許多年來，長途飛機旅行是一件比較枯燥的事情，原因是你不得不將手機調到飛行模式或者直接關機，這對於上網控來說是一件難以忍受的事情。不過現在機上WiFi連接已經日趨普遍，比如40%的美國航班、阿聯酋航空和卡塔爾航空這樣的國際航班就提供機上WiFi服務；近日，國內南航也宣佈部分航線飛機上也可以連接WiFi。這樣的轉變，讓人十分驚喜，我們也很好奇，一向手機都不能開的高空機上環境，WiFi是怎麼工作的呢？下面，我們將就比較常見的幾種機上WiFi配備方式及工作原理做出簡單介紹。
ATG (Air To Ground)空對地WiFi系統
ATG 空對地WiFi系統工作原理示意圖
顧名思義，“空對地”ATG WiFi系統，建立的是一種飛機與地面基站實時信息交流與傳輸的機制。這是一種為陸上國內旅行而設計的WiFi提供方案。在ATG系統中，我們需要在飛機的腹部裝載兩個天線來從陸基基站接收收信號。當乘務員將ATG系統上的開關撥到“開”的位置時，飛機開始連接不同的地面信號塔，並允許飛機內的用戶開始發送和接收信號。
安裝于飛機底部的ATG天線
目前，大多數ATG服務只能夠為用戶提供大約3 Mbps的WiFi速度，這足以處理電子郵件、查看Facebook和發送文字微信。Gogo公司最新的ATG-4系統支持高達10 Mbps的速度，但它在許多速度較慢的配備ATG-3的飛機上無法使用。
Ku-Band衛星WiFi系統
Ku波段衛星WiFi系統原理示意圖
Ku-Band(12-18GHz) 衛星服務廣受Gogo、Panasonic和Row44等航空公司的歡迎，覆蓋範圍更廣，即使在地面基站或海洋上空飛行時也能保持連接。Ku-Band天線安裝在一個巨大的圓頂形的“碟狀物”中，它位於飛機的頂部，類似於房子的屋頂電視天線，當飛機飛行時，天線必須指向傳輸衛星。
松下航空電子公司的Ku波段外接天線
一旦天線接收到衛星信號，飛機將為用戶提供高達30-40 Mbps速度的WiFi。雖然這比ATG系統有了很大的改進，但網絡速度取決於一顆衛星服務的所有飛機數量。Ku-Band不會為您提供Netflix、youtube、優酷等流式播放電影的功能，但你可以運行一個Google FI呼叫，查看一些圖片密集的網站，甚至可以播放一些音樂。由於信號傳輸的距離比較遠，此類衛星WiFi存在ATG方式WiFi基本不存在的網絡延遲問題，因此儘管內容總體上加載速度更快，但初始頁面元素有時候可能要一分鐘才能展示出來。
Ka-Band 衛星WiFi系統
Viasat Ka和Ka/Ku波段衛星天線
Ka-Band(26.5 -40GHz)衛星WiFi系統正式用於軍事通信，目前是航空公司可採用的最快的WiFi服務方式，深受捷藍航空、維珍美國和一些聯合737航空公司的歡迎。衛星和無線服務提供商Viasat通過其新的Viasat-1衛星為Ka-Band系統提供支持，該衛星比Ku-Band衛星強大得多，平均來說它能夠為每架飛機提供最高速度70 Mbps的WiFi網絡。這基本達到了你在家中見到的寬帶速度，允許你採用流式傳輸視頻，以及將照片上傳到網站和社交媒體平臺，如微信朋友圈和Facebook。目前只有一顆Viasat Ka-Band衛星，因此服務僅限於美國，但是Viasat後續會發射更多的衛星，來覆蓋加拿大和歐洲部分地區。
維珍美國允許通過Ka-Band服務傳輸Netflix
由於Ka-Band目前僅在美國可用，維珍美國公司選擇在其新交付的A320飛機上暫時使用Ka-/Ku-Band混合接收機。這種混合接收機允許飛機根據可用的最佳信號強度在Ku波段和Ka波段之間切換。維珍美國聲稱，這種衛星服務WiFi的組合將允許乘客在Netflix上觀看節目和電影，並從Spotify播放音樂。
埃塞德ExedeWiFi系統
Viasat的Viasat-1衛星提供Ka-Band和Exede WiFi
Viasat的Viasat-1衛星還提供12 Mbps Exede服務，JetBlue使用該服務為所有乘客提供免費的“Fly-Fi”WiFi服務以及每小時9美元的速度增強型“Fly-Fi+”服務。捷藍公司最近也宣佈，它已經與亞馬遜合作，為Amazon Prime成員提供了將電影轉播到自己設備上的機會。捷藍航空已經在其所有A320系列飛機上完成了WiFi安裝，但新的E190飛機只有2%。
使WiFi在飛機上工作所需的內部設備
為了實現WiFi服務，商用飛機的平均佈線長度為幾英里
與許多其他飛機系統相比，大多數商用飛機上使用的WiFi和飛行娛樂系統相當簡單。例如，1984年，達美航空公司（Delta Airlines）配備了洛克希德L-1011，以適配第一個嵌入在座位上的機上電話——而今天，飛機WiFi依賴於類似的技術。
一系列的黑匣子（不要與飛行記錄器混淆）被藏在飛機的壁板後面，排列在飛機的一側，略高於窗戶，作為飛行中的WiFi接入點。
稱為無線接入點（或waps）的黑匣子排列在飛機右舷的內部
這些黑匣子被稱為無線接入點（或waps），其功能類似於家庭中的WiFi路由器，但由於它們在飛機上，因此成本高出平常10倍，而且有10倍的概率更容易斷開連接。每一個接入點都由一個四邊形電纜連接，它基本上是由線圈套線圈來製作完成的。
飛機的內部WiFi設備實際上能夠比外部天線接收到的速度快得多，這就是為什麼一些航空公司（如三角洲航空公司、聯合航空公司和西南航空公司）選擇使用基於飛機的預加載計算機，並允許用戶將一些娛樂信息流傳輸到自己的設備。
機上WiFi的侷限性
機上WiFi有能力去達到更快的速度，但所有的飛機（無論服務類型如何）都會保持“自動節流”，以便數據在其活躍用戶之間均勻分佈。因此，4個用戶使用機上互聯網服務將比40個用戶時感受到的網速快得多。
除了速度之外，機載硬件也會有一些缺點，帶來一些功能缺陷。例如，ATG系統只有前後向天線，而ku衛星接收器一次只能連接到一顆衛星，這意味著兩個系統都會導致WiFi用戶在切換塔或衛星時發生短暫的信號中斷。
陸地信號塔
地面技術也有其自身的侷限性。雖然美國總體上已經完成了比較好的基站覆蓋，但在那些擁有大片偏遠土地和相對較少人口的州（如蒙大拿州、內布拉斯加州等），基站的分佈更廣，常常導致天線信號斷開，直到下一個連接完成。同時，在北極和南極，沒有發射塔，衛星連接也很難實現。另外，在俄羅斯和中國，WiFi功能也會有所限制。大多數情況下，你的機組人員都知道你會在哪裡失去聯繫，他們會在飛行初期透露這一點。
WiFi系統幾乎每天都會發生故障，但大多數情況下，這是由於一些簡單的原因造成的，例如接線鬆動或天線斷裂。WiFi故障並不是飛行的一個安全關鍵因素，所以除非出現重大問題，它不會導致起飛延遲。通常情況下，WiFi故障需要在夜間維護檢查時進行一些輕微的故障排除。但要知道，空乘人員不是航空電子技術人員，通常只能使用“關閉並重新打開”的老方法。所以，當你的WiFi壞了的時候，請對你的乘務員好一點——他們可能無法修復WiFi，但他們仍在緊急情況下可以救你的命！
展望未來
新的ATG-4服務，增加了兩個額外的側邊天線到機身的一側，並增加了與地面的連接，目前正在逐步應用到一些商用飛機上。在Gogo的737-500飛行試驗檯上對ATG-4進行的測試表明，它的連接足以傳輸視頻。但是，前述自動限流功能可能會根據乘客的使用情況合理調配數據分配。
位於飛機側面的ATG-4天線增加了地面連接
與此同時，位於飛機頂部的圓頂型Ku-Band外殼正在逐漸變薄。Gogo聲稱其新的基於衛星的2KU服務將配備一個只有17毫米厚的穹頂，提供高達70 Mbps的速度。雖然穹頂的大小對乘客來說可能不是什麼大問題，但對航空公司來說卻是一個大問題——目前的穹頂機型每次航行造成的燃油附加消耗為400至600磅！減少這些圓頂的大小和重量可以在一年內節省數千加侖的燃料，並減少飛機的尾氣排放。
至於國內方面，現今的機上WiFi引入還相對較少，讓我們一起期待吧！
