飞机上也能玩手机了，高空中的信号问题怎么解决?

出品| 网易新闻学院

作者| 铁流

想必很多人在出差或旅游中遇到过这样的情况：在飞机、高铁等快速移动的交通工具，或者边远山区、远洋船舶上时，手机信号时断时续，甚至根本就没有信号。在信息时代，这不仅会影响人们的日常工作，还极大地限制了人们的社交和娱乐。

不过，随着中国卫星通信技术的发展，在飞机、高铁上用手机或笔记本电脑接入网络进行商务活动，在远洋游轮上给亲朋好友发邮件，在偏远山区与家人视频聊天将不再遥远。

（环绕地球的通信卫星）

（一）技术限制曾使卫星通信难以普及

一直以来，由于传统的卫星通讯基于C频段（频率在4-8 GHz的无线电波波段）和Ku频段（频率在12-18GHz的无线电波波段），且受到发射功率、天线尺寸等因素的影响，其用户仅局限于军队、政府、金融机构以及一些实力雄厚的跨国公司。

根据信息论的基础理论——香农定理，信息传输能力与带宽和发射功率成正比，与背景噪音功率成反比。如果想把信息传输能力提升上去，比较现实的做法是提升带宽或者信号的发射功率。

1、传统信号频段带宽有限，难以大范围推广使用

一般信道的信号频率都有一个最高值和最低值，处于这两个频率之间的信号才能通过信道，这两个频率的差值就叫做该信道的带宽。比如最高频率900MHz，最低频率880MHz，那么带宽就是20MHz，带宽就好比是公路的宽度。

不过，C频段和Ku频段相对有限，而且非常宝贵，“信息公路”的宽度天然受到限制。而受技术水平限制，信号的发射功率的提升也不是无节制的。因此，无线传输能力会存在一个上限。

当有限的资源面临庞大的用户，例如在机场、宾馆、大礼堂等公共场所，自然遭遇公共WIFI难以接入，或虽然接入但堪称龟速的情况，而这也是无线通信不适合大数据量传输的根本原因。

2、功率和终端尺寸天生是矛盾体

卫星通信还要解决功率和天线的问题。在发射功率不变前提下，距离近可以降低信号衰减，当信息传输距离扩大到海平面和近轨人造卫星的距离，要想实现信息的可靠传输，就必须提升下行功率（卫星信号到手机）和上行功率（手机信号到卫星），而要满足这一标准，会使电子元器件的体积大幅增加，这必然导致射频天线的尺寸根本塞不进当前以轻薄为主打要求的手机中。事实上，原来的卫星通信终端，尺寸都比较大，一般都安装在建筑物上面或者大型的车辆上。

正是因此，卫星通信只能服务少数人，用户数量少又带来价格过高的问题。比如美国当年的铱星计划，铱星移动通信系统最多只能满足50万用户的语音通信，而且由于用户体验非常一般，实际用户远远达不到这个数字，受巨大的研发费用、系统建设费用和维护费用拖累，铱星背上了沉重的债务负担，最终不得不申请破产，由美国军方当了接盘侠。

由此可见，过去的卫星通信只仅仅是作为补充的形式而存在，无法向老百姓提供普适性服务。

（二）高通量卫星技术让中国老百姓有望用上卫星通信系统

2016年8月6日，中国在西昌卫星发射中心成功将天通一号01星发射升空。2017年4月12日，中国在西昌卫星发射中心成功发射实践十三号卫星，卫星完成在轨试验后被命名为中星16号。

（实践十三号卫星于今年4月份成功发射升空）

这两颗卫星对于中国卫星通信而言意义重大，天通一号01星是中国卫星移动通信系统的首发星，也被称为“中国版的海事卫星”，其成功发射标志着中国迈入卫星移动通信的“手机时代”。而中星16号是中国第一颗高通量通信卫星，通信总容量超过20G，真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用。

相对于以往采用C频段和Ku频段卫星通信技术，中星16号的最大特点就是采用了Ka频段宽带通信技术。作为新一代高吞吐量宽带卫星通信系统，Ka频段宽带系统具有传统的 C、Ku 频段卫星通信所不具备的优势。

一是频率资源更丰富。

卫星通信经过多年的发展，目前 L、S、C、Ku 等频段资源基本枯竭。Ka 频段分配给卫星通信可用频率资源为3500MHz，远远大于 C、Ku 频段的 800MHz 带宽。换言之，就是Ka 频段的“信息公路”比 C、Ku 频段更加宽阔。在频率资源更加丰富的情况下，即使信道调制方式不变，卫星通信系统容量也将会大幅提升。

二是多波束。

频率资源非常宝贵，合理高效分配系统资源是重中之重。Ka 频段宽带卫星通信系统普遍采用多点波束、空分复用来扩展系统通信容量。多波束可以实现不同地区的用户使用同一频率而互不干扰，这样一来原本能满足一个用户使用的频率，现在能满足多个用户使用，就实现了频率复用，有效的提升系统通信容量。

（卫星的点波束图）

三是具备大容量。

这个特点是第一个特点和第二个特点共同作用的结果。在丰富的频率资源与多点波束形成了一套“组合拳”，使 Ka频段宽带卫星通信系统的容量相对于以往的卫星通信系统得到数十倍的提升，以美国ViaSat 公司的ViaSat-1、ViaSat-2、ViaSat-3为例，三者的系统容量分别为140Gbit/s、 250Gbit/s、1000Gbit/s。

四是天线体积小。

Ka频段卫星的点波束有较高的 EIRP（有效全向辐射功率，用来表示发射功率的能力）值，在相同尺寸终端天线接收时，能获得比C、Ku 频段更高的天线增益。高增益使得用户终端得到进一步缩小，从而加强了实际应用的便利性和普遍性。

Ka 频段宽带卫星通信系统用户终端尺寸一般在 1550px 到 4500px 之间，诚然，这个指标对于直接把天线塞进智能手机还力有不逮，但已经远远小于 Ku 和 C 波段卫星通信系统终端天线的尺寸，使过去只能安装在建筑物上或者大型的车辆上的卫星通信终端，可以普及安装到普通的家用SUV。

Ka频段宽带通信技术不仅适用于卫星通信系统，在民用航空器、远洋船舶、高铁、车辆等载具上都有广泛的应用前景。

虽然Ka 频段宽带卫星通信系统终端还很难塞进智能手机，但却可以通过另一个方式实现普通用户与卫星直接的通信——在车辆、高铁、船舶、飞机上安装卫星通信系统终端，然后普通用户通过WIFI的形式，用自己的智能手机连接安装在车辆、高铁、船舶、飞机上的卫星通信系统终端，然后就像连接自己家中的WIFI一样，通过通信卫星直接访问互联网。

根据介绍，中国的通信卫星可以支持500人以上通过WIFI直接访问互联网。

（三）Ka频段卫星通信仍然存在短板

不过，中国使用的Ka频段宽带卫星通信仍有许多不足。

一方面，其商业应用还处于起步阶段，军事和政府应用相对偏多一些，Ka频段宽带卫星通信技术进入寻常百姓家依旧需要不少时间。

另一方面，Ka频段卫星通信只是光纤通信的补充，而不会取代现在的光纤通信。就带宽而言，Ka频段明显优于C频段和Ku频段，但还是无法与光纤相比肩。换言之，就是Ka频段的“信息公路”宽度比C频段和Ku频段大很多，信息容量要大很多，但和光纤通信还是不能比——过去卫星通信系统成本相对偏高，容量相对有限的的短板，Ka频段宽带卫星通信技术一样存在，只是这方面的短板有所改观，而非彻底消除短板。

因此，在人口密度高的大城市，并不适合Ka频段宽带通信卫星部署。只有飞机、高铁、船舶等无法铺设光纤的交通工具，或是地广人稀的地区，比如山区、海洋、戈壁、沙漠，由于用户过于稀少、自然条件过于恶劣、光缆铺设和维护成本过于高昂， Ka波段通信卫星才有市场竞争力。

结语：

随着高通量卫星技术的逐渐成熟，相比以往，卫星通信频率资源更丰富、点波束数量不断增加、容量更大而天线体积更小，相信在不远的将来，在国内的航班、高铁、远洋的船舶上，抑或在青藏高原观光时，使用卫星通信系统信号满格通信将会一一实现。

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　　编辑| 史文慧