伴随着刺耳的轰鸣,一个形如巨鸟的庞然大物,风驰电掣般地在跑道疾驰,旋即腾空而起,扶摇直上九万里。

 

每天,都有无数这样的庞然大物,运载着“宇宙的精华,万物的灵长”,翱翔在云霄之上的万米高空。

 

但这些乘客却无时无刻不处于焦虑之中。那是因为,他们和世界沟通的窗口——手机,只能处于飞行模式,从紧密连接的网络,变成了一个个无言的孤岛。

 

请看看他们的内心独白:


“本来要和客户开会的,只能推迟了。”


“多想给女朋友视频展示下窗外俯瞰的美景……还是拍些照片吧!”


“在这无聊的几个小时里,要是能玩会游戏该多好,可没有网就连不上服务器!”


这些强烈的需求,都在呼唤着一个我们早已习以为常的好朋友:5G,你赶紧上天来吧!


其实,覆盖全球的通信卫星早已把万米高空网上冲浪变成了现实,但由于带宽小,成本高,自然导致了不菲的价格。因此除了少数商务人士体验过之外,大部分人还是选择了忍耐。

 


这样就给了另外一种思路拓展的空间。那就是:地面上不是有很多的 5G 基站么?如果能把信号朝天上发射,手机在飞机上能收到信号的话,不就能正常上网了吗?
 

听起来是个好办法啊!但一细想似乎问题还挺多。


1、基站到底能把信号发多远?

一般来说,在密集城区,基站的覆盖范围也就是几百米,在偏远地区几公里也就到头了,咋看也不像有覆盖到万米高空的能力。
 

其实,在 5G 建网时,到底需要多少基站,需要先进行网络规划。网规主要从两方面考虑:容量和覆盖。
 

所谓容量,就是要服务一片区域,满足所有人的上网需求的话,需要多少基站才行。由于每个基站的容量是一定的,因此必然能从容量的维度算出来一个基站数量。要正常覆盖一个大城市,所需的地面基站可能就得好几万个。

 

所谓覆盖,就是基站发射的信号在经历过空间传播损耗,各种树木遮挡,障碍物反射折射,最终可以被你的手机接收到,并且手机发射的信号也能成功被基站接收到的最大距离。

 

一般来说,基站相对手机来说,是一个庞然大物,信号的发射功率也远强于手机,因此理论上可以发射地非常远。

 

比如,很多城市在用的电视塔,其实也相当于一个超大号的基站,由于功率大,高度高,一个塔就可以覆盖整个城市。

 

如果把基站的天线对准天上发射信号,由于没有任何遮挡,传播损耗相对较小,信号的传播范围将更为广阔。这就是纯粹的视距直线传播。

 

并且,由于天上的飞机是比较稀疏的,乘客数量也不多,同时上网的人就更少了,因此天空覆盖时,首要考虑的是覆盖而非容量。

 

如下图所示,从基站的高度向地球作切线,并延长该线直到和飞机在天上的巡航高度相同,便得到了基站的天空覆盖半径:d=d1+d2。

 

 

假如飞机的巡航高度为 1.2 万米的话,一个地对空基站的覆盖半径理论上可达 400 公里。再考虑些余量的话,十几个基站就可以覆盖一条航线,覆盖全国也只需几百站点。
 

然而这里还有问题要考虑,基站可以把信号发射地那么远,但手机只有区区一百多克,能力弱鸡,能收到来自数百公里之外的基站信号吗?

 

并且,通信是双向的,下行重要,上行也非常关键。5G 手机的发射功率最多也就 0.4 瓦,发出的信号能够穿梭数百公里到达基站吗?
 

这就引出了下面这个问题。

 

2、手机在万米高空能收到地面上基站的信号吗?

其实是不行的。手机在飞机上不但收不到基站的信号,发出的信号基站也是不可能收到的。

 

这可咋办?让飞机代收代发啊。



通过对飞机进行改造,给机腹部装上高增益的专业天线,就可以和数百公里之外的基站你来我往相互通信了。

 

飞机上的天线



飞机收到基站的信号之后,通过一个叫做 CPE(Customer Premises Equipment)的装备把 5G 信号转换成 wifi 信号,这样所有乘客就都可以连接 wifi 来上网了。

 

5G 机载 CPE


最后,所有用户的上行数据都汇聚到 CPE 上,再转换为 5G 信号,并通过机载天线发送出去,由地面的基站接收处理,达成了比特生命的闭环。

 



3、飞机飞得这么快,会有多普勒频移的影响吗?

会的。但可以通过频偏补偿来修正。

 

所谓多普勒效应,就是飞机朝基站高速飞来的时候,信号的频率会产生正偏移,越来越高;而飞机离基站而去的时候,信号的频率则会因负偏移而越来越低。

 


据研究,如果使用 4.9GHz 频谱,在飞机时速 1200km/h 时,频偏就就已经达到了 5MHz,此时必须通过基站和 CPE 的特殊纠正算法来处理之后,系统才能正常工作。
 

综上,通过一系列地对空覆盖技术,就可以让地面基站覆盖天空,让万米高空畅享 5G 成为现实。
 

前面说到的远程会议,高清视频,甚至云游戏等诸多 5G 需求都可以流畅进行,让本来单调而焦虑的旅途变得更便捷和欢乐。