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！
本文来源：科普中国
责任编辑：
段嘉祺_NT7312
