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如何在萬米高空收到地面5G信號?

中科院半導體所 ? 來源:無線深海 ? 作者:無線深海 ? 2021-01-29 09:41 ? 次閱讀

伴隨著刺耳的轟鳴,一個形如巨鳥的龐然大物,風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。那是因為,他們和世界溝通的窗口——手機,只能處于飛行模式,從緊密連接的網(wǎng)絡,變成了一個個無言的孤島。 請看看他們的內心獨白: “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)就連不上服務器!” 這些強烈的需求,都在呼喚著一個我們早已習以為常的好朋友:5G,你趕緊上天來吧! 其實,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,但由于帶寬小,成本高,自然導致了不菲的價格。因此除了少數(shù)商務人士體驗過之外,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,手機在飛機上能收到信號的話,不就能正常上網(wǎng)了嗎? 聽起來是個好辦法啊!但一細想似乎問題還挺多。 1、基站到底能把信號發(fā)多遠? 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,在5G建網(wǎng)時,到底需要多少基站,需要先進行網(wǎng)絡規(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接收到,并且手機發(fā)射的信號也能成功被基站接收到的最大距離。 一般來說,基站相對手機來說,是一個龐然大物,信號的發(fā)射功率也遠強于手機,因此理論上可以發(fā)射地非常遠。 比如,很多城市在用的電視塔,其實也相當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。 從基站的高度向地球作切線,并延長該線直到和飛機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。 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,但手機只有區(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,上行也非常關鍵。5G手機的發(fā)射功率最多也就0.4瓦,發(fā)出的信號能夠穿梭數(shù)百公里到達基站嗎? 這就引出了下面這個問題。

2、手機在萬米高空能收到地面上基站的信號嗎? 其實是不行的。手機在飛機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?讓飛機代收代發(fā)啊。 通過對飛機進行改造,給機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。

飛機上的天線 飛機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機載CPE 最后,所有用戶的上行數(shù)據(jù)都匯聚到CPE上,再轉換為5G信號,并通過機載天線發(fā)送出去,由地面的基站接收處理,達成了比特生命的閉環(huán)。

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3、飛機飛得這么快,會有多普勒頻移的影響嗎? 會的。但可以通過頻偏補償來修正。 所謂多普勒效應,就是飛機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;而飛機離基站而去的時候,信號的頻率則會因負偏移而越來越低。

據(jù)研究,如果使用4.9GHz頻譜,在飛機時速1200km/h時,頻偏就就已經(jīng)達到了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,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。 前面說到的遠程會議,高清視頻,甚至云游戲等諸多5G需求都可以流暢進行,讓本來單調而焦慮的旅途變得更便捷和歡樂。

原文標題:如何在萬米高空暢享5G?

文章出處:【微信公眾號:中科院半導體所】歡迎添加關注!文章轉載請注明出處。

責任編輯:haq

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