如何在万米高空畅享5G？

题图来自东方IC《中国机长》剧照，本文来自微信公众号：无线深海（ID：wuxian_shenhai）

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。

一、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。

二、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。

三、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。

本文来自微信公众号：无线深海（ID：wuxian_shenhai）

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