眾所周知，我們國家(jia)有目前世界上(shang)最發達的(de)高速鐵路網絡(luo)。高鐵，拉近了(le)城市之間的(de)時間距離，徹底改(gai)變了(le)我們的(de)生活。可是(shi)，高鐵千好萬好，有一(yi)點卻始(shi)終(zhong)困擾著乘客，那就是(shi)高鐵上(shang)面的(de)手(shou)機信號難題。

　　乘坐(zuo)高鐵的(de)時(shi)(shi)候，漫(man)漫(man)旅途，寂寞難耐，你一定會(hui)掏出手(shou)機，以此來打發(fa)時(shi)(shi)間。不(bu)過，你經常會(hui)發(fa)現，手(shou)機信號很不(bu)穩定，時(shi)(shi)好時(shi)(shi)壞(huai)，甚至(zhi)有(you)時(shi)(shi)候干(gan)脆(cui)徹底無信號。在這種信號質量下(xia)使用手(shou)機，只能勉強聊聊微(wei)信，看(kan)看(kan)網頁(ye)。看(kan)視(shi)頻(pin)的(de)話(hua)，會(hui)頻(pin)繁出現卡頓。玩游戲就更別想了，一定會(hui)坑死隊友。

　　那(nei)么問(wen)題(ti)來(lai)了(le)，為(wei)什么在高鐵(tie)上手機信號會這么差?這個難題(ti)真的無法解決嗎?今(jin)天，小編就詳(xiang)細和大家(jia)聊聊這個問(wen)題(ti)。

　　首先，我們把目(mu)光聚焦在十(shi)年之前的2008年。這一年很重要(yao)，可以(yi)說(shuo)具有劃(hua)時(shi)代(dai)的意義。

　　從通信的(de)(de)角度(du)來(lai)看，2008年之前，我們長期(qi)處于2G時代，使用的(de)(de)是GSM和(he)CDMA網絡。智能手機(ji)剛剛起步(bu)，我們的(de)(de)通信方式，還(huan)是以電話和(he)短信為主。

　　從鐵路(lu)的角(jiao)度(du)來看，2008年之前，我(wo)們還沒有(you)高鐵，鐵路(lu)出行(xing)，基(ji)本上(shang)都是乘坐普速(su)列(lie)車(che)，也就是我(wo)們常(chang)說的綠皮(pi)(pi)車(che)、紅皮(pi)(pi)車(che)、藍皮(pi)(pi)車(che)。

普速列車(che)，運行速度基本上在(zai)80-120km/h左右(you)。

　　2008年8月1日，中國第一條真正意義上的高鐵--京津城際，正式開通，時速350公里。由此，正式宣告中國進入高鐵時代。

　　不(bu)久之(zhi)后，通信這邊(bian)也(ye)發(fa)生(sheng)巨變，2009年(nian)1月7日，工信部正式發(fa)放3G牌照(zhao)，中(zhong)國進入3G時(shi)(shi)代。經(jing)(jing)過十(shi)年(nian)的(de)發(fa)展(zhan)，從(cong)京(jing)津城(cheng)際，到武廣客專(zhuan)，再到京(jing)滬高(gao)鐵(tie)，新的(de)高(gao)鐵(tie)線路不(bu)斷開(kai)通，如今中(zhong)國高(gao)鐵(tie)運營(ying)里程已(yi)經(jing)(jing)接近3萬公里。而(er)通信方面，經(jing)(jing)過短暫的(de)3G時(shi)(shi)代，中(zhong)國很(hen)快邁入了4G時(shi)(shi)代。現在，4G網(wang)絡已(yi)經(jing)(jing)基本實現了全國覆蓋(gai)。

　　以上是背景知(zhi)識鋪墊。接(jie)下(xia)來，進(jin)入具(ju)體分析。

　　首先我們來看看影響信號的最主要因素之一--基站數量。

　　2008年(nian)，全(quan)國基(ji)站總(zong)數(shu)大約是641100個。看上(shang)去(qu)這(zhe)(zhe)個數(shu)量很多，但實(shi)際上(shang)，按面積平均一下，就不(bu)多了--平均每平方公里僅0.07個基(ji)站。而(er)且，這(zhe)(zhe)些基(ji)站主要(yao)集中在(zai)城區和村鎮。鐵路所(suo)經過的區域，多為人煙(yan)稀少地(di)區，基(ji)站密度更小。尤(you)其是山區，受(shou)地(di)形影響，信號會(hui)更差。

　　2008年(nian)之(zhi)后(hou)，進入高鐵時代(dai)和3G/4G時代(dai)，我國基站數(shu)量大(da)幅增(zeng)長。根(gen)據(ju)2017年(nian)底的(de)數(shu)據(ju)，我國基站總(zong)(zong)數(shu)是(shi)604萬個，其中3G/4G基站總(zong)(zong)數(shu)為447萬個。平(ping)均每平(ping)方(fang)公里0.63個基站，是(shi)2008年(nian)的(de)9倍(bei)。

　　所以，除(chu)了(le)(le)極少數非(fei)常偏僻(pi)的地區之(zhi)外，大部分鐵路沿線，我們(men)也都實現(xian)了(le)(le)信號的覆蓋。在山(shan)區修(xiu)建和維護(hu)基(ji)站，不(bu)(bu)是(shi)一件容易的事情。而且，如果說普速鐵路運營商不(bu)(bu)太重(zhong)視的話，高速鐵路的信號質量，運營商是(shi)不(bu)(bu)敢不(bu)(bu)重(zhong)視的。

　　很簡單，作為(wei)國家名(ming)片、地區名(ming)片的高鐵(tie)(tie)，它上(shang)(shang)面的信號(hao)(hao)質量，不(bu)僅代表經濟效益，更意味(wei)著(zhu)社(she)會影響(xiang)。如果高鐵(tie)(tie)上(shang)(shang)自家信號(hao)(hao)不(bu)好，不(bu)僅影響(xiang)用戶的滿意度，也會影響(xiang)品牌聲譽(yu)。所以，運(yun)營商是愿意為(wei)高鐵(tie)(tie)信號(hao)(hao)改善投(tou)入資金的。

　　問題的關鍵在于，有(you)些(xie)事情，光(guang)靠砸(za)錢建(jian)基站，不(bu)一定有(you)用。高鐵基站的建(jian)設，和(he)普(pu)通基站有(you)很大不(bu)同。高鐵沿線(xian)的網(wang)(wang)絡覆蓋，主(zhu)要有(you)兩種方式，分別是公網(wang)(wang)方式和(he)專(zhuan)網(wang)(wang)方式。

　　公網(wang)方式，是將高鐵沿(yan)線的覆(fu)蓋(gai)，融入周邊大網(wang)統(tong)一規劃和(he)考(kao)慮。也就是說(shuo)，利用周邊已有的基站進行覆(fu)蓋(gai)，只不過稍加優化和(he)調整。

　　專(zhuan)網(wang)(wang)(wang)方式，采用的是單獨組網(wang)(wang)(wang)，即(ji)高鐵專(zhuan)網(wang)(wang)(wang)和周邊(bian)大(da)網(wang)(wang)(wang)分開(kai)，除車站(zhan)外，高鐵專(zhuan)網(wang)(wang)(wang)基站(zhan)和周邊(bian)大(da)網(wang)(wang)(wang)基站(zhan)不(bu)設鄰(lin)區關(guan)系，避(bi)免發生切換。

　　公(gong)網方式(shi)(紅色為周邊常規基站)

專網方式(shi) (綠色為高鐵專用基站)

　　這里解(jie)釋一下，什么叫鄰(lin)區(qu)和切換(huan)。我們在(zai)走路或(huo)坐(zuo)車時，是處于(yu)運(yun)動狀態。從一個(ge)(ge)區(qu)域(yu)，移動到(dao)另一個(ge)(ge)區(qu)域(yu)。也就會從一個(ge)(ge)基站(zhan)范(fan)(fan)圍，到(dao)另一個(ge)(ge)基站(zhan)范(fan)(fan)圍。如(ru)果你(ni)正在(zai)打電(dian)話(hua)，或(huo)者正在(zai)上網追劇(ju)，為了不讓你(ni)的電(dian)話(hua)或(huo)網劇(ju)中斷，系(xi)統會進行自動切換(huan)。看這個(ge)(ge)圖，就明(ming)白了:

　　切(qie)(qie)換分(fen)為(wei)軟切(qie)(qie)換和硬切(qie)(qie)換，涉(she)及(ji)的技術有點復雜(za)，今天不(bu)深入(ru)研(yan)究。總之大(da)家只(zhi)需要記住，一切(qie)(qie)都(dou)是(shi)為(wei)了讓你“不(bu)掉線”。

　　如(ru)果用(yong)公網方式，好處是(shi)(shi)節約了(le)投資。壞處的(de)話，就是(shi)(shi)即使做了(le)優(you)化，效(xiao)果也(ye)很有限(xian)，容(rong)易(yi)受公網其(qi)它基站(zhan)的(de)影(ying)響，導致掉線。(簡單從技術(shu)角(jiao)度來(lai)說(shuo)，就是(shi)(shi)所有基站(zhan)的(de)頻點都是(shi)(shi)一樣(yang)的(de)，手(shou)機容(rong)易(yi)“跳來(lai)跳去”。)

　　專(zhuan)網(wang)(wang)就(jiu)不一樣(yang)(yang)了，可(ke)以(yi)理解為(wei)獨立的一張網(wang)(wang)絡，享受VIP服(fu)務。因為(wei)專(zhuan)網(wang)(wang)和公網(wang)(wang)的頻點都不一樣(yang)(yang)，系統上也會做配置，不允許你去“勾搭”外面(mian)的公網(wang)(wang)基站，所以(yi)你必須老(lao)老(lao)實(shi)實(shi)待在專(zhuan)網(wang)(wang)里面(mian)，掉線的概率會大幅降(jiang)低。

專網下(xia)的(de)高鐵信號(藍色塊=高鐵列車行(xing)駛模擬)

　　切換的(de)成功(gong)率，受很(hen)多方面的(de)影響。其中很(hen)重要的(de)因素(su)，就(jiu)是(shi)速度。我們來看一(yi)組數據:一(yi)個普通(tong)WCDMA基站的(de)覆蓋范圍(1950Hz，郊(jiao)區，天線掛高45米(mi))，是(shi)979米(mi)。

WCDMA 天線掛高對(dui)應(ying)覆蓋(gai)半徑(郊(jiao)區(qu))

　　人(ren)走路的(de)速(su)度(du)(du)，每(mei)小(xiao)時(shi)6公(gong)(gong)里(li)(每(mei)分鐘100米(mi))。汽車的(de)速(su)度(du)(du)，就算(suan)是高(gao)(gao)速(su)公(gong)(gong)路吧，每(mei)小(xiao)時(shi)120公(gong)(gong)里(li)(每(mei)分鐘2000米(mi))。高(gao)(gao)鐵的(de)速(su)度(du)(du)，每(mei)小(xiao)時(shi)差(cha)不(bu)多是350公(gong)(gong)里(li)(每(mei)分鐘5833米(mi))。

　　按(an)人的(de)運動速度，跨區切(qie)(qie)換(huan)(huan)的(de)時(shi)間(jian)(jian)是(shi)充足的(de)。汽車也問題不(bu)大。但(dan)是(shi)，高鐵的(de)話，根據切(qie)(qie)換(huan)(huan)算(suan)法時(shi)間(jian)(jian)的(de)估(gu)算(suan)，3~6秒(miao)就要發(fa)生一次切(qie)(qie)換(huan)(huan)。這(zhe)樣(yang)的(de)頻率，是(shi)非常考驗系(xi)統(tong)覆蓋和性能的(de)。一不(bu)小心，切(qie)(qie)換(huan)(huan)就失敗(bai)了，你也就掉線了。

　　高鐵的(de)高速度(du)，除了會(hui)帶來頻繁的(de)切(qie)換之(zhi)外，還(huan)有一個很要命的(de)，就是多普勒效應。

多普勒(le)和(he)多普勒(le)效(xiao)應公式

　　最痛恨公(gong)式(shi)，我(wo)就(jiu)不介紹了(le)(le)哈!簡(jian)單來說，多(duo)普(pu)勒(le)效應(ying)的(de)(de)意思，就(jiu)是手機運動的(de)(de)速度太快，信號(hao)都追不上了(le)(le)。。。當信號(hao)到達(da)的(de)(de)時候(hou)，已經錯(cuo)位了(le)(le)。速度越(yue)快，多(duo)普(pu)勒(le)效應(ying)越(yue)明(ming)顯，頻率(lv)越(yue)高，多(duo)普(pu)勒(le)效應(ying)越(yue)明(ming)顯。針對高鐵+4G場(chang)景(4G的(de)(de)頻率(lv)高于2G)，這簡(jian)直(zhi)就(jiu)是要了(le)(le)老命。

　　以 350km/h 的時速為例，在 GSM 900MHz 頻(pin)(pin)段，多普勒頻(pin)(pin)移(yi)能夠(gou)達到(dao)300Hz;在 WCDMA 2000MHz 頻(pin)(pin)段，多普勒頻(pin)(pin)移(yi)最(zui)高(gao)能夠(gou)達到(dao) 650Hz。尤其是LTE采(cai)用的OFDM正(zheng)交(jiao)頻(pin)(pin)分復(fu)用技術(shu)，對(dui)載波頻(pin)(pin)率(lv)偏移(yi)更加敏感。我畫個圖，方(fang)便大(da)家理解:

　　不是OFDM的情況下，就(jiu)是這樣▼

　　OFDM的情(qing)況下，是這(zhe)樣(yang)▼

　　大家交錯(cuo)分開(kai)，占(zhan)用的空間更小(提高(gao)頻譜利(li)用率)，但(dan)是(shi)還是(shi)能分清對(dui)象(xiang)(提取有效(xiao)數(shu)據)。But，如(ru)果因為多(duo)普勒(le)效(xiao)應，開(kai)始錯(cuo)位，就很(hen)難看清楚(chu)人了(錯(cuo)誤增加(jia))▼

　　除了多普勒效(xiao)應之外，還(huan)有多徑效(xiao)應等，也影響信號的(de)傳輸。雖然(ran)3G/4G會(hui)通過專(zhuan)門算法對這些效(xiao)應進行抑制(zhi)，但是效(xiao)果有限(xian)。不(bu)過，好消息(xi)是，到(dao)了5G時代，情況就不(bu)一樣了。5G的(de)性能指標里面(mian)，明確指出(chu)，可以支持終(zhong)端最高移(yi)動(dong)速度為500km/h。除非是超(chao)級高鐵(時速1000km/h)，不(bu)然(ran)5G都能hold住。

　　除了基站(zhan)數量和密度之(zhi)外，站(zhan)址(zhi)的選擇，也是很(hen)大的一門(men)學問。高鐵線路(lu)，呈(cheng)狹長帶狀分布，區域(yu)跨度大，沿途經過車(che)站(zhan)、地(di)(di)面、高架橋、地(di)(di)塹(qian)、隧道和橋梁等多種地(di)(di)形(xing)、地(di)(di)貌。在明(ming)確具體的覆蓋方(fang)案之(zhi)前，需要結合地(di)(di)形(xing)場景、指標(biao)要求、列車(che)速度，進行鏈(lian)路(lu)預(yu)算(suan)，確定站(zhan)址(zhi)以及站(zhan)距(ju)。

　　架設基站，是不是離列車越近越好呢?

　　并不(bu)是，離得越(yue)遠，信號(hao)的入射角越(yue)大，穿透損耗越(yue)小。垂(chui)直入射時，損耗最(zui)小。

　　高(gao)鐵車廂都是(shi)金屬合金，無線(xian)(xian)信號的衰減很大。所以，基站和(he)鐵軌之間的距(ju)離(li)，要保持(chi)在(zai)50米(mi)(mi)以上，最佳間距(ju)是(shi)100-500米(mi)(mi)。天(tian)線(xian)(xian)的高(gao)度也有講究，不能(neng)太(tai)低，也不能(neng)太(tai)高(gao)，一般是(shi)天(tian)線(xian)(xian)高(gao)出軌面15米(mi)(mi)，保證(zheng)天(tian)線(xian)(xian)與軌面視通(tong)，保證(zheng)天(tian)線(xian)(xian)朝向正對車窗。

　　現在大(da)家明白為什么坐高鐵的時候，總是能看到(dao)基站天線了(le)吧。它(ta)們(men)就(jiu)是故意這么架設的，方便信號能到(dao)達(da)你的手機。

　　在(zai)(zai)(zai)直(zhi)線軌道(dao)(dao)路段，相(xiang)鄰站點(dian)宜交(jiao)錯(cuo)分布于軌道(dao)(dao)的(de)兩側，呈(cheng)“之”字狀分布。在(zai)(zai)(zai)彎(wan)道(dao)(dao)路段，站點(dian)宜設置在(zai)(zai)(zai)彎(wan)道(dao)(dao)的(de)內側，提高入射(she)角(jiao)，保證(zheng)覆蓋的(de)均(jun)衡性。

　　最后一個問題，在山區或丘陵地帶，會有大量的隧道，那么，隧道中如何保證信號覆蓋呢?

　　如果是短隧道(dao)，可以通過隧道(dao)口的天線，向隧道(dao)內進行(xing)定(ding)向輻射，進行(xing)覆蓋(gai)。如果是長隧道(dao)，就需要(yao)用到“泄漏電纜(lan)”。就是下面這(zhe)個:

　　隧道電纜的高度，一(yi)般和高鐵的中部窗口平(ping)齊。

　　泄漏電(dian)纜(lan)(lan)結構(gou)與普通的(de)同軸電(dian)纜(lan)(lan)基(ji)本(ben)一(yi)致，由內導體、絕緣介質和(he)開有周期性槽孔(kong)的(de)外導體三部分(fen)組成。電(dian)磁(ci)波(bo)在泄漏電(dian)纜(lan)(lan)中縱向傳輸(shu)的(de)同時，通過槽孔(kong)向外界輻(fu)射電(dian)磁(ci)波(bo);外界的(de)電(dian)磁(ci)場(chang)也可通過槽孔(kong)感應到(dao)泄漏電(dian)纜(lan)(lan)內部，并傳送到(dao)接(jie)收端。

泄露同軸電纜

 　　泄漏電(dian)纜(lan)的信號效果(guo)還是(shi)不錯的，即使(shi)在(zai)非(fei)隧道環(huan)境下(xia)，也可以考慮使(shi)用(前提是(shi)不差錢，因為還要(yao)修擋風(feng)墻(qiang)或屏蔽罩)。

擋風墻

　　在隧道里，通常也有(you)小型機房，里面有(you)RRU和一(yi)些(xie)信號中繼設備。

隧道機房

　　好啦(la)!洋洋灑(sa)灑(sa)說了那么多(duo)，相信(xin)(xin)(xin)大家(jia)一定(ding)對高(gao)鐵(tie)信(xin)(xin)(xin)號覆蓋有(you)了初(chu)步(bu)了解(jie)。正如文章所(suo)說，高(gao)鐵(tie)的移動信(xin)(xin)(xin)號優化，是(shi)一項非常復雜(za)的工(gong)作(zuo)，既要(yao)投(tou)入大量的資金，還要(yao)克服很(hen)多(duo)技(ji)術困(kun)難。更重要(yao)的，是(shi)離不開(kai)我們通信(xin)(xin)(xin)工(gong)程師的辛苦付出(chu)。相信(xin)(xin)(xin)不久(jiu)的將(jiang)來，在5G黑科(ke)技(ji)的加持之下(xia)，我們一定(ding)能(neng)徹底解(jie)決高(gao)鐵(tie)上的信(xin)(xin)(xin)號難題，讓大家(jia)享受暢(chang)快的網絡體驗!