坐高鐵手機沒(méi)信號?原因遠比你想的要復雜!

　　眾所周知，我們國家有目前世界上最發(fā)達的高速鐵路網(wǎng)絡(luò )。高鐵，拉近了城市之間的時(shí)間距離，徹底改變了我們的生活?？墒?，高鐵千好萬(wàn)好，有一點(diǎn)卻始終困擾著(zhù)乘客，那就是高鐵上面的手機信號難題。

　　乘坐高鐵的時(shí)候，漫漫旅途，寂寞難耐，你一定會(huì )掏出手機，以此來(lái)打發(fā)時(shí)間。不過(guò)，你經(jīng)常會(huì )發(fā)現，手機信號很不穩定，時(shí)好時(shí)壞，甚至有時(shí)候干脆徹底無(wú)信號。在這種信號質(zhì)量下使用手機，只能勉強聊聊微信，看看網(wǎng)頁(yè)?？匆曨l的話(huà)，會(huì )頻繁出現卡頓。玩游戲就更別想了，一定會(huì )坑死隊友。

　　那么問(wèn)題來(lái)了，為什么在高鐵上手機信號會(huì )這么差?這個(gè)難題真的無(wú)法解決嗎?今天，小編就詳細和大家聊聊這個(gè)問(wèn)題。

　　首先，我們把目光聚焦在十年之前的2008年。這一年很重要，可以說(shuō)具有劃時(shí)代的意義。

　　從通信的角度來(lái)看，2008年之前，我們長(cháng)期處于2G時(shí)代，使用的是GSM和CDMA網(wǎng)絡(luò )。智能手機剛剛起步，我們的通信方式，還是以電話(huà)和短信為主。

　　從鐵路的角度來(lái)看，2008年之前，我們還沒(méi)有高鐵，鐵路出行，基本上都是乘坐普速列車(chē)，也就是我們常說(shuō)的綠皮車(chē)、紅皮車(chē)、藍皮車(chē)。

普速列車(chē)，運行速度基本上在80-120km/h左右。

　　2008年8月1日，中國第一條真正意義上的高鐵--京津城際，正式開(kāi)通，時(shí)速350公里。由此，正式宣告中國進(jìn)入高鐵時(shí)代。

　　不久之后，通信這邊也發(fā)生巨變，2009年1月7日，工信部正式發(fā)放3G牌照，中國進(jìn)入3G時(shí)代。經(jīng)過(guò)十年的發(fā)展，從京津城際，到武廣客專(zhuān)，再到京滬高鐵，新的高鐵線(xiàn)路不斷開(kāi)通，如今中國高鐵運營(yíng)里程已經(jīng)接近3萬(wàn)公里。而通信方面，經(jīng)過(guò)短暫的3G時(shí)代，中國很快邁入了4G時(shí)代?，F在，4G網(wǎng)絡(luò )已經(jīng)基本實(shí)現了全國覆蓋。

　　以上是背景知識鋪墊。接下來(lái)，進(jìn)入具體分析。

　　首先我們來(lái)看看影響信號的最主要因素之一--基站數量。

　　2008年，全國基站總數大約是641100個(gè)?？瓷先ミ@個(gè)數量很多，但實(shí)際上，按面積平均一下，就不多了--平均每平方公里僅0.07個(gè)基站。而且，這些基站主要集中在城區和村鎮。鐵路所經(jīng)過(guò)的區域，多為人煙稀少地區，基站密度更小。尤其是山區，受地形影響，信號會(huì )更差。

　　2008年之后，進(jìn)入高鐵時(shí)代和3G/4G時(shí)代，我國基站數量大幅增長(cháng)。根據2017年底的數據，我國基站總數是604萬(wàn)個(gè)，其中3G/4G基站總數為447萬(wàn)個(gè)。平均每平方公里0.63個(gè)基站，是2008年的9倍。

　　所以，除了極少數非常偏僻的地區之外，大部分鐵路沿線(xiàn)，我們也都實(shí)現了信號的覆蓋。在山區修建和維護基站，不是一件容易的事情。而且，如果說(shuō)普速鐵路運營(yíng)商不太重視的話(huà)，高速鐵路的信號質(zhì)量，運營(yíng)商是不敢不重視的。

　　很簡(jiǎn)單，作為國家名片、地區名片的高鐵，它上面的信號質(zhì)量，不僅代表經(jīng)濟效益，更意味著(zhù)社會(huì )影響。如果高鐵上自家信號不好，不僅影響用戶(hù)的滿(mǎn)意度，也會(huì )影響品牌聲譽(yù)。所以，運營(yíng)商是愿意為高鐵信號改善投入資金的。

　　問(wèn)題的關(guān)鍵在于，有些事情，光靠砸錢(qián)建基站，不一定有用。高鐵基站的建設，和普通基站有很大不同。高鐵沿線(xiàn)的網(wǎng)絡(luò )覆蓋，主要有兩種方式，分別是公網(wǎng)方式和專(zhuān)網(wǎng)方式。

　　公網(wǎng)方式，是將高鐵沿線(xiàn)的覆蓋，融入周邊大網(wǎng)統一規劃和考慮。也就是說(shuō)，利用周邊已有的基站進(jìn)行覆蓋，只不過(guò)稍加優(yōu)化和調整。

　　專(zhuān)網(wǎng)方式，采用的是單獨組網(wǎng)，即高鐵專(zhuān)網(wǎng)和周邊大網(wǎng)分開(kāi)，除車(chē)站外，高鐵專(zhuān)網(wǎng)基站和周邊大網(wǎng)基站不設鄰區關(guān)系，避免發(fā)生切換。

　　公網(wǎng)方式(紅色為周邊常規基站)

專(zhuān)網(wǎng)方式 (綠色為高鐵專(zhuān)用基站)

　　這里解釋一下，什么叫鄰區和切換。我們在走路或坐車(chē)時(shí)，是處于運動(dòng)狀態(tài)。從一個(gè)區域，移動(dòng)到另一個(gè)區域。也就會(huì )從一個(gè)基站范圍，到另一個(gè)基站范圍。如果你正在打電話(huà)，或者正在上網(wǎng)追劇，為了不讓你的電話(huà)或網(wǎng)劇中斷，系統會(huì )進(jìn)行自動(dòng)切換?？催@個(gè)圖，就明白了:

　　切換分為軟切換和硬切換，涉及的技術(shù)有點(diǎn)復雜，今天不深入研究?？傊蠹抑恍枰涀?，一切都是為了讓你“不掉線(xiàn)”。

　　如果用公網(wǎng)方式，好處是節約了投資。壞處的話(huà)，就是即使做了優(yōu)化，效果也很有限，容易受公網(wǎng)其它基站的影響，導致掉線(xiàn)。(簡(jiǎn)單從技術(shù)角度來(lái)說(shuō)，就是所有基站的頻點(diǎn)都是一樣的，手機容易“跳來(lái)跳去”。)

　　專(zhuān)網(wǎng)就不一樣了，可以理解為獨立的一張網(wǎng)絡(luò )，享受VIP服務(wù)。因為專(zhuān)網(wǎng)和公網(wǎng)的頻點(diǎn)都不一樣，系統上也會(huì )做配置，不允許你去“勾搭”外面的公網(wǎng)基站，所以你必須老老實(shí)實(shí)待在專(zhuān)網(wǎng)里面，掉線(xiàn)的概率會(huì )大幅降低。

專(zhuān)網(wǎng)下的高鐵信號(藍色塊=高鐵列車(chē)行駛模擬)

　　切換的成功率，受很多方面的影響。其中很重要的因素，就是速度。我們來(lái)看一組數據:一個(gè)普通WCDMA基站的覆蓋范圍(1950Hz，郊區，天線(xiàn)掛高45米)，是979米。

WCDMA 天線(xiàn)掛高對應覆蓋半徑(郊區)

　　人走路的速度，每小時(shí)6公里(每分鐘100米)。汽車(chē)的速度，就算是高速公路吧，每小時(shí)120公里(每分鐘2000米)。高鐵的速度，每小時(shí)差不多是350公里(每分鐘5833米)。

　　按人的運動(dòng)速度，跨區切換的時(shí)間是充足的。汽車(chē)也問(wèn)題不大。但是，高鐵的話(huà)，根據切換算法時(shí)間的估算，3~6秒就要發(fā)生一次切換。這樣的頻率，是非?？简炏到y覆蓋和性能的。一不小心，切換就失敗了，你也就掉線(xiàn)了。

　　高鐵的高速度，除了會(huì )帶來(lái)頻繁的切換之外，還有一個(gè)很要命的，就是多普勒效應。

多普勒和多普勒效應公式

　　最痛恨公式，我就不介紹了哈!簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，多普勒效應的意思，就是手機運動(dòng)的速度太快，信號都追不上了。。。當信號到達的時(shí)候，已經(jīng)錯位了。速度越快，多普勒效應越明顯，頻率越高，多普勒效應越明顯。針對高鐵+4G場(chǎng)景(4G的頻率高于2G)，這簡(jiǎn)直就是要了老命。

　　以 350km/h 的時(shí)速為例，在 GSM 900MHz 頻段，多普勒頻移能夠達到300Hz;在 WCDMA 2000MHz 頻段，多普勒頻移最高能夠達到 650Hz。尤其是LTE采用的OFDM正交頻分復用技術(shù)，對載波頻率偏移更加敏感。我畫(huà)個(gè)圖，方便大家理解:

　　不是OFDM的情況下，就是這樣▼

　　OFDM的情況下，是這樣▼

　　大家交錯分開(kāi)，占用的空間更小(提高頻譜利用率)，但是還是能分清對象(提取有效數據)。But，如果因為多普勒效應，開(kāi)始錯位，就很難看清楚人了(錯誤增加)▼

　　除了多普勒效應之外，還有多徑效應等，也影響信號的傳輸。雖然3G/4G會(huì )通過(guò)專(zhuān)門(mén)算法對這些效應進(jìn)行抑制，但是效果有限。不過(guò)，好消息是，到了5G時(shí)代，情況就不一樣了。5G的性能指標里面，明確指出，可以支持終端最高移動(dòng)速度為500km/h。除非是超級高鐵(時(shí)速1000km/h)，不然5G都能hold住。

　　除了基站數量和密度之外，站址的選擇，也是很大的一門(mén)學(xué)問(wèn)。高鐵線(xiàn)路，呈狹長(cháng)帶狀分布，區域跨度大，沿途經(jīng)過(guò)車(chē)站、地面、高架橋、地塹、隧道和橋梁等多種地形、地貌。在明確具體的覆蓋方案之前，需要結合地形場(chǎng)景、指標要求、列車(chē)速度，進(jìn)行鏈路預算，確定站址以及站距。

　　架設基站，是不是離列車(chē)越近越好呢?

　　并不是，離得越遠，信號的入射角越大，穿透損耗越小。垂直入射時(shí)，損耗最小。

　　高鐵車(chē)廂都是金屬合金，無(wú)線(xiàn)信號的衰減很大。所以，基站和鐵軌之間的距離，要保持在50米以上，最佳間距是100-500米。天線(xiàn)的高度也有講究，不能太低，也不能太高，一般是天線(xiàn)高出軌面15米，保證天線(xiàn)與軌面視通，保證天線(xiàn)朝向正對車(chē)窗。

　　現在大家明白為什么坐高鐵的時(shí)候，總是能看到基站天線(xiàn)了吧。它們就是故意這么架設的，方便信號能到達你的手機。

　　在直線(xiàn)軌道路段，相鄰站點(diǎn)宜交錯分布于軌道的兩側，呈“之”字狀分布。在彎道路段，站點(diǎn)宜設置在彎道的內側，提高入射角，保證覆蓋的均衡性。

　　最后一個(gè)問(wèn)題，在山區或丘陵地帶，會(huì )有大量的隧道，那么，隧道中如何保證信號覆蓋呢?

　　如果是短隧道，可以通過(guò)隧道口的天線(xiàn)，向隧道內進(jìn)行定向輻射，進(jìn)行覆蓋。如果是長(cháng)隧道，就需要用到“泄漏電纜”。就是下面這個(gè):

　　隧道電纜的高度，一般和高鐵的中部窗口平齊。

　　泄漏電纜結構與普通的同軸電纜基本一致，由內導體、絕緣介質(zhì)和開(kāi)有周期性槽孔的外導體三部分組成。電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸的同時(shí)，通過(guò)槽孔向外界輻射電磁波;外界的電磁場(chǎng)也可通過(guò)槽孔感應到泄漏電纜內部，并傳送到接收端。

泄露同軸電纜

　　泄漏電纜的信號效果還是不錯的，即使在非隧道環(huán)境下，也可以考慮使用(前提是不差錢(qián)，因為還要修擋風(fēng)墻或屏蔽罩)。

擋風(fēng)墻

　　在隧道里，通常也有小型機房，里面有RRU和一些信號中繼設備。

隧道機房

　　好啦!洋洋灑灑說(shuō)了那么多，相信大家一定對高鐵信號覆蓋有了初步了解。正如文章所說(shuō)，高鐵的移動(dòng)信號優(yōu)化，是一項非常復雜的工作，既要投入大量的資金，還要克服很多技術(shù)困難。更重要的，是離不開(kāi)我們通信工程師的辛苦付出。相信不久的將來(lái)，在5G黑科技的加持之下，我們一定能徹底解決高鐵上的信號難題，讓大家享受暢快的網(wǎng)絡(luò )體驗!