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過去幾十年來，移動(dòng)通信技術(shù)從1G發(fā)展到5G，建設(shè)的基站越來越多，網(wǎng)絡(luò)覆蓋越來越好，到今天，我們幾乎可以隨時(shí)隨地拿起手機(jī)上網(wǎng)、刷視頻。
但你有沒有發(fā)現(xiàn)一個(gè)問題，不管是3G、4G還是5G，提供的服務(wù)質(zhì)量都不穩(wěn)定，波動(dòng)較大，導(dǎo)致手機(jī)網(wǎng)速有時(shí)快，有時(shí)慢，甚至有時(shí)候明明信號滿格，網(wǎng)速也非常慢。
具體而言，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)采用蜂窩式組網(wǎng)，將整個(gè)覆蓋區(qū)域劃分為多個(gè)呈六邊形的小區(qū)，每個(gè)小區(qū)設(shè)置一個(gè)基站為本小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)的手機(jī)提供服務(wù)。這樣一來，每個(gè)基站可以就近覆蓋，手機(jī)可以和最近的小區(qū)之間進(jìn)行通信。但在每個(gè)小區(qū)范圍內(nèi)，網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量通常會(huì)隨著手機(jī)與基站之間的距離加大而下降，造成用戶體驗(yàn)相差較大，比如，小區(qū)近點(diǎn)、中點(diǎn)與小區(qū)邊緣的網(wǎng)速相差很大。
這是什么原因?qū)е碌哪兀坑袥]有什么辦法可以解決這個(gè)問題呢？
先讓我們回到1G和2G語音通話時(shí)代。
1G網(wǎng)絡(luò)采用模擬技術(shù)，通過頻分復(fù)用的方式將帶寬分配給不同的用戶，不但網(wǎng)絡(luò)容量低、保密性差，且網(wǎng)絡(luò)極易受到干擾，當(dāng)手機(jī)用戶距離基站較遠(yuǎn)時(shí)，語音質(zhì)量就會(huì)隨之下降，從而導(dǎo)致每個(gè)小區(qū)的有效覆蓋范圍較小。
進(jìn)入2G時(shí)代，GSM采用了數(shù)字技術(shù)，引入了低碼率編碼、更先進(jìn)的糾錯(cuò)編碼等技術(shù)，提升了系統(tǒng)容量、頻譜利用率，以及系統(tǒng)抗干擾能力，大幅提升了用戶通話質(zhì)量，并使得小區(qū)的有效覆蓋范圍提升。
如上圖，在1G網(wǎng)絡(luò)下，用戶的語音質(zhì)量會(huì)隨著手機(jī)與基站的距離增大而不斷下降；而在2G網(wǎng)絡(luò)下，這一下降趨勢更加平坦，意味著2G基站可以在更大范圍內(nèi)為用戶提供高質(zhì)量的語音通話。
同時(shí)，由于GSM組網(wǎng)采用頻率復(fù)用的方式，相鄰小區(qū)之間采用不同的頻率來避免相互干擾，在GSM系統(tǒng)中，即使用戶處于小區(qū)邊緣，網(wǎng)絡(luò)依然能保障不錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，讓用戶能享受到不錯(cuò)的語音通話體驗(yàn)。
但進(jìn)入3G/4G/5G數(shù)據(jù)時(shí)代，那些處于小區(qū)邊緣的用戶就不再那么幸運(yùn)了。
進(jìn)入3G時(shí)代，由于要支持?jǐn)?shù)據(jù)業(yè)務(wù)，支持更大的帶寬，為用戶保障更高的上網(wǎng)速率，WCDMA系統(tǒng)采用了碼分多址（CDMA）技術(shù)，全網(wǎng)所有小區(qū)使用相同的頻率，從而不再需要頻率復(fù)用規(guī)劃，而是通過擾碼規(guī)劃來區(qū)分不同的小區(qū)和避免鄰區(qū)干擾。
這意味著SINR（信號干擾噪聲比）會(huì)隨著手機(jī)與基站之間的距離增大而下降，小區(qū)邊緣的SINR較低，導(dǎo)致用戶在小區(qū)邊緣體驗(yàn)到的網(wǎng)絡(luò)速率遠(yuǎn)低于小區(qū)近點(diǎn)或中點(diǎn)。
不僅如此，由于WCMDA網(wǎng)絡(luò)本身是一個(gè)自干擾系統(tǒng)，隨著小區(qū)的用戶數(shù)增加，網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)量增多，網(wǎng)絡(luò)干擾會(huì)增大，小區(qū)的有效覆蓋范圍會(huì)減小，這就是我們常說的小區(qū)呼吸效應(yīng)，即小區(qū)覆蓋范圍隨著用戶數(shù)變化而變化。小區(qū)呼吸效應(yīng)好比很多人在一間房里講話，同時(shí)講話的人越多，房間里的噪音越大，只能湊近才能聽到對方的聲音。
坦白而言，在3G WCDMA誕生的時(shí)候，盡管電信業(yè)經(jīng)常高調(diào)的把碼分多址宣傳為新技術(shù)、新功能，但當(dāng)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)完成后，運(yùn)營商們才發(fā)現(xiàn)，這種新技術(shù)實(shí)際上讓網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化和服務(wù)保障工作非常頭疼，也成為了移動(dòng)通信技術(shù)發(fā)展到數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)代面臨的主要挑戰(zhàn)之一。
進(jìn)入4G和5G時(shí)代，為了應(yīng)對不斷增長的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，網(wǎng)絡(luò)需要更大的帶寬，所有小區(qū)依然使用相同的頻帶，盡管采用了OFDMA正交頻分多址接入技術(shù)，小區(qū)內(nèi)可通過子載波之間的正交性來避免用戶之間的干擾，不再存在“呼吸效應(yīng)”，但在小區(qū)邊緣仍然會(huì)受到來自相鄰小區(qū)的干擾，因此，當(dāng)用戶處于小區(qū)邊緣時(shí)，由于相鄰小區(qū)的干擾，加之本身距離基站較遠(yuǎn)，SINR仍然會(huì)減小，導(dǎo)致小區(qū)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量差、速率低的情況。
簡而言之，進(jìn)入數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)時(shí)代，從3G發(fā)展到5G，盡管蜂窩網(wǎng)絡(luò)技術(shù)不斷演進(jìn)，解決了不斷增長的網(wǎng)絡(luò)流量需求，但它們存在一個(gè)共同的缺陷：網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量的可變性太大，小區(qū)邊緣速率與小區(qū)中心速率之間的差距太大，無法為每個(gè)用戶保障一致性的體驗(yàn)。
而這一問題比2G GSM語音時(shí)代更加突出。
再來說說這個(gè)SINR，如上所述，SINR指有用信號功率與干擾功率和噪聲功率之和的比值，直接反映接收信號質(zhì)量。從SINR的定義可知，導(dǎo)致其較差的因素主要有兩個(gè)：一是干擾大，有時(shí)候我們發(fā)現(xiàn)手機(jī)信號滿格，信號接收電平很高，但網(wǎng)速卻非常低，這就是因?yàn)楦蓴_大引起的；二是信號接收電平較低，也就是網(wǎng)絡(luò)覆蓋較差，比如在小區(qū)邊緣，手機(jī)距離基站的距離較遠(yuǎn)，信號接收電平很低，SINR值也很小。通常，信號接收電平較高，SINR不一定好，因?yàn)榇嬖诟蓴_較大，也會(huì)導(dǎo)致SINR值較低；但如果信號接收電平很低，SINR必然也差。
那為什么用戶在小區(qū)邊緣時(shí)，信號接收電平就很低呢？主要是因?yàn)椋ㄔO(shè)在地面上的基站鐵塔的高度最高只有幾十米，鐵塔上的天線向手機(jī)發(fā)射信號時(shí)會(huì)受到建筑物、樹木等各種障礙物阻擋，無線電波經(jīng)過反射、散射、繞射和透射后信號衰減極大，從而導(dǎo)致我們距離基站較遠(yuǎn)時(shí)（比如處于小區(qū)邊緣），信號電平會(huì)快速下降，甚至有時(shí)候即使離基站較近，信號接收電平也很低。
好了，講了這么多，我們終于回到正題上，如果把基站從地面搬到空中，能不能解決以上這些問題？
以目前多家運(yùn)營商正在試驗(yàn)的HAPS（High Altitude Platform System，高空平臺）為例，其將基站設(shè)備安裝在距離地面約20KM，位于平流層的飛行平臺上，以空對地的方式向地面的手機(jī)或物聯(lián)網(wǎng)終端提供連接服務(wù)。
在這種方式下，無線信號在視距（LOS）環(huán)境下傳播，除了室內(nèi)覆蓋場景仍需無線信號穿透建筑物，其他場景下的無線傳播路徑幾乎不受障礙物阻擋，且每一臺終端與空中基站的距離幾乎一樣，從而可更好的解決在地面基站環(huán)境下，終端距離基站越遠(yuǎn)，信號電平越低的問題。
當(dāng)然，問題來了，盡管空中基站與地面終端之間處于視距環(huán)境，信號傳播損耗較小，但由于兩者之間的距離在20KM以上，終端的發(fā)射功率和上行鏈路損耗是制約空中基站走進(jìn)現(xiàn)實(shí)的短板。
問題也是可以解決的，目前業(yè)界的做法是采用大口徑、高增益的有源天線，通過獲得約30dB的接收增益來提升上行鏈路能力。這個(gè)天線非常大，2GHz頻段下要獲得有效的增益，直徑達(dá)3米左右。
這種大規(guī)模有源天線也支持窄波束發(fā)射，其通過向地面發(fā)射多個(gè)窄波束（可達(dá)數(shù)百個(gè)），每個(gè)波束對應(yīng)一個(gè)小區(qū)，通常每個(gè)小區(qū)的半徑約1-2KM，從而在地面形成一片由多個(gè)小區(qū)組成的連續(xù)覆蓋區(qū)域。
由于這些窄波束對干擾有良好的抑制能力，加之在空對地場景下每一臺終端與空中基站的距離基本相等，這就可以更好的解決SINR隨著終端與基站之間的距離加大而快速下降的問題，讓地面上處于不同位置的終端都能獲得良好的SINR，為所有用戶帶來一致的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。
因此，“空中基站”不僅可以改善移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的廣域覆蓋，面向未來數(shù)據(jù)流量不斷增長，它還能解決3/4/5G網(wǎng)絡(luò)長期面臨的挑戰(zhàn)——小區(qū)邊緣體驗(yàn)差，可讓小區(qū)內(nèi)的所有用戶，無論其處于什么位置，都能獲得良好的、一致的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)。這就是行業(yè)正努力探索將基站搬“上天”的主要原因之一。
