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编者按：飞机上联网早已不是梦想。但你有没有想过，在万米高空中高速飞行的情况下，飞机是如何实现网络覆盖的呢？飞机上的Wi-Fi目前还比较差，未来能不能实现快速上网？谁为Wi-Fi买单？文章带你探索飞机上Wi-Fi的奥秘。本文译自Medium，作者Sarvesh Mathi，原标题为" The Magical Science of Wi-Fi on Airplanes"，希望对您有所启发。
在飞机飞行时能上网，谁会不喜欢？！根据2018年全球旅行者研究(Global Traveler study)显示， 94%的全球旅行者认为在飞机上提供网络将增强他们的旅行体验，30%的人在预订机票时会明确关注这一功能。
来源：2018年全球旅行者研究(2018 Global Traveler study)
目前，航空公司为每位乘客提供机上食品和零售等服务的费用为17美元。机上Wi-Fi将增加4美元的额外收入，到2035年，预计将为航空公司带来300亿美元的额外收入。
看到这些数据后，你就不会惊讶于世界各地的航空公司争相将机上Wi-Fi加入他们的便利设施列表了。但是，一家航空公司是如何做到把便捷的网络服务提供给在海平面以上6英里处以560英里每小时飞行的乘客呢?
有两种方式可以使飞机上覆盖互联网：
1. 空对地(ATG)系统
这是第一个被开发出来的系统，它的工作原理类似于通过手机使用的地面移动数据网络。但不同的是，移动信号塔向下聚焦，而为飞机提供互联网的信号塔向上投射信号。安装在飞机腹部的天线接收信号，并将其发送到机载服务器。该服务器有一个调制解调器，可以将射频信号转换成计算机信号，反之亦然，通过飞机内部安装的Wi-Fi接入点可以为乘客提供接入服务。飞机天线和飞行航线上的发射塔之间进行信息的交换。这些塔依次连接到由服务提供商运行的操作中心，这些服务提供商类似于你家宽带ISP的控制中心。
地面信号塔向上发射信号 来源:ThePointsGuy
Gogo的ATG-4系统由腹部下的两个主天线、两侧天线、机载服务器和飞机内部的多个Wi-Fi路由器天线组成
上图显示的是Gogo公司的ATG-4系统，它是目前美国航空公司中使用最多的ATG系统。Gogo的覆盖范围横跨北美，包括200多座塔楼。
但ATG系统有两个明显的缺点:
1. 工作频率较低(800 MHz)，每次飞行的峰值数据速度限制在10mbps。相比之下，美国的固网平均网速接近100mbps。当一架飞机上有多个用户同时登录时，每个用户的登录速度很慢，连看邮件都得等很长时间。
2. 在网络塔较少的地区，比如大面积的沙漠或者在水上，这些地区的覆盖率参差不齐。这使得ATG系统对于国际旅行来说，是一个不受欢迎的选择。
2. 卫星系统
使用卫星的空中Wi-Fi更复杂，但也更快、更可靠。
天线安装在飞机顶部，而不是在飞机腹下。顶部天线接收来自环绕地球运行的卫星的信号。但由于卫星和飞机都在以非常快的速度移动，而且相距约2.2万英里，所以天线需要不断调整位置来接收信号。除了机载服务器和Wi-Fi接入点外，还会有一个单独的设备根据飞行位置和速度控制天线的移动。这些卫星与地面站相连，而地面站与服务提供商建立的操作中心进一步相连。
Gogo公司的卫星系统，包括一个卫星天线，一个机载服务器，Kandu（用来控制天线移动），Modman（用来转换信号），以及飞机内的多个Wi-Fi接入点
基于卫星的空中Wi-Fi的两个主要优势是:
1. 除了北极和南极，其他地方都可以买用。在长途飞行中，天线可能需要重新定位来连接到不同的卫星，但通常不会超过一次。这使得基于卫星的系统成为国际旅行的首选。
2. 频率更高，速度更快。分配给卫星互联网的两个主要频率是Ku-band (12-18 GHz)和Ka-band (26-40 GHz)。这两个频段允许每架飞机的峰值带宽在30-100 Mbps之间，显著高于ATG系统提供的10 Mbps。
然而，这个系统有三个主要的缺点:
1. 与简单的ATG系统相比，它在设备、维护和带宽成本方面都更加昂贵。这使得卫星服务在小型航空公司和区域航线航空公司中不那么受欢迎。
2. 数据传输的距离非常远，因此增加了延迟。虽然速度更快，但当你点击一个链接时，在页面开始加载之前会有明显的延迟，但一旦开始加载，就几乎会立即加载完。而ATG系统延迟较低，点击一个链接后会立即开始加载，但需要很长时间才能加载完。
3.除了设备、安装和维护成本外，机上Wi-Fi系统的另一个隐性成本是燃料成本。虽然多根天线看起来没什么，但安装在飞机外部的天线所引起的形状变化却使飞机在空气动力学上表现变差，因为这增加了阻力，增加了燃料消耗。目前，服务提供商正想办法减小天线的尺寸以降低成本。Gogo最新的2Ku天线不到4英寸厚，这样飞机的凸起要小得多。
基于卫星的Wi-Fi系统主要供应商有:
1. Gogo利用国际海事卫星组织（Inmarsat）的卫星提供基于Ka波段的卫星连接，利用国际通信卫星组织(Intelsat)和SES的卫星，提供基于Ku波段的连接。该公司最新和最好的产品是2Ku系统，该系统使用两个天线，而不是一个，一个用于上行，一个用于下行，有望使每架飞机的网速达到100兆/秒，每个用户的网速达到15兆/秒。世界各地的航空公司正在迅速采用一种系统，该系统可以实现乘客最渴望的功能之一——视频流。目前使用Gogo系统的航空公司包括阿拉斯加航空、美国航空、达美航空、联合航空、维珍美国航空、国泰航空、英国航空和日本航空。
2. 自2013年以来，ViaSat一直为捷蓝航空(JetBlue)在美国的航班提供更快的Ka波段互联网服务。目前，捷蓝航空的FlyFi在速度和价格上都处于行业领先地位。这家航空公司免费提供高达20mbps的Wi-Fi。
3.欧洲航空网络(EAN)与国际海事卫星组织(Inmarsat)与德国电信(Deutsche Telekom)的合作伙伴关系，后者还运营着全球唯一的Ka波段卫星服务GX Aviation。欧洲航空网络(EAN)已开始为欧洲航空公司提供机上互联网服务。这项服务同时使用两种技术，一种基于卫星的下行系统和一种基于ATG系统的上行系统，以提供更快和更可靠的网络服务。这个系统也被称为地面到轨道(GTO)。国际海事卫星组织(Inmarsat)拥有这些卫星，而德国电信(Deutsche Telekom)在欧盟各地安装了300多座LTE基站。欧洲航空网络宣称其空中Wi-Fi速度比目前所有的空中Wi-Fi系统都要快。
提供Wi-Fi的航空公司并不仅限于上述几家，旅游网站eDreams列出了一份提供机上Wi-Fi服务的航空公司名单。
机上Wi-Fi谁来买单
1. 一些服务提供商(如Gogo)设定价格，处理客户体验问题，以此来获得收入，与航空公司进行分成。
2. 一些航空公司获得收入，并向服务提供商支付所使用带宽费用（批发价）。
除了少数几家提供免费Wi-Fi接入服务的航空公司外，大多数人认为这是一个创收机会，而不仅仅是一项福利。尽管在空中提供互联网服务的成本无疑很高，但航空公司知道他们的商务客户(由雇主买单的客户)是会订购这项服务的，因此也为这种便利增加了自己的利润。尽管只有少数乘客选择这项服务，但航空公司和互联网服务提供商仍可以设定高昂的机票费用(每张机票的价格在15美元至20美元之间，或者每年600美元)。
捷蓝航空(JetBlue)等一些航空公司自己掏钱，向乘客免费提供Wi-Fi服务，以此在竞争激烈的市场中脱颖而出。许多航空公司还为他们的高级别客户提供免费网络服务，以保持他们的忠诚度，而其他一些航空公司则会找到一家企业赞助商来承担Wi-Fi费用，作为其在网络上投放广告的回报。
航空公司还会通过图像和音频压缩过滤器来实现减少数据消耗，从而节省带宽成本。航空公司能够在一夜之间安装ATG系统，而卫星系统只需几天时间。
放眼未来
未来，机上Wi-Fi会变得更快、更可靠。高通量卫星将更有效地利用给定的卫星频率，并采用一种新的天线技术，这种技术依赖于点波束而不是宽波束。传统的卫星使用宽波束，仅用一束光就能覆盖一个国家那么大的区域。这样做的明显缺点是，在这个波束内的所有飞行必须共享带宽。有了点波束，HTS卫星可以聚焦在一架飞机上，而卫星可以发出多个这样的波束，使每架飞机的带宽大大提高。Gogo目前也正在努力争取在2021年之前为美国和加拿大的ATG飞机提供5G服务。
随着更多服务商的加入和技术的进步，你很快就能在飞行时享受到在家中一般的网速了。不过，这也意味着你再也不能以坐飞机为借口来不回老板邮件了。
译者：Jane
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