数字关交换+基带后端处理”的技术架构。这项名为“全光交换集中分布式架构”的技术,可实现射频前端通用化、小型化,基带后端数字化、去时频。

基于该技术,该团队成功研制出北斗三号主控站RDSS系统。其短报文通信能力可实现每次最高传送1000个汉字,并可传输语音、照片。相较于北斗二号,短报文通信服务容量提升10倍,同时支撑移动通信和北斗短报文通信的融合使用。

融入大众手机,构建未来低轨报文通信系统

短报文通信服务是北斗系统区别于美国GPS等卫星导航系统的最大特色。北斗三号主控站RDSS系统的短报文通信能力虽然可以满足大部分行业应用需求,但距离进入大众消费领域却还要跨越几道坎儿。

第一个坎儿就是要将北斗用户端的发射功率降低到可以安装在大众手机上。

2018年,国防科技大学北斗团队就此进一步开展信号体制创新研究,试验表明可以将北斗用户端发射功率降到0.5W(瓦),与4G/5G手机发射功率相当。这意味着将北斗短报文通信服务融入大众手机,已经有了实现的技术基础。

北斗短报文只有融于最高效的商用手机产业链,成为手机预置模块,才能从根本上降低成本,进而获得大规模的市场应用。基于这个创新理念,2019年他们设计了专门针对低功耗手机业务的信号体制ICD文件,最终实现了用户端发射功率从2W降至0.5W。同时依托天津“北斗民用短消息增强服务系统”进行低功耗信号体制收发试验验证,实现了与电信公网的互联互通。

至此,在不改变手机结构的情况下,这个团队把北斗短报文发射功率降至0.5W,“手机到哪里,短报文就到哪里”成为可能。

为突破工程实现上的难题,团队经反复论证后创新提出信号算法极致优化的技术方案,提升了北斗系统主控站灵敏度,成功解决了手机与卫星实现短报文通信的最大工程技术难题。

与国内移动运营商讨论后,他们进一步提出“手机号即北斗号,手机卡即北斗卡”的技术和运营方案,实现用户极简体验,推动北斗短报文进入了大众消费领域。

“不过,由于北斗短报文采用高轨卫星进行信号收发,手机与3.6万千米外的北斗卫星进行通信,信号有点微弱,通常作为搜救等应急通信手段。”李井源介绍,目前低轨卫星互联网系统正在加速建设,相信在不远的将来,手机用户可以通过低轨卫星实现更高速率、更大容量的报文及语音图像通信。