出品：科普中国
制作：铁流
监制：中国科学院计算机网络信息中心
中国开建高通量卫星网络 将实现高通飞机高速上网
想必很多人在出差或旅游中都遇到过这样的情况，那就是在飞机、高铁等快速移动的交通工具，或者在边远山区、远洋船舶上时手机信号也是时断时续，甚至根本就没有信号。在信息时代，当互联网已经融入人们的生活之际，手机信号时断时续不仅会影响人们的日常工作，还极大的限制了人们的社交和娱乐。
不过，随着中国卫星通信技术的进一步发展，在飞机、高铁上将手机或笔记本电脑接入网络进行商务活动，在远洋游轮上给亲朋好友发邮件，在偏远山区与家人视频聊天将不再遥远。
技术限制使卫星通信难以普及
一直以来，传统的卫星通讯基于C频段和Ku频段，而且受到发射功率，天线尺寸等因素的影响，能够满足普通老百姓日常使用的普适性卫星通信网络在技术上难度很大，截至目前，卫星通信的用户基本锁定于军队、政府、金融机构，以及一些实力雄厚的跨国公司。
香农定理是信息论的基础理论，根据香农定理，信息传输能力与带宽和发射功率成正比，与背景噪音功率成反比。这里先解释一下带宽，一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率，只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽。比如最高频率是900MHz，最低频率是880MHz，那么带宽就是20MHz。用来打个比喻的话，带宽好比是公路的宽度。
中国高通量卫星技术取得突破
2017年4月12日，中国在西昌卫星发射中心采用长征三号乙运载火箭成功发射实践十三号卫星，卫星完成在轨试验后被命名为中星16号。2016年8月6日，中国在西昌卫星发射中心成功将天通一号01星发射升空。
这两颗卫星对于中国卫星通信而言意义重大，中星16号是中国第一课高通量通信卫星，通信总容量超过20G，真正意义上实现了自主通信卫星的宽带应用。而天通一号01星则是中国卫星移动通信系统的首发星，也被称为“中国版的海事卫星”， 其成功发射标志着我国迈入卫星移动通信的“手机时代”。
相对于以往采用C频段和Ku频段卫星通信技术，中星16号的最大特点就是采用了Ka频段宽带通信技术。作为新一代高吞吐量宽带卫星通信系统，Ka频段宽带系统具有传统的 C、Ku 频段卫星通信所不具备的优势。
一是频率资源更丰富。卫星通信经过多年的发展，目前 L、S、C、Ku 等频段资源基本枯竭。Ka 频段分配给卫星通信可用频率资源为3500MHz，远远大于 C、Ku 频段的 800MHz 带宽。换言之，就是Ka 频段的“信息公路”比 C、Ku 频段更加宽阔。在频率资源更加风度的情况下，即使在信道调制方式不变的前提下，卫星通信系统容量也将会大幅提升。
二是多点波束。为了满足日益增长的通信带宽需求，Ka 频段宽带卫星通信系统普遍采用多点波束、空分复用来扩展系统通信容量。具体来说， Eutelsat 公司的 Ka-Sat 配置了 82 点波束，Viasat 公司 Viasat-1 卫星具有 72 个点波束，Ka频段宽带卫星通信系统的点波束数量不断增加。
三是具备大容量。其实第三个特点是第一个特点和第二个特点共同作用的结果。在丰富的频率资源与多点波束形成了一套“组合拳”，使 Ka频段宽带卫星通信系统的容量相对于以往的卫星通信系统得到数十倍的提升，以美国美国ViaSat 公司的ViaSat-1、ViaSat-2、ViaSat-3为例，三者的系统容量分别为140Gbit/s、 250Gbit/s、1000Gbit/s。
四是天线体积小。Ka频段卫星的点波束有较高的 EIRP值，在相同尺寸终端天线接收时，能获得比C、Ku 频段更高的天线增益。高增益使得用户终端得到进一步缩小，从而加强了实际应用的便利性和普遍性。Ka 频段宽带卫星通信系统用户终端尺寸一般在 62cm 到 180cm 之间，诚然，这个指标对于直接把天线塞进智能手机还力有不逮，但已经远远小于 Ku 和 C 波段卫星通信系统终端天线的尺寸。使过去只能安装在建筑物上面或者大型的车辆上的卫星通信终端，普通的家用SUV就可以安装。
老百姓有望使用卫星通信系统
Ka频段宽带通信技术不仅适用于卫星通信系统，在民用航空器、远洋船舶、高铁、车辆等载具上都有广泛的应用前景。
虽然Ka 频段宽带卫星通信系统终端还很难塞进智能手机中，但却可以通过另一个方式实现普通用户与卫星直接的通信——在车辆、高铁、船舶、飞机上安装卫星通信系统终端，然后普通用户通过WIFI的形式，用自己的智能手机连接上安装在车辆、高铁、船舶、飞机上卫星通信系统终端，然后就像连接自己家中的WIFI一样，通过通信卫星直接访问互联网。
根据航天科技集团五院高级工程师张阁表示：目前我们的这个设备，是支持500人以上的，就是你在一个豪华油轮上，装了这么一个设备，全船的人都可以通过WIFI，直接访问互联网。
不过，看到成绩的同时，也要看到不足。
在人口密度高的大城市，并不适合Ka频段宽带通信卫星部署。只有飞机、高铁、船舶等无法铺设光纤的交通工具，或是地广人稀的地区，比如山区、海洋、戈壁、沙漠，由于用户过于稀少、自然条件过于恶劣、维护成本过于高昂，铺设光缆的建设和维护的成本高于部署Ka波段通信卫星。在这种情况下，Ka波段通信卫星才有市场竞争力。
我们可以憧憬，在不远的将来，我们可以在国内的航班、高铁上使用卫星通信系统与同事交流工作，在青藏高原观光时使用卫星通信系统与朋友分享祖国自然风光的壮美，在远洋的船舶上使用卫星通信系统与家人报平安。
谷歌卫星WIFI破产
有媒体报道谷歌推进全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划，“已将6颗卫星送上太空，今年也会陆续有60枚类似的卫星升空……向全球提供无死角的网路覆盖向全球提供无盲区、无死角的免费无线网络服务，任何人不管身处高山、大漠、极地还是海洋，只要手持一部价值不过数十美元的中继转发器，即可上网。”
该消息发布后，有人评论，“墙要倒了”、“三大运营商要完”，更有人声称，“这是件大好事，虚拟世界就是要绝对自由”。然而实际上，该新闻很有可能是假新闻，而且谷歌所谓的全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划的实际效果恐怕很难达到其在2014年宣称的水平。
很可能是假新闻
“搭载6颗Google卫星的火箭于美国西部时间3月27日4点30分升空，谷歌计划将在今年发射60颗卫星”，这个消息也仅仅出现在中文媒体，欧美媒体鲜有此事的相关报道。因此，笔者推测，所谓“谷歌发射6卫星，推进全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划”很有可能是假新闻。
不过，虽然谷歌发射6颗卫星的消息有可能是假新闻，但是全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划确有其事。
2014年，据《华尔街日报》报道，谷歌计划花费超过10亿美元来部署数百个近地轨道卫星，为全球偏远地区的居民提供互联网接入服务。该卫星WIFI项目负责人是格雷格·维勒——雷格·维勒是O3b Networks公司创始人，O3b Networks公司是一家全球卫星服务提供商，以租用卫星的方式，为新兴市场的电信运营商、互联网服务提供商、企业及政府客户运营新一代卫星网络。在2014年O3b Networks公司曾就计划以12颗在中地球轨道的卫星提供网络服务，并计划于2018年向太空发射648颗卫星，以提供更快速、范围更广的互联网接入服务。
在2014年O3b Networks公司曾就着手以12颗在中地球轨道的卫星提供网络服务
可以说，谷歌卫星通信方面是缺乏技术积累的，要推进全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划，恐怕很大程度上要仰仗雷格·维勒等专业人才。不过，谷歌和雷格·维勒相处的并不好，雷格·维勒在上任数月后就离职，而全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划进度也异常缓慢，不排除该计划已经处于僵尸状态。
什么是香农定理
笔者认为，即便谷歌将全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划做成，也很难达到当年宣称的水平，原因在于香农定理。
1924年，奈奎斯特针对无噪声的理想信道，提出了奈奎斯特定理，并指出当所有其他条件相同时，信道带宽加倍则数据传输速率也加倍。但实际上无噪声的情况是不存在的，因此奈奎斯特定理只能用来计算理论值。
1948年，香农针对存在噪声的情况，基于奈奎斯特的技术成果，明确了在有随机噪声干扰的情况计算信道最大数据传输速率。
香农定理用数学公式来表示则是：
C=W*log2*(1+S/N)
其中C是可得到的传输速度（空口速率），W是带宽（一般信道都有一个最高的信号频率和最低的信号频率，只有在这两个频率之间的信号才能通过这个信道，这两个频率的差值就叫做这个信道的带宽。比如最高频率是900Mhz，最低频率是880Mhz，那么带宽就是20Mhz），S是平均信号功率，N是平均噪声功率，S/N也就是信噪比。
也就是说信息传输速度与带宽和信噪比成正比，但是由于带宽非常宝贵，资源有限，且功率不可能无限大，因此信息传输速度会有一个上限。
恰恰是香农定理的客观存在，导致谷歌的卫星WIFI不可能具有普适性，只能小范围使用；现有的手机也无法接入卫星WIFI。
普通手机无法接入卫星WIFI
谷歌全球免费无线网络本质上是把WIFI热点装到近轨卫星和无人机上，并用180颗卫星完成全球覆盖。
但是WIFI技术源于计算机网络技术，本来就是基于近距离通信场景设计的，在实际使用中，如果距离足够近，在有限功率的情况下能够取得比较好的信噪比（发射功率不变前提下，距离近可以降低信号衰减）。但是如果在功率有限的情况下，且距离较远，比如海平面和近轨人造卫星的距离，那么，信噪比就会很糟糕，而根据香农定理，就不可能实现可靠的传输，而这也是为什么WIFI覆盖范围非常有限的根源。
因此，若要实现全球免费无线网络，就必须提升下行功率（卫星信号到手机）和上行功率（手机信号到卫星），虽然下行功率相对好解决，但上行功率——要让手机发射的上行功率能被人造卫星接受，这又是一项新的挑战——普通手机的功率和天线根本无法法满足必须的上行功率门槛，像北斗通信终端这种能够实现向人造卫星发短信的通信终端，其天线根本塞不进以轻薄为主打要求的手机中。
无法做到普适性服务
根据香农定理，若要提高传输速度，要么提升频谱带宽（公式中的W），要么提升信噪比（公式中的S/N）。但是频谱资源是非常宝贵，且非常有限的，加上功率不可能无限制增强，必然导致信噪比也是受限制的。
因此，根据香农定理，无线传输速度也会有一个上限，而有限的资源面临庞大的用户，自然会导致WIFI信号用的人一多就卡，甚至会出现无法接入的情况——在机场、宾馆、大礼堂等公共场所，经常遭遇公共WIFI始终难以接入，或虽然接入，但堪称龟速的情况。同样的情况也会出现在蜂窝通信中，而这也是无线通信不适合大数据量传输的根本原因。
实际上，全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划仅仅是听起来很美，受制于带宽、功率、噪音和客观技术水平，加上香农定理这一客观自然规律，卫星WIFI的通信能力非常有限，根本无法满足全球60亿人的通信需求。目前，卫星WIFI根本不可能满足普适性的要求——不要说北京、上海这样3000万人口的城市，就是一座几十万人口的小城市也足以让卫星WIFI瘫痪。
虽然WIFI、LTE等被媒体炒得火热，但有线通信才是数据传输的大动脉，所谓5G通信也是“有线+无线”的形式实现数据的高速传输。
只适用于地广人稀的场景
从实践上看，现有的卫星通信根本不可能像LTE那样满足广大人民群众的通信需求。
以摩托罗拉当年悲剧的铱星计划、Outernet和欧洲商用卫星通信为例。
铱星移动通信系统采用66颗功率为1200瓦卫星，等于是将地面蜂窝移动电话系统搬到卫星上。受之前提到过的客观条件的限制，当初的铱星移动通信系统最多只能满足50万用户的语音通信（仅仅是语音通话）。但在实际操作中，实际用户远远达不到这个数字，用户少就意味着收益低，加上巨大的研发费用和系统建设费用（铱星系统耗资达50多亿美元，每年光系统的维护费就要几亿美元），使铱星背上了沉重的债务负担，最终不得不申请破产，由美国军方当了接盘侠。
Outernet仅仅是一个计划，相比于谷歌的卫星WIFI，进度更为缓慢——目前还没有一颗用于这个计划的卫星被送上天，甚至连测试都没开始。该项目的官网资料显示：Outernet初衷是用来为那些偏远、落后、无法上网的地区，提供一种“广播式”网络覆盖，而且功能仅仅限于收听，信息传递是单向的——有点类似于把广播电台放到卫星上，而手机相当于一个收音机。笔者猜测，Outernet之所以只能收听，而不能上传，很有可能就是之前提到的普通手机的功率和天线无法接入卫星。
虽然欧盟为部分地区提供了卫星上网服务，但依然无法提供普适性服务，一旦面向全民开放，十有八九会导致卫星通信网络瘫痪。
综上所述，无论是从理论上，还是实践上讲，谷歌的全球免费无线网络（Wifi）覆盖要实现报道中所宣称的“向全球提供无盲区、无死角的免费无线网络服务，任何人不管身处高山、大漠、极地还是海洋，只要手持一部价值不过数十美元的中继转发器，即可上网”，以现阶段的技术水平而言，其可行性非常低，是忽悠的成分也非常大。
不过谷歌也并非完全是忽悠，至少在地广人稀的场景能得到应用，特别是在南极、北极、撒哈拉沙漠等地区会取得比较好的用户体验。
谷歌频频亮相黑科技的根源
一直以来，一些美国公司会频频爆料一些宣称会改变未来人类生活方式的黑科技，而且随着爆料黑科技，该公司的股价也扶摇直上，至于该项目到底有多少实用性和可行性，以及今后项目的执行情况就消失在媒体视野后无人问津了。
比如马斯克就依靠“太空X”、“太阳城”、“特斯拉”、“真空管快车”、“电动飞机”等一个又一个高科技概念，将自己包装成“高铁侠”，使一个善于资本运作的投机客俨然成为高科技的代表……然而在实践中，这些高科技产品恐怕远远达不到马斯克当初宣传的水平——特斯拉电动车的电池有赖于日本松下公司，一辆电动车采用8000枚串联的NCR18650钴酸锂电池。但该电池安全系数并不高，为此，特斯拉采取了“冷却剂+保险丝+电池排列+底盘钢板”等措施，但以特斯拉汽车在使用中的实际起火率来看，添加了保险丝和冷却剂，加装钢板等防护措施并没有起到很好的效果：
2013年10月1日，特斯拉Model S在路边起火燃烧；
10月18日，特斯拉Model S在墨西哥高速行驶时失控，撞击混凝土障碍物后又撞击树木，停止后发生起火、爆炸；
11月6日，特斯拉Model S在美国田纳西州士麦那起火燃烧，田纳西州公路巡逻队称，当天下午这辆电动汽车冲向拖车挂钩，撞击底盘后发生火灾；
11月15日，特斯拉Model S车主把车停在了自家车库里充电，凌晨3点左右突然起火……
在2013年，特斯拉Model S总计卖出21000余辆，相对于较小的总量，自燃概率着实不低。
自燃的特斯拉
虽然在技术上乏善可陈，但马斯克在资本运作上可谓炉火纯青——每逢其兜售高科技概念之时，其股价必然疯涨，马斯克则高位套现退场，就像他当年对Paypal所作的那样。
无独有偶，在经历阿尔法狗对决李世石、全球免费无线网络覆盖计划的洗礼后，想必很多国人也将谷歌视为高科技公司，但揭开谷歌绚丽的外衣，事实真相恐怕会让很多小清新无法接受——谷歌2014年的收入来源主要为广告业务，年度660亿美元的利润收入中有90%为广告收入（其实百度很多饱受诟病的广告行径都是学自谷歌）。
根据法国广告巨头阳狮集团发布的《2015 全球三十强媒体主》报告，谷歌的广告收入比排名第二的迪士尼高出136%（2014年这一数字为115%）。其广告收入甚至超过了第二和第三名(有线电视运营商康卡斯特)广告收入总和。
谷歌之所以会频频爆料黑科技，其根源就在于股价，股价需要新闻炒作，而所谓“会改变未来人类生活方式的黑科技”则恰恰能吸引眼球，大幅抬升股价——正如阿尔法狗决战李世石，在1月28日曝出了谷歌人工智能围棋击败欧洲冠军，以及谷歌拿出100万美元作为奖金挑战李世石的消息后，当日谷歌股价涨幅4.42%，换算成市值涨了200亿美元；在3月9日第一局打败李世石后，谷歌股价从710美元涨到了750美元……
正是因此，像谷歌等一批公司，虽然会频繁炒作高科技概率，也确实会投入真金白银做研发，但科研成果转化为实际产品和盈利能力的水平非常低——660亿美元的利润收入中有90%为广告收入，和Intel、微软等真正脚踏实地、注重实业搞科研的科技公司形成鲜明对比。
其实，谷歌脑洞大开的科研项目还有很多，虽然不乏像阿尔法狗这样取得阶段性进展的项目，但最后不了了之的项目也多，国人完全没必要对谷歌宣称的每一项所谓“会改变未来人类生活方式的黑科技”太当一回事，更没有必要听风就是雨，对洋技术顶礼膜拜，为一些未经证实的消息“欢欣不已”。
不过人类的发明创新很多也出于各种偶然的尝试，即便全球免费无线网络（Wifi）覆盖计划最终流产，或建成后也只能在地广人稀的地区使用，以及小范围内使用，其敢于探索的勇气确实值得肯定。
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