空中Wi—Fi——“飛行”“上網”兩不誤

李會超

著名的馬斯洛需求理論將人類的需求從低到高按層次分為：生理需求、安全需求、社交需求、尊重需求和自我實現需求。現代人在最低的生理需求下又添加了一個“網絡需求”。雖說這只是個玩笑，但也反映了人們對電子設備及網絡的依賴在日益增加。隨著無線網絡的不斷普及，Wi-Fi的覆蓋范圍已經從家庭、辦公室逐漸擴展到了各類公共場所，甚至天空中。國外有些航空公司已經允許乘客在飛機上使用便攜式電子設備，并為其提供空中Wi-Fi，如阿聯酋航空、卡塔爾航空、全日空等。2017年10月我國發布了第五次修訂的《大型飛機公共航空運輸承運人運行合格審定規則》，其中放寬了對于飛機使用便攜式電子設備的管理，允許航空公司對便攜式電子設備的影響進行評估，制定相應的管理政策。這樣看來，未來，乘客有望在飛機上使用便攜式電子設備啦！下面，我們來探尋一下機上Wi-Fi的奧秘，看看這個神奇信號是如何跟隨我們直升云霄的！

Wi-Fi是一種短距離高速無線數據傳輸技術，主要用于無線上網。它可以為手機、平板電腦、筆記本電腦等便攜設備提供一條看不見的網線，使它們能夠通過無線信號接入互聯網。我們知道Wi-Fi信號來自無線路由器，而無線路由器必須通過一定方式與互聯網相連才能產生有效的網絡信號。我們家中使用的無線路由器是通過網線與網絡通信運營商提供的網絡相連的，而萬米高空上的飛機顯然不能拖拽著一條網線飛行。所以，技術人員另尋他路，通過無線電信號幫助民航飛機連上了互聯網，而這種無線電信號主要來自地面基站和衛星。

我們的手機在接打電話、使用數據流量上網時，需要通過網絡通信運營商布置在各個地方的基站來收發無線電信號。在城市里，基站可能布置在高層建筑的樓頂上或者隱藏在辦公樓、居民樓內部的角落中。而在遠離城市的地方，基站則一般架設在高大的鐵塔上。最早的機上Wi-Fi服務就是通過在地面上架設特殊基站來實現的。這種基站接收、發射信號的能力比一般的手機基站更強，能夠向萬米高空發射無線電信號。這種模式一般簡稱為ATG模式（Air to Ground地面基站模式）。在大部分手機使用3G網絡的時代，美國Gogo公司就開始嘗試使用ATG模式，美國的全美航空、聯合航空等都是Gogo公司的客戶。這種方式雖然看起來比較容易實現，但缺點也是顯而易見的。首先，整架飛機獲得的帶寬太低，在3G時代帶寬為3Mbps，在4G時代也不過lOMbps。這樣的帶寬供給一位乘客使用可能剛好合適，但要供整架飛機上幾十甚至幾百位用戶同時上網，網速就相當慢了。其次，基站需要架設在陸地上，因此只能服務在陸地上空飛行的飛機。對于在大洋上空飛行的洲際航線來說，這種方式也就無能為力了。

你們知道為什么我們坐在家里就能看到全國甚至全世界的電視節目嗎？這都要感謝身處太空的通信衛星，正因為有它們轉發電視節目信號，我們才能足不出戶看到來自世界各地的電視節目。與收看電視節目一樣，我們能夠在飛機上接收Wi-Fi信號，也要感謝通信衛星！我們知道同樣一種樂器，可以發出不同的音調，這是因為發聲的頻率決定著音調的高低。無線電在傳輸時，也存在“音調”的不同，也就是頻率的差異。通信業根據無線電頻率的不同，將它們劃分為不同的波段，而不同波段的信號傳輸信息的本領也有差別。飛機通過衛星連接互聯網，最早使用的是L波段。目前，海事衛星電話還在使用L波段衛星通信。不過，這個波段能提供的帶寬很低，每架飛機僅能獲得0.4M的帶寬，且通信價格比較昂貴。因此，在阿聯酋航空、新加坡航空做過一些嘗試后，再沒有其他航空公司使用這個波段。

Ku波段是目前使用最廣的衛星通信波段，我們日常觀看的電視信號一般就是通過這個波段傳輸的。目前，Ku波段衛星通信是實現機上Wi-Fi的主流方案，大多數航空公司都選擇Ku波段衛星實現空中上網。使用Ku波段連網時，每架飛機可以獲得20～40M的帶寬，成本也降低到了航空公司可以接受的程度。目前，國外有多家網絡通信運營商為民航飛機提供使用Ku波段接入互聯網的服務，國內外一些航空公司已經開啟這方面的服務。

雖然前兩種波段已經幫助人類實現空中上網，但人類對網速的追求是永無止境的。為了在萬米高空實現高速上網，人們又發掘了一種新波段——Ka波段。與Ku波段相比，Ka波段可以利用更寬的頻段，配合多波束、頻率復用等新技術，可以使一架飛機的網絡帶寬飆升至400Mbps。同時，使用Ka波段的新一代通信衛星容量更高，一顆衛星可以同時服務的飛機數量較之前的通信方式成倍提升，這為降低機上Wi-Fi的使用成本提供了可能。此外，雖然厚厚的云層或陰雨天氣可能會使Ka波段的信號減弱，但飛機一般飛行在云層之上，所以不會受此影響。國外從2015年開始進行Ka波段的通信試驗，一家機上Wi-Fi服務商還中標了美國政府的項目，為“空軍一號”總統專機和其他高官的政府行政專機安裝相關設備，使乘客可以在飛行過程中使用Ka波段信號上網。

2017年4月12日，我國成功發射了實踐十三號衛星。這顆衛星的一項重要任務就是進行我國自己的Ka波段通信試驗。作為一顆進行初步試驗的衛星，實踐十三號衛星的通信容量就已經達到了20Gbps，超過了我國以往所有通信衛星的通信容量總合。在未來5～ 10年內，我國將發射20多顆Ka波段通信衛星，建立起空中高速通信網絡，單顆衛星的最大通信容量將超過lOOGbps。此外，和衛星同時發射的還有“動中通”（移動中的衛星地面站通信系統）。這項技術可以讓飛機上的衛星天線在快速飛行的過程中，始終對準天空中的對地靜止衛星，從而獲得最佳的通信效果。除了服務民航飛機外，Ka波段的通信技術還可以應用于高鐵列車，讓選擇鐵路出行的旅客能夠在旅途中獲得更好的網絡服務。

2018年1月18日，中國東方航空首次正式開放機上Wi-Fi，成為國內第一個“歡迎開機”的航空公司。因現階段Ka波段技術較新、衛星較少，而Ku波段技術更為成熟，故中國東方航空優先選擇了更為穩定的Ku波段。不過，隨著Ka波段通信衛星的不斷增加和完善，相信空中“沖浪”的速度將會越來越快。

Mbps是什么

M是英文Mega的簡寫，意思是百萬或兆；b是英文bit的簡寫，是表示信息的最小單位，譯為比特；p是英文per的簡寫，是“每”的意思；s是英文second的簡寫，意思是秒。所以Mbps被叫作“兆比特每秒”，表示數據傳輸的速率，反映的是終端設備之間的信息處理能力。

G就是英文Giga的簡寫，意思是十億或千兆。所以Gbps被叫作“千兆比特每秒”或“吉比特每秒”，也是表示數據傳輸速度的單位。