如何在萬(wàn)米高空暢享5G？
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伴隨著刺耳的轟鳴，一個(gè)形如巨鳥(niǎo)的龐然大物，風(fēng)馳電掣般地在跑道疾馳，旋即騰空而起，扶搖直上九萬(wàn)里。
每天，都有無(wú)數(shù)這樣的龐然大物，運(yùn)載著“宇宙的精華，萬(wàn)物的靈長(zhǎng)”，翱翔在云霄之上的萬(wàn)米高空。
但這些乘客卻無(wú)時(shí)無(wú)刻不處于焦慮之中。那是因?yàn)?，他們和世界溝通的窗?mdash;—手機(jī)，只能處于飛行模式，從緊密連接的網(wǎng)絡(luò)，變成了一個(gè)個(gè)無(wú)言的孤島。
請(qǐng)看看他們的內(nèi)心獨(dú)白：
“本來(lái)要和客戶開(kāi)會(huì)的，只能推遲了。”
“多想給女朋友視頻展示下窗外俯瞰的美景……還是拍些照片吧!”
“在這無(wú)聊的幾個(gè)小時(shí)里，要是能玩會(huì)游戲該多好，可沒(méi)有網(wǎng)就連不上服務(wù)器!”
這些強(qiáng)烈的需求，都在呼喚著一個(gè)我們?cè)缫蚜?xí)以為常的好朋友：5G，你趕緊上天來(lái)吧!
其實(shí)，覆蓋全球的通信衛(wèi)星早已把萬(wàn)米高空網(wǎng)上沖浪變成了現(xiàn)實(shí)，但由于帶寬小，成本高，自然導(dǎo)致了不菲的價(jià)格。因此除了少數(shù)商務(wù)人士體驗(yàn)過(guò)之外，大部分人還是選擇了忍耐。
這樣就給了另外一種思路拓展的空間。那就是：地面上不是有很多的5G基站么?如果能把信號(hào)朝天上發(fā)射，手機(jī)在飛機(jī)上能收到信號(hào)的話，不就能正常上網(wǎng)了嗎?
聽(tīng)起來(lái)是個(gè)好辦法啊!但一細(xì)想似乎問(wèn)題還挺多。
1、基站到底能把信號(hào)發(fā)多遠(yuǎn)?
一般來(lái)說(shuō)，在密集城區(qū)，基站的覆蓋范圍也就是幾百米，在偏遠(yuǎn)地區(qū)幾公里也就到頭了，咋看也不像有覆蓋到萬(wàn)米高空的能力。
其實(shí)，在5G建網(wǎng)時(shí)，到底需要多少基站，需要先進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃。網(wǎng)規(guī)主要從兩方面考慮：容量和覆蓋。
所謂容量，就是要服務(wù)一片區(qū)域，滿足所有人的上網(wǎng)需求的話，需要多少基站才行。由于每個(gè)基站的容量是一定的，因此必然能從容量的維度算出來(lái)一個(gè)基站數(shù)量。要正常覆蓋一個(gè)大城市，所需的地面基站可能就得好幾萬(wàn)個(gè)。
所謂覆蓋，就是基站發(fā)射的信號(hào)在經(jīng)歷過(guò)空間傳播損耗，各種樹(shù)木遮擋，障礙物反射折射，最終可以被你的手機(jī)接收到，并且手機(jī)發(fā)射的信號(hào)也能成功被基站接收到的最大距離。
一般來(lái)說(shuō)，基站相對(duì)手機(jī)來(lái)說(shuō)，是一個(gè)龐然大物，信號(hào)的發(fā)射功率也遠(yuǎn)強(qiáng)于手機(jī)，因此理論上可以發(fā)射地非常遠(yuǎn)。
比如，很多城市在用的電視塔，其實(shí)也相當(dāng)于一個(gè)超大號(hào)的基站，由于功率大，高度高，一個(gè)塔就可以覆蓋整個(gè)城市。
如果把基站的天線對(duì)準(zhǔn)天上發(fā)射信號(hào)，由于沒(méi)有任何遮擋，傳播損耗相對(duì)較小，信號(hào)的傳播范圍將更為廣闊。這就是純粹的視距直線傳播。
并且，由于天上的飛機(jī)是比較稀疏的，乘客數(shù)量也不多，同時(shí)上網(wǎng)的人就更少了，因此天空覆蓋時(shí)，首要考慮的是覆蓋而非容量。
如下圖所示，從基站的高度向地球作切線，并延長(zhǎng)該線直到和飛機(jī)在天上的巡航高度相同，便得到了基站的天空覆蓋半徑：d=d1+d2。
假如飛機(jī)的巡航高度為1.2萬(wàn)米的話，一個(gè)地對(duì)空基站的覆蓋半徑理論上可達(dá)400公里。再考慮些余量的話，十幾個(gè)基站就可以覆蓋一條航線，覆蓋全國(guó)也只需幾百站點(diǎn)。
然而這里還有問(wèn)題要考慮，基站可以把信號(hào)發(fā)射地那么遠(yuǎn)，但手機(jī)只有區(qū)區(qū)一百多克，能力弱雞，能收到來(lái)自數(shù)百公里之外的基站信號(hào)嗎?
并且，通信是雙向的，下行重要，上行也非常關(guān)鍵。5G手機(jī)的發(fā)射功率最多也就0.4瓦，發(fā)出的信號(hào)能夠穿梭數(shù)百公里到達(dá)基站嗎?
這就引出了下面這個(gè)問(wèn)題。
2、手機(jī)在萬(wàn)米高空能收到地面上基站的信號(hào)嗎?
其實(shí)是不行的。手機(jī)在飛機(jī)上不但收不到基站的信號(hào)，發(fā)出的信號(hào)基站也是不可能收到的。
這可咋辦?讓飛機(jī)代收代發(fā)啊。
通過(guò)對(duì)飛機(jī)進(jìn)行改造，給機(jī)腹部裝上高增益的專業(yè)天線，就可以和數(shù)百公里之外的基站你來(lái)我往相互通信了。
飛機(jī)上的天線
飛機(jī)收到基站的信號(hào)之后，通過(guò)一個(gè)叫做CPE(Customer Premises Equipment)的裝備把5G信號(hào)轉(zhuǎn)換成wifi信號(hào)，這樣所有乘客就都可以連接wifi來(lái)上網(wǎng)了。
5G機(jī)載CPE
最后，所有用戶的上行數(shù)據(jù)都匯聚到CPE上，再轉(zhuǎn)換為5G信號(hào)，并通過(guò)機(jī)載天線發(fā)送出去，由地面的基站接收處理，達(dá)成了比特生命的閉環(huán)。
3、飛機(jī)飛得這么快，會(huì)有多普勒頻移的影響嗎?
會(huì)的。但可以通過(guò)頻偏補(bǔ)償來(lái)修正。
所謂多普勒效應(yīng)，就是飛機(jī)朝基站高速飛來(lái)的時(shí)候，信號(hào)的頻率會(huì)產(chǎn)生正偏移，越來(lái)越高;而飛機(jī)離基站而去的時(shí)候，信號(hào)的頻率則會(huì)因負(fù)偏移而越來(lái)越低。
據(jù)研究，如果使用4.9GHz頻譜，在飛機(jī)時(shí)速1200km/h時(shí)，頻偏就就已經(jīng)達(dá)到了5MHz，此時(shí)必須通過(guò)基站和CPE的特殊糾正算法來(lái)處理之后，系統(tǒng)才能正常工作。
綜上，通過(guò)一系列地對(duì)空覆蓋技術(shù)，就可以讓地面基站覆蓋天空，讓萬(wàn)米高空暢享5G成為現(xiàn)實(shí)。
前面說(shuō)到的遠(yuǎn)程會(huì)議，高清視頻，甚至云游戲等諸多5G需求都可以流暢進(jìn)行，讓本來(lái)單調(diào)而焦慮的旅途變得更便捷和歡樂(lè)。
