如何在萬米高空暢享5G?
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伴隨著刺耳的轟鳴,一個形如巨鳥的龐然大物,風(fēng)馳電掣般地在跑道疾馳,旋即騰空而起,扶搖直上九萬里。
每天,都有無數(shù)這樣的龐然大物,運(yùn)載著“宇宙的精華,萬物的靈長”,翱翔在云霄之上的萬米高空。
但這些乘客卻無時無刻不處于焦慮之中。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),變成了一個個無言的孤島。
請看看他們的內(nèi)心獨(dú)白:
“本來要和客戶開會的,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!”
“在這無聊的幾個小時里,要是能玩會游戲該多好,可沒有網(wǎng)就連不上服務(wù)器!”
這些強(qiáng)烈的需求,都在呼喚著一個我們早已習(xí)以為常的好朋友:5G,你趕緊上天來吧!
其實(shí),覆蓋全球的通信衛(wèi)星早已把萬米高空網(wǎng)上沖浪變成了現(xiàn)實(shí),但由于帶寬小,成本高,自然導(dǎo)致了不菲的價格。因此除了少數(shù)商務(wù)人士體驗(yàn)過之外,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?如果能把信號朝天上發(fā)射,手機(jī)在飛機(jī)上能收到信號的話,不就能正常上網(wǎng)了嗎?
聽起來是個好辦法啊!但一細(xì)想似乎問題還挺多。
1、基站到底能把信號發(fā)多遠(yuǎn)?
一般來說,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米高空的能力。
其實(shí),在5G建網(wǎng)時,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。由于每個基站的容量是一定的,因此必然能從容量的維度算出來一個基站數(shù)量。要正常覆蓋一個大城市,所需的地面基站可能就得好幾萬個。
所謂覆蓋,就是基站發(fā)射的信號在經(jīng)歷過空間傳播損耗,各種樹木遮擋,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)射的信號也能成功被基站接收到的最大距離。
一般來說,基站相對手機(jī)來說,是一個龐然大物,信號的發(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)于一個超大號的基站,由于功率大,高度高,一個塔就可以覆蓋整個城市。
如果把基站的天線對準(zhǔn)天上發(fā)射信號,由于沒有任何遮擋,傳播損耗相對較小,信號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,同時上網(wǎng)的人就更少了,因此天空覆蓋時,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1.2萬米的話,一個地對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,十幾個基站就可以覆蓋一條航線,覆蓋全國也只需幾百站點(diǎn)。
然而這里還有問題要考慮,基站可以把信號發(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,能收到來自數(shù)百公里之外的基站信號嗎?
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)出的信號能夠穿梭數(shù)百公里到達(dá)基站嗎?
這就引出了下面這個問題。
2、手機(jī)在萬米高空能收到地面上基站的信號嗎?
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,發(fā)出的信號基站也是不可能收到的。
這可咋辦?讓飛機(jī)代收代發(fā)啊。
通過對飛機(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我往相互通信了。
飛機(jī)上的天線
飛機(jī)收到基站的信號之后,通過一個叫做CPE(Customer Premises Equipment)的裝備把5G信號轉(zhuǎn)換成wifi信號,這樣所有乘客就都可以連接wifi來上網(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,并通過機(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,會有多普勒頻移的影響嗎?
會的。但可以通過頻偏補(bǔ)償來修正。
所謂多普勒效應(yīng),就是飛機(jī)朝基站高速飛來的時候,信號的頻率會產(chǎn)生正偏移,越來越高;而飛機(jī)離基站而去的時候,信號的頻率則會因負(fù)偏移而越來越低。
據(jù)研究,如果使用4.9GHz頻譜,在飛機(jī)時速1200km/h時,頻偏就就已經(jīng)達(dá)到了5MHz,此時必須通過基站和CPE的特殊糾正算法來處理之后,系統(tǒng)才能正常工作。
綜上,通過一系列地對空覆蓋技術(shù),就可以讓地面基站覆蓋天空,讓萬米高空暢享5G成為現(xiàn)實(shí)。
前面說到的遠(yuǎn)程會議,高清視頻,甚至云游戲等諸多5G需求都可以流暢進(jìn)行,讓本來單調(diào)而焦慮的旅途變得更便捷和歡樂。