坐高鐵手機(jī)沒信號(hào)?原因遠(yuǎn)比你想的要復(fù)雜!

　　眾所周知，我們國(guó)家有目前世界上最發(fā)達(dá)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?，高鐵千好萬好，有一點(diǎn)卻始終困擾著乘客，那就是高鐵上面的手機(jī)信號(hào)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(jī)，以此來打發(fā)時(shí)間。不過，你經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)，手機(jī)信號(hào)很不穩(wěn)定，時(shí)好時(shí)壞，甚至有時(shí)候干脆徹底無信號(hào)。在這種信號(hào)質(zhì)量下使用手機(jī)，只能勉強(qiáng)聊聊微信，看看網(wǎng)頁。看視頻的話，會(huì)頻繁出現(xiàn)卡頓。玩游戲就更別想了，一定會(huì)坑死隊(duì)友。

　　那么問題來了，為什么在高鐵上手機(jī)信號(hào)會(huì)這么差?這個(gè)難題真的無法解決嗎?今天，小編就詳細(xì)和大家聊聊這個(gè)問題。

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

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

　　從鐵路的角度來看，2008年之前，我們還沒有高鐵，鐵路出行，基本上都是乘坐普速列車，也就是我們常說的綠皮車、紅皮車、藍(lán)皮車。

普速列車，運(yùn)行速度基本上在80-120km/h左右。

　　2008年8月1日，中國(guó)第一條真正意義上的高鐵--京津城際，正式開通，時(shí)速350公里。由此，正式宣告中國(guó)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(guó)進(jìn)入3G時(shí)代。經(jīng)過十年的發(fā)展，從京津城際，到武廣客專，再到京滬高鐵，新的高鐵線路不斷開通，如今中國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)里程已經(jīng)接近3萬公里。而通信方面，經(jīng)過短暫的3G時(shí)代，中國(guó)很快邁入了4G時(shí)代?，F(xiàn)在，4G網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了全國(guó)覆蓋。

　　以上是背景知識(shí)鋪墊。接下來，進(jìn)入具體分析。

　　首先我們來看看影響信號(hào)的最主要因素之一--基站數(shù)量。

　　2008年，全國(guó)基站總數(shù)大約是641100個(gè)?？瓷先ミ@個(gè)數(shù)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(qū)和村鎮(zhèn)。鐵路所經(jīng)過的區(qū)域，多為人煙稀少地區(qū)，基站密度更小。尤其是山區(qū)，受地形影響，信號(hào)會(huì)更差。

　　2008年之后，進(jìn)入高鐵時(shí)代和3G/4G時(shí)代，我國(guó)基站數(shù)量大幅增長(zhǎng)。根據(jù)2017年底的數(shù)據(jù)，我國(guó)基站總數(shù)是604萬個(gè)，其中3G/4G基站總數(shù)為447萬個(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(shù)非常偏僻的地區(qū)之外，大部分鐵路沿線，我們也都實(shí)現(xiàn)了信號(hào)的覆蓋。在山區(qū)修建和維護(hù)基站，不是一件容易的事情。而且，如果說普速鐵路運(yùn)營(yíng)商不太重視的話，高速鐵路的信號(hào)質(zhì)量，運(yùn)營(yíng)商是不敢不重視的。

　　很簡(jiǎn)單，作為國(guó)家名片、地區(qū)名片的高鐵，它上面的信號(hào)質(zhì)量，不僅代表經(jīng)濟(jì)效益，更意味著社會(huì)影響。如果高鐵上自家信號(hào)不好，不僅影響用戶的滿意度，也會(huì)影響品牌聲譽(yù)。所以，運(yùn)營(yíng)商是愿意為高鐵信號(hào)改善投入資金的。

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

　　公網(wǎng)方式，是將高鐵沿線的覆蓋，融入周邊大網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)劃和考慮。也就是說，利用周邊已有的基站進(jìn)行覆蓋，只不過稍加優(yōu)化和調(diào)整。

　　專網(wǎng)方式，采用的是單獨(dú)組網(wǎng)，即高鐵專網(wǎng)和周邊大網(wǎng)分開，除車站外，高鐵專網(wǎng)基站和周邊大網(wǎng)基站不設(shè)鄰區(qū)關(guān)系，避免發(fā)生切換。

　　公網(wǎng)方式(紅色為周邊常規(guī)基站)

專網(wǎng)方式 (綠色為高鐵專用基站)

　　這里解釋一下，什么叫鄰區(qū)和切換。我們?cè)谧呗坊蜃嚂r(shí)，是處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。從一個(gè)區(qū)域，移動(dòng)到另一個(gè)區(qū)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，或者正在上網(wǎng)追劇，為了不讓你的電話或網(wǎng)劇中斷，系統(tǒng)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(fù)雜，今天不深入研究?？傊蠹抑恍枰涀。磺卸际菫榱俗屇恪安坏艟€”。

　　如果用公網(wǎng)方式，好處是節(jié)約了投資。壞處的話，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(dǎo)致掉線。(簡(jiǎn)單從技術(shù)角度來說，就是所有基站的頻點(diǎn)都是一樣的，手機(jī)容易“跳來跳去”。)

　　專網(wǎng)就不一樣了，可以理解為獨(dú)立的一張網(wǎng)絡(luò)，享受VIP服務(wù)。因?yàn)閷＞W(wǎng)和公網(wǎng)的頻點(diǎn)都不一樣，系統(tǒng)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)待在專網(wǎng)里面，掉線的概率會(huì)大幅降低。

專網(wǎng)下的高鐵信號(hào)(藍(lán)色塊=高鐵列車行駛模擬)

　　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。我們來看一組數(shù)據(jù):一個(gè)普通WCDMA基站的覆蓋范圍(1950Hz，郊區(qū)，天線掛高45米)，是979米。

WCDMA 天線掛高對(duì)應(yīng)覆蓋半徑(郊區(qū))

　　人走路的速度，每小時(shí)6公里(每分鐘100米)。汽車的速度，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(yùn)動(dòng)速度，跨區(qū)切換的時(shí)間是充足的。汽車也問題不大。但是，高鐵的話，根據(jù)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?yàn)系統(tǒng)覆蓋和性能的。一不小心，切換就失敗了，你也就掉線了。

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

多普勒和多普勒效應(yīng)公式

　　最痛恨公式，我就不介紹了哈!簡(jiǎn)單來說，多普勒效應(yīng)的意思，就是手機(jī)運(yùn)動(dòng)的速度太快，信號(hào)都追不上了。。。當(dāng)信號(hào)到達(dá)的時(shí)候，已經(jīng)錯(cuò)位了。速度越快，多普勒效應(yīng)越明顯，頻率越高，多普勒效應(yīng)越明顯。針對(duì)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(dá)到300Hz;在 WCDMA 2000MHz 頻段，多普勒頻移最高能夠達(dá)到 650Hz。尤其是LTE采用的OFDM正交頻分復(fù)用技術(shù)，對(duì)載波頻率偏移更加敏感。我畫個(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(cuò)分開，占用的空間更小(提高頻譜利用率)，但是還是能分清對(duì)象(提取有效數(shù)據(jù))。But，如果因?yàn)槎嗥绽招?yīng)，開始錯(cuò)位，就很難看清楚人了(錯(cuò)誤增加)▼

　　除了多普勒效應(yīng)之外，還有多徑效應(yīng)等，也影響信號(hào)的傳輸。雖然3G/4G會(huì)通過專門算法對(duì)這些效應(yīng)進(jìn)行抑制，但是效果有限。不過，好消息是，到了5G時(shí)代，情況就不一樣了。5G的性能指標(biāo)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(jí)高鐵(時(shí)速1000km/h)，不然5G都能hold住。

　　除了基站數(shù)量和密度之外，站址的選擇，也是很大的一門學(xué)問。高鐵線路，呈狹長(zhǎng)帶狀分布，區(qū)域跨度大，沿途經(jīng)過車站、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(jié)合地形場(chǎng)景、指標(biāo)要求、列車速度，進(jìn)行鏈路預(yù)算，確定站址以及站距。

　　架設(shè)基站，是不是離列車越近越好呢?

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

　　高鐵車廂都是金屬合金，無線信號(hào)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。天線的高度也有講究，不能太低，也不能太高，一般是天線高出軌面15米，保證天線與軌面視通，保證天線朝向正對(duì)車窗。

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

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

　　最后一個(gè)問題，在山區(qū)或丘陵地帶，會(huì)有大量的隧道，那么，隧道中如何保證信號(hào)覆蓋呢?

　　如果是短隧道，可以通過隧道口的天線，向隧道內(nèi)進(jìn)行定向輻射，進(jìn)行覆蓋。如果是長(zhǎng)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(jié)構(gòu)與普通的同軸電纜基本一致，由內(nèi)導(dǎo)體、絕緣介質(zhì)和開有周期性槽孔的外導(dǎo)體三部分組成。電磁波在泄漏電纜中縱向傳輸?shù)耐瑫r(shí)，通過槽孔向外界輻射電磁波;外界的電磁場(chǎng)也可通過槽孔感應(yīng)到泄漏電纜內(nèi)部，并傳送到接收端。

泄露同軸電纜

　　泄漏電纜的信號(hào)效果還是不錯(cuò)的，即使在非隧道環(huán)境下，也可以考慮使用(前提是不差錢，因?yàn)檫€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(jī)房，里面有RRU和一些信號(hào)中繼設(shè)備。

隧道機(jī)房

　　好啦!洋洋灑灑說了那么多，相信大家一定對(duì)高鐵信號(hào)覆蓋有了初步了解。正如文章所說，高鐵的移動(dòng)信號(hào)優(yōu)化，是一項(xiàng)非常復(fù)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，是離不開我們通信工程師的辛苦付出。相信不久的將來，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(hào)難題，讓大家享受暢快的網(wǎng)絡(luò)體驗(yàn)!