基站为什么要“上天”？

来源：网优雇佣军

过去几十年来，移动通信技术从1G发展到5G，建设的基站越来越多，网络覆盖越来越好，到今天，我们几乎可以随时随地拿起手机上网、刷视频。

但你有没有发现一个问题，不管是3G、4G还是5G，提供的服务质量都不稳定，波动较大，导致手机网速有时快，有时慢，甚至有时候明明信号满格，网速也非常慢。

具体而言，移动通信网络采用蜂窝式组网，将整个覆盖区域划分为多个呈六边形的小区，每个小区设置一个基站为本小区覆盖范围内的手机提供服务。这样一来，每个基站可以就近覆盖，手机可以和最近的小区之间进行通信。但在每个小区范围内，网络服务质量通常会随着手机与基站之间的距离加大而下降，造成用户体验相差较大，比如，小区近点、中点与小区边缘的网速相差很大。

这是什么原因导致的呢？有没有什么办法可以解决这个问题呢？

先让我们回到1G和2G语音通话时代。

1G网络采用模拟技术，通过频分复用的方式将带宽分配给不同的用户，不但网络容量低、保密性差，且网络极易受到干扰，当手机用户距离基站较远时，语音质量就会随之下降，从而导致每个小区的有效覆盖范围较小。

进入2G时代，GSM采用了数字技术，引入了低码率编码、更先进的纠错编码等技术，提升了系统容量、频谱利用率，以及系统抗干扰能力，大幅提升了用户通话质量，并使得小区的有效覆盖范围提升。

如上图，在1G网络下，用户的语音质量会随着手机与基站的距离增大而不断下降；而在2G网络下，这一下降趋势更加平坦，意味着2G基站可以在更大范围内为用户提供高质量的语音通话。

同时，由于GSM组网采用频率复用的方式，相邻小区之间采用不同的频率来避免相互干扰，在GSM系统中，即使用户处于小区边缘，网络依然能保障不错的网络质量，让用户能享受到不错的语音通话体验。

但进入3G/4G/5G数据时代，那些处于小区边缘的用户就不再那么幸运了。

进入3G时代，由于要支持数据业务，支持更大的带宽，为用户保障更高的上网速率，WCDMA系统采用了码分多址（CDMA）技术，全网所有小区使用相同的频率，从而不再需要频率复用规划，而是通过扰码规划来区分不同的小区和避免邻区干扰。

这意味着SINR（信号干扰噪声比）会随着手机与基站之间的距离增大而下降，小区边缘的SINR较低，导致用户在小区边缘体验到的网络速率远低于小区近点或中点。

不仅如此，由于WCMDA网络本身是一个自干扰系统，随着小区的用户数增加，网络业务量增多，网络干扰会增大，小区的有效覆盖范围会减小，这就是我们常说的小区呼吸效应，即小区覆盖范围随着用户数变化而变化。小区呼吸效应好比很多人在一间房里讲话，同时讲话的人越多，房间里的噪音越大，只能凑近才能听到对方的声音。

坦白而言，在3G WCDMA诞生的时候，尽管电信业经常高调的把码分多址宣传为新技术、新功能，但当网络建设完成后，运营商们才发现，这种新技术实际上让网络优化和服务保障工作非常头疼，也成为了移动通信技术发展到数据业务时代面临的主要挑战之一。

进入4G和5G时代，为了应对不断增长的数据业务需求，网络需要更大的带宽，所有小区依然使用相同的频带，尽管采用了OFDMA正交频分多址接入技术，小区内可通过子载波之间的正交性来避免用户之间的干扰，不再存在“呼吸效应”，但在小区边缘仍然会受到来自相邻小区的干扰，因此，当用户处于小区边缘时，由于相邻小区的干扰，加之本身距离基站较远，SINR仍然会减小，导致小区边缘用户服务质量差、速率低的情况。

简而言之，进入数据业务时代，从3G发展到5G，尽管蜂窝网络技术不断演进，解决了不断增长的网络流量需求，但它们存在一个共同的缺陷：网络服务质量的可变性太大，小区边缘速率与小区中心速率之间的差距太大，无法为每个用户保障一致性的体验。

而这一问题比2G GSM语音时代更加突出。

再来说说这个SINR，如上所述，SINR指有用信号功率与干扰功率和噪声功率之和的比值，直接反映接收信号质量。从SINR的定义可知，导致其较差的因素主要有两个：一是干扰大，有时候我们发现手机信号满格，信号接收电平很高，但网速却非常低，这就是因为干扰大引起的；二是信号接收电平较低，也就是网络覆盖较差，比如在小区边缘，手机距离基站的距离较远，信号接收电平很低，SINR值也很小。通常，信号接收电平较高，SINR不一定好，因为存在干扰较大，也会导致SINR值较低；但如果信号接收电平很低，SINR必然也差。

那为什么用户在小区边缘时，信号接收电平就很低呢？主要是因为，建设在地面上的基站铁塔的高度最高只有几十米，铁塔上的天线向手机发射信号时会受到建筑物、树木等各种障碍物阻挡，无线电波经过反射、散射、绕射和透射后信号衰减极大，从而导致我们距离基站较远时（比如处于小区边缘），信号电平会快速下降，甚至有时候即使离基站较近，信号接收电平也很低。

好了，讲了这么多，我们终于回到正题上，如果把基站从地面搬到空中，能不能解决以上这些问题？

以目前多家运营商正在试验的HAPS（High Altitude Platform System，高空平台）为例，其将基站设备安装在距离地面约20KM，位于平流层的飞行平台上，以空对地的方式向地面的手机或物联网终端提供连接服务。

在这种方式下，无线信号在视距（LOS）环境下传播，除了室内覆盖场景仍需无线信号穿透建筑物，其他场景下的无线传播路径几乎不受障碍物阻挡，且每一台终端与空中基站的距离几乎一样，从而可更好的解决在地面基站环境下，终端距离基站越远，信号电平越低的问题。

当然，问题来了，尽管空中基站与地面终端之间处于视距环境，信号传播损耗较小，但由于两者之间的距离在20KM以上，终端的发射功率和上行链路损耗是制约空中基站走进现实的短板。

问题也是可以解决的，目前业界的做法是采用大口径、高增益的有源天线，通过获得约30dB的接收增益来提升上行链路能力。这个天线非常大，2GHz频段下要获得有效的增益，直径达3米左右。

这种大规模有源天线也支持窄波束发射，其通过向地面发射多个窄波束（可达数百个），每个波束对应一个小区，通常每个小区的半径约1-2KM，从而在地面形成一片由多个小区组成的连续覆盖区域。

由于这些窄波束对干扰有良好的抑制能力，加之在空对地场景下每一台终端与空中基站的距离基本相等，这就可以更好的解决SINR随着终端与基站之间的距离加大而快速下降的问题，让地面上处于不同位置的终端都能获得良好的SINR，为所有用户带来一致的网络体验。

因此，“空中基站”不仅可以改善移动网络的广域覆盖，面向未来数据流量不断增长，它还能解决3/4/5G网络长期面临的挑战——小区边缘体验差，可让小区内的所有用户，无论其处于什么位置，都能获得良好的、一致的网络体验。这就是行业正努力探索将基站搬“上天”的主要原因之一。

（声明：本文仅代表作者观点，不代表新浪网立场。）