WiFi和4G，你咋不上天呢？
作者：太空精酿（代尔夫特理工大学在读博士）
相信像笔者一样的80后们，对使用手机会有这种人生体验：
小时候，模仿香港电影里老大掏出“大哥大”的一瞬间，天啊帅到会自爆有没有？
上大学时，只有跟女神交流时，才舍得动用那宝贵的包月120条短信套餐；
刚工作时，看到文章开头“慎点，本文有视频/X张图，土豪请随意”后默默关掉；
如今，微信和文章里的视频随意开，月底还在吐槽运营商：“为啥用不完的流量不能累积到下个月？”
这个过程就是中国移动通信技术一代一代的成长之路，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，而且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，地球也因此成为人类唯一的家园，因为它是唯一一个拥有WiFi的星球……
太阳系大家族和我们唯一的家园地球 ©NASA
在世界范围内，中国恐成这次技术升级的最大赢家，依靠手机终端（华为、中兴、小米、联想、Vivo、Oppo）和应用（阿里巴巴、腾讯、百度、新浪）崛起的一系列手机和互联网公司成为中国民营企业走向世界的典型代表，也是中国经济发展的新动力。
说到这里，大家可能不禁想问一个问题：移动通信技术都那么厉害了，它咋不上天呢？
这问题背后是大家满满的心酸啊，因为生活中只要一上了飞机，大家就被要求关掉手机，到了天上也啥信号都没有；一上了高铁，只能庆幸有信号就不错了，网上“冲浪”基本奢望。
这是为啥？
因为在地面上，大家能使用这种“人人喊打”的基站啊！
拜“基站辐射有害身体健康”这个著名的谣言所赐，世界各地大爷大妈们对基站一直抱有战天战地战人生的斗志。为了应对，各国都有让人惊奇的基站伪装技术：
它们藏在路标、“空调”、棕榈树、仙人掌、路灯甚至旗杆里……
而你也一定懂得，每当大爷大妈们成功发现它们之时，就是你手机丢失信号之时。
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。
这里比云层都高，运营商们纷纷表示“让宝宝们上天”真得做不到啊。
北美有那种往天上“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，这让我该咋连？
通信卫星：把基站送上天
提出问题的是群众，解决问题的是科学家！
为了解决问题，科学家们拿着基站找到了航天工程师：要不，你们帮帮忙把它们送上天？
普通的基站显然是不行的，这时就要靠通信卫星了，咱先讲讲它的发展历史。
事实上，1957年人类发射的首颗卫星Sputnik 1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）。
Sputnik 1的复制品 ©维基百科
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。
巨大的“气球”通信卫星Echo 1 ©NASA
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。
因为从理论上讲，在地球上任何一点，卫星电话都是可以直接使用的，而且可以跳过任何中间服务商（这也是为什么在绝大部分国家卫星电话是必须有授权的，否则可能用来从事谍报活动，属于违法行为）。
汶川地震中，抗灾英雄们从5000米高空跳伞救灾 ©中国军网
汶川地震后，由于通信基站破坏严重，我们失去了与震中地区的通讯联系。解放军首批15名伞兵空降茂县，在随后的7天里，他们徒步了220公里。他们还用携带的卫星电话第一时间报告了灾区的第一手信息，对救灾起到了巨大作用。同样的事情基本会出现在任何一个重大灾难中，世界各地皆是如此。
但传统的通信卫星受限于有效载荷重量、转发器数量、电源供应、信号波段和频率等，总信号容量有限。由于信号容量太小，打电话发电视信号还可以，但大规模传递信号（多用户上网）则黔驴技穷；信号宝贵，价格极高，基本上卫星电话收费都要一分钟10美元计，而一个卫星电话终端价格也要以万计。
而且，这些卫星，相当于只能把地面的1G和2G网络搬到了天上。
高通量通信卫星：将3G/4G搬上了天
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：
1. 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。
2. 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。
3. 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。
好了，我们可以想一下，是在一条单车道的土路上开桑塔纳爽，还是在一条双向N车道的高速公路上开奔驰体验好？
高通量通信卫星带来的好处还有，体验感（上网速度）大大提升，耗油量（上网费用）却大大降低。
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。
在这种前提下，不少航空公司已经推出了空中上网服务，在对客机进行改装后，可以接收高通量通信卫星信号，在客舱内装置一个路由器，就可以提供高至平流层的WiFi服务了。
但由于目前高通量通信卫星依然数量较少，所以上网费用很高，而且速度与地面依然没法比。
中国首颗高通量通信卫星——实践十三号
作为航天大国的中国自然也稳稳跟着世界航天的脚步，我国在2017年4月12日就发射了中国首颗高通量通信卫星实践十三号。它使用了Ka波段多波束宽带通信系统，也搭载了先进的激光通信系统，还使用了电推进长期维持轨道。通信总容量达到20 Gbit/s，超过了中国以往所有通信卫星容量总和。
实践十三/中星十六号360度图片 ©中国航天科技集团
随着几个月的完美调试，目前实践十三号已经进入使用状态，并已经正式更名为中星十六号投入使用。预计它可以为中国的2000多架民航客机、3000多辆高速列车和数万艘轮船，随时随地提供高速WiFi上网服务。中国制造的加入，预计也将打破国际垄断，使国际上同类通信资费标准大大下降，造福越来越多用户。
而我国首次采用最新的东方红五号通信卫星平台、离子电推进、世界最大（重达惊人的7吨）的通信卫星实践十八号，更是将通信总容量提升到了70 Gbit/s，甚至远远超过了实践十三号/中星十六号。
遗憾的是，这颗卫星在今年七月的火箭发射中不幸被毁，但相信下一颗相同卫星、甚至更多新型卫星将会很快升空，到那时或许小伙伴们都可以在飞机和高铁上惬意地上网娱乐了。
本文由科普中国融合创作出品，代尔夫特理工大学在读博士太空精酿制作，中国科学院计算机网络信息中心监制。“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。
（文章首发于科学大院，转载请联系cas@cnic.cn）
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