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WiFi和4G,你咋不上天呢?

来源:科普时报 作者:太空精酿 2017年11月03日 10:18
[导读] 

 






如今,微信和文章里的视频可以随意看,这个过程就是中国移动通信技术的成长之路。从90年代的1G技术、本世纪初的2G技术、2010年前后的3G技术,一直到现在的4G技术,中国作为主要技术牵头者的5G技术也呼之欲出。WiFi的出现,更是让无线网和有线网完美对接起来。

说到这里,大家可能不禁想一个问题:移动通信技术都那么厉害了,它咋不上天呢?生活中只要一上了飞机,大家就被要求关掉手机,到了天上啥信号都没有;一上高铁,有信号就不错了,网上“冲浪”基本奢望。

其实,飞机起飞前后是可以使用基站的,但因为飞机要与指挥台通信,电话可能干扰飞机信号,所以基站通信被禁用,手机都要关机。

然而到了飞机飞行的高度,大概是7000-12000米,显然就没有基站了。北美有往天上“广播”的基站可以服务于手机,可是这个网络需要大量地面基站的建设,且基本只能覆盖国内部分的航线,飞出国境外也无能为力,总体性价比并不高。

而且即使是最新的移动通信技术,在链接超过150公里/小时的终端时就会不稳,对于运动速度动辄超过300公里/小时的高铁而言,速度和质量更是无法保证,而飞机更是一个小时800公里都飞出去了。

为了解决问题,科学家们拿着基站找到了航天工程师。普通的基站显然是不行的,这时就要靠通信卫星了。

事实上,1957年人类发射的首颗卫星Sputnik1就是一个单向通信卫星:它以固定工作频率向地面发射无线电信号(我国首颗卫星东方红一号也是同样道理)。

但仅在一年后,美国就发射了拥有信号中继功能的SCORE卫星,已然能实现信号中继传递。

1960年,美国还发射了一个奇葩的气球卫星Echo 1,转发地面信号。它就像一个巨大的镜子,用来反射信号。

直到今天,人类已经发射了2000多颗通信卫星,它们分布在由低到高的不同轨道上。其中的大部分卫星停留在距离赤道正上空35786千米的高空上,在这里,卫星的运动周期恰好和地球自转完全同步,相当于从地面看“静止”在那里,用来实现信号通讯再合适不过。

而由于站得高看得远,基本上三颗隔120度分布的地球静止通信卫星就可以实现全球通讯。

通信卫星已然发挥出了巨大作用,最典型的就是不受天气、地理和信号基站限制的卫星电话,在人迹罕至的海洋、山区和极地地区有着不可替代的作用,在被灾害破坏的地区也能快速恢复通讯链接。

随着科技进步,新一代高通量通信卫星(HTS,High Throughput Satellite)进入眼帘。按照定义,高通量的名字体现在它比起传统通信卫星信号通量(1 Gbit/s级别)多2倍以上,但实际上这个倍数普遍超过20倍,目前世界最先进的ViaSat-1卫星已经达到了140 Gbit/s级别通量。

这种巨大的进步是因为这种卫星比起传统通信卫星,有几个重大改进:

信号频段更好 传统通信卫星普遍使用4-8GHz的C波段,频率较低且太过拥挤。而高通量通信卫星则广泛使用更高频率的Ku波段(12-18GHz)和Ka波段(27-40GHz),同样的天线能发射的信号强度显著提升,高频信号受电离层影响较小,可用波段宽度也大大增加;这就好比把土路换成了高速公路。

卫星平台提升 随着硬件的进步,卫星的电力系统和导航制导与控制系统等能力大大提升,我国最新型的东方红五号平台已经开始应用国际上最先进的离子电推进技术,使得平台能够支持更多硬件持续更长时间工作;这就好比一辆桑塔纳直接换成了大奔。

转发器数量提高 决定一个通信卫星容量的重量指标是转发器数量,由于新型卫星平台的支持,信号转发器的数量直线上升;这就好比一条单车道的路换成了N车道。

有了高通量通信卫星,就相当于3G和4G这种速度的手机网络搬到天上了。

                                                                                                                                           (作者系代尔夫特理工大学在读博士)



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[责任编辑:kb107]
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