高铁上手机没信号 竟然涉及这么多技术性问题

2018年08月22日 作者:博博1998

众所周知,我们国家有目前世界上最发达的高速铁路网络。高铁,拉近了城市之间的时间距离,彻底改变了我们的生活。可是,高铁千好万好,有一点却始终困扰着乘客,那就是高铁上面的手机信号难题。乘坐高铁的时候,漫漫旅途,寂寞难耐,你一定会掏出手机,以此来打发时间。

不过,你经常会发现,手机信号很不稳定,时好时坏,甚至有时候干脆彻底无信号。

在这种信号质量下使用手机,只能勉强聊聊微信,看看网页。看的话,会频繁出现卡顿。玩游戏就更别想了,一定会坑死队友。

那么问题来了,为什么在高铁上手机信号会这么差?这个难题真的无法解决吗?

今天,小编就详细和大家聊聊这个问题。

首先,我们把目光聚焦在十年之前的2008年。这一年很重要,可以说具有划时代的意义。

从通信的角度来看,2008年之前,我们长期处于2G时代,使用的是GSM和CDMA网络。智能手机刚刚起步,我们的通信方式,还是以电话和短信为主。

从铁路的角度来看,2008年之前,我们还没有高铁,铁路出行,基本上都是乘坐普速列车,也就是我们常说的绿皮车、红皮车、蓝皮车。

普速列车,运行速度基本上在80-120km/h左右。

2008年8月1日,中国第一条真正意义上的高铁——京津城际,正式开通,时速350公里。由此,正式宣告中国进入高铁时代。

不久之后,通信这边也发生巨变,2009年1月7日,工信部正式发放3G牌照,中国进入3G时代。

经过十年的发展,从京津城际,到武广客专,再到京沪高铁,新的高铁线路不断开通,如今中国高铁运营里程已经接近3万公里。

而通信方面,经过短暂的3G时代,中国很快迈入了4G时代。现在,4G网络已经基本实现了全国覆盖。

以上是背景知识铺垫。接下来,进入具体分析。

首先我们来看看影响信号的最主要因素之一——基站数量。

2008年,全国基站总数大约是641100个。

看上去这个数量很多,但实际上,按面积平均一下,就不多了——平均每平方公里仅0.07个基站。

而且,这些基站主要集中在城区和村镇。铁路所经过的区域,多为人烟稀少地区,基站密度更小。尤其是山区,受地形影响,信号会更差。

2008年之后,进入高铁时代和3G/4G时代,我国基站数量大幅增长。根据2017年底的数据,我国基站总数是604万个,其中3G/4G基站总数为447万个。平均每平方公里0.63个基站,是2008年的9倍。

所以,除了极少数非常偏僻的地区之外,大部分铁路沿线,我们也都实现了信号的覆盖。

在山区修建和维护基站,不是一件容易的事情。

而且,如果说普速铁路运营商不太重视的话,高速铁路的信号质量,运营商是不敢不重视的。

很简单,作为国家名片、地区名片的高铁,它上面的信号质量,不仅代表经济效益,更意味着社会影响。如果高铁上自家信号不好,不仅影响用户的满意度,也会影响品牌声誉。

所以,运营商是愿意为高铁信号改善投入资金的。

问题的关键在于,有些事情,光靠砸钱建基站,不一定有用。

高铁基站的建设,和普通基站有很大不同。

高铁沿线的网络覆盖,主要有两种方式,分别是公网方式和专网方式。

公网方式,是将高铁沿线的覆盖,融入周边大网统一规划和考虑。也就是说,利用周边已有的基站进行覆盖,只不过稍加优化和调整。

专网方式,采用的是单独组网,即高铁专网和周边大网分开,除车站外,高铁专网基站和周边大网基站不设邻区关系,避免发生切换。

公网方式(红色为周边常规基站)

专网方式(绿色为高铁专用基站)

这里解释一下,什么叫邻区和切换。

我们在走路或坐车时,是处于运动状态。从一个区域,移动到另一个区域。也就会从一个基站范围,到另一个基站范围。

如果你正在打电话,或者正在上网追剧,为了不让你的电话或网剧中断,系统会进行自动切换。

看这个图,就明白了:

切换分为软切换和硬切换,涉及的技术有点复杂,今天不深入研究。总之大家只需要记住,一切都是为了让你“不掉线”。

如果用公网方式,好处是节约了投资。坏处的话,就是即使做了优化,效果也很有限,容易受公网其它基站的影响,导致掉线。(简单从技术角度来说,就是所有基站的频点都是一样的,手机容易“跳来跳去”。)

专网就不一样了,可以理解为独立的一张网络,享受VIP服务。因为专网和公网的频点都不一样,系统上也会做配置,不允许你去“勾搭”外面的公网基站,所以你必须老老实实待在专网里面,掉线的概率会大幅降低。

专网下的高铁信号(蓝色块=高铁列车行驶模拟)

切换的成功率,受很多方面的影响。其中很重要的因素,就是速度。

我们来看一组数据:

一个普通WCDMA基站的覆盖范围(1950Hz,郊区,天线挂高45米),是979米。

WCDMA 天线挂高对应覆盖半径(郊区)

人走路的速度,每小时6公里(每分钟100米)。

汽车的速度,就算是高速公路吧,每小时120公里(每分钟2000米)。

高铁的速度,每小时差不多是350公里(每分钟5833米)。

按人的运动速度,跨区切换的时间是充足的。汽车也问题不大。但是,高铁的话,根据切换算法时间的估算,3~6秒就要发生一次切换。这样的频率,是非常考验系统覆盖和性能的。

一不小心,切换就失败了,你也就掉线了。

高铁的高速度,除了会带来频繁的切换之外,还有一个很要命的,就是多普勒效应。

多普勒和多普勒效应公式

最痛恨公式,我就不介绍了哈!简单来说,多普勒效应的意思,就是手机运动的速度太快,信号都追不上了。。。当信号到达的时候,已经错位了。。。

速度越快,多普勒效应越明显,频率越高,多普勒效应越明显。针对高铁+4G场景(4G的频率高于2G),这简直就是要了老命。

以350km/h 的时速为例,在GSM 900MHz 频段,多普勒频移能够达到300Hz;在WCDMA 2000MHz 频段,多普勒频移最高能够达到650Hz。

尤其是LTE采用的OFDM正交频分复用技术,对载波频率偏移更加敏感。

我画个图,方便大家理解:

不是OFDM的情况下,就是这样▼

OFDM的情况下,是这样▼

大家交错分开,占用的空间更小(提高频谱利用率),但是还是能分清对象(提取有效数据)。

But,如果因为多普勒效应,开始错位,就很难看清楚人了(错误增加)▼

除了多普勒效应之外,还有多径效应等,也影响信号的传输。

虽然3G/4G会通过专门算法对这些效应进行抑制,但是效果有限。

不过,好消息是,到了5G时代,情况就不一样了。5G的性能指标里面,明确指出,可以支持终端最高移动速度为500km/h。除非是超级高铁(时速1000km/h),不然5G都能hold住。

除了基站数量和密度之外,站址的选择,也是很大的一门学问。

高铁线路,呈狭长带状分布,区域跨度大,沿途经过车站、地面、高架桥、地堑、隧道和桥梁等多种地形、地貌。

在明确具体的覆盖方案之前,需要结合地形场景、指标要求、列车速度,进行链路预算,确定站址以及站距。

架设基站,是不是离列车越近越好呢?

并不是,离得越远,信号的入射角越大,穿透损耗越小。垂直入射时,损耗最小。

高铁车厢都是金属合金,无线信号的衰减很大。

所以,基站和铁轨之间的距离,要保持在50米以上,最佳间距是100-500米。

天线的高度也有讲究,不能太低,也不能太高,一般是天线高出轨面15米,保证天线与轨面视通,保证天线朝向正对车窗。

现在大家明白为什么坐高铁的时候,总是能看到基站天线了吧。它们就是故意这么架设的,方便信号能到达你的手机。

在直线轨道路段,相邻站点宜交错分布于轨道的两侧,呈“之”字状分布。在弯道路段,站点宜设置在弯道的内侧,提高入射角,保证覆盖的均衡性。

最后一个问题,在山区或丘陵地带,会有大量的隧道,那么,隧道中如何保证信号覆盖呢?

如果是短隧道,可以通过隧道口的天线,向隧道内进行定向辐射,进行覆盖。

如果是长隧道,就需要用到“泄漏电缆”。就是下面这个:

隧道电缆的高度,一般和高铁的中部窗口平齐。

泄漏电缆结构与普通的同轴电缆基本一致,由内导体、绝缘介质和开有周期性槽孔的外导体三部分组成。电磁波在泄漏电缆中纵向传输的同时,通过槽孔向外界辐射电磁波;外界的电磁场也可通过槽孔感应到泄漏电缆内部,并传送到接收端。

泄露同轴电缆

泄漏电缆的信号效果还是不错的,即使在非隧道环境下,也可以考虑使用(前提是不差钱,因为还要修挡风墙或屏蔽罩)。


挡风墙

在隧道里,通常也有小型机房,里面有RRU和一些信号中继设备。

隧道机房

好啦!洋洋洒洒说了那么多,相信大家一定对高铁信号覆盖有了初步了解。

正如文章所说,高铁的移动信号优化,是一项非常复杂的工作,既要投入大量的资金,还要克服很多技术困难。

更重要的,是离不开我们通信工程师的辛苦付出。

相信不久的将来,在5G黑科技的加持之下,我们一定能彻底解决高铁上的信号难题,让大家享受畅快的网络体验!

原文地址:https://www.eeboard.com/news/phone-12/

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