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過去幾十年來，移動通信技術從1G發(fā)展到5G，建設的基站越來越多，網絡覆蓋越來越好，到今天，我們幾乎可以隨時隨地拿起手機上網、刷視頻。
但你有沒有發(fā)現(xiàn)一個問題，不管是3G、4G還是5G，提供的服務質量都不穩(wěn)定，波動較大，導致手機網速有時快，有時慢，甚至有時候明明信號滿格，網速也非常慢。
具體而言，移動通信網絡采用蜂窩式組網，將整個覆蓋區(qū)域劃分為多個呈六邊形的小區(qū)，每個小區(qū)設置一個基站為本小區(qū)覆蓋范圍內的手機提供服務。這樣一來，每個基站可以就近覆蓋，手機可以和最近的小區(qū)之間進行通信。但在每個小區(qū)范圍內，網絡服務質量通常會隨著手機與基站之間的距離加大而下降，造成用戶體驗相差較大，比如，小區(qū)近點、中點與小區(qū)邊緣的網速相差很大。
這是什么原因導致的呢？有沒有什么辦法可以解決這個問題呢？
先讓我們回到1G和2G語音通話時代。
1G網絡采用模擬技術，通過頻分復用的方式將帶寬分配給不同的用戶，不但網絡容量低、保密性差，且網絡極易受到干擾，當手機用戶距離基站較遠時，語音質量就會隨之下降，從而導致每個小區(qū)的有效覆蓋范圍較小。
進入2G時代，GSM采用了數(shù)字技術，引入了低碼率編碼、更先進的糾錯編碼等技術，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量，并使得小區(qū)的有效覆蓋范圍提升。
如上圖，在1G網絡下，用戶的語音質量會隨著手機與基站的距離增大而不斷下降；而在2G網絡下，這一下降趨勢更加平坦，意味著2G基站可以在更大范圍內為用戶提供高質量的語音通話。
同時，由于GSM組網采用頻率復用的方式，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，網絡依然能保障不錯的網絡質量，讓用戶能享受到不錯的語音通話體驗。
但進入3G/4G/5G數(shù)據時代，那些處于小區(qū)邊緣的用戶就不再那么幸運了。
進入3G時代，由于要支持數(shù)據業(yè)務，支持更大的帶寬，為用戶保障更高的上網速率，WCDMA系統(tǒng)采用了碼分多址（CDMA）技術，全網所有小區(qū)使用相同的頻率，從而不再需要頻率復用規(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）會隨著手機與基站之間的距離增大而下降，小區(qū)邊緣的SINR較低，導致用戶在小區(qū)邊緣體驗到的網絡速率遠低于小區(qū)近點或中點。
不僅如此，由于WCMDA網絡本身是一個自干擾系統(tǒng)，隨著小區(qū)的用戶數(shù)增加，網絡業(yè)務量增多，網絡干擾會增大，小區(qū)的有效覆蓋范圍會減小，這就是我們常說的小區(qū)呼吸效應，即小區(qū)覆蓋范圍隨著用戶數(shù)變化而變化。小區(qū)呼吸效應好比很多人在一間房里講話，同時講話的人越多，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誕生的時候，盡管電信業(yè)經常高調的把碼分多址宣傳為新技術、新功能，但當網絡建設完成后，運營商們才發(fā)現(xiàn)，這種新技術實際上讓網絡優(yōu)化和服務保障工作非常頭疼，也成為了移動通信技術發(fā)展到數(shù)據業(yè)務時代面臨的主要挑戰(zhàn)之一。
進入4G和5G時代，為了應對不斷增長的數(shù)據業(yè)務需求，網絡需要更大的帶寬，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，小區(qū)內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”，但在小區(qū)邊緣仍然會受到來自相鄰小區(qū)的干擾，因此，當用戶處于小區(qū)邊緣時，由于相鄰小區(qū)的干擾，加之本身距離基站較遠，SINR仍然會減小，導致小區(qū)邊緣用戶服務質量差、速率低的情況。
簡而言之，進入數(shù)據業(yè)務時代，從3G發(fā)展到5G，盡管蜂窩網絡技術不斷演進，解決了不斷增長的網絡流量需求，但它們存在一個共同的缺陷：網絡服務質量的可變性太大，小區(qū)邊緣速率與小區(qū)中心速率之間的差距太大，無法為每個用戶保障一致性的體驗。
而這一問題比2G GSM語音時代更加突出。
再來說說這個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量。從SINR的定義可知，導致其較差的因素主要有兩個：一是干擾大，有時候我們發(fā)現(xiàn)手機信號滿格，信號接收電平很高，但網速卻非常低，這就是因為干擾大引起的；二是信號接收電平較低，也就是網絡覆蓋較差，比如在小區(qū)邊緣，手機距離基站的距離較遠，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，因為存在干擾較大，也會導致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，信號接收電平就很低呢？主要是因為，建設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發(fā)射信號時會受到建筑物、樹木等各種障礙物阻擋，無線電波經過反射、散射、繞射和透射后信號衰減極大，從而導致我們距離基站較遠時（比如處于小區(qū)邊緣），信號電平會快速下降，甚至有時候即使離基站較近，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？
以目前多家運營商正在試驗的HAPS（High Altitude Platform System，高空平臺）為例，其將基站設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或物聯(lián)網終端提供連接服務。
在這種方式下，無線信號在視距（LOS）環(huán)境下傳播，除了室內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，信號電平越低的問題。
當然，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現(xiàn)實的短板。
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。這個天線非常大，2GHz頻段下要獲得有效的增益，直徑達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)射多個窄波束（可達數(shù)百個），每個波束對應一個小區(qū)，通常每個小區(qū)的半徑約1-2KM，從而在地面形成一片由多個小區(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絡體驗。
因此，“空中基站”不僅可以改善移動網絡的廣域覆蓋，面向未來數(shù)據流量不斷增長，它還能解決3/4/5G網絡長期面臨的挑戰(zhàn)——小區(qū)邊緣體驗差，可讓小區(qū)內的所有用戶，無論其處于什么位置，都能獲得良好的、一致的網絡體驗。這就是行業(yè)正努力探索將基站搬“上天”的主要原因之一。
