眾所周知，我們國家有目前世界上最發達的高速鐵路網絡。高鐵，拉近了城市之間的時間距離，徹底改變了我們的生活。
可是，高鐵千好萬好，有一點卻始終困擾著乘客，那就是高鐵上面的手機信號難題。
乘坐高鐵的時候，漫漫旅途，寂寞難耐，你一定會掏出手機，以此來打發時間。
不過，你經常會發現，手機信號很不穩定，時好時壞，甚至有時候乾脆徹底無信號。
在這種信號品質下使用手機，只能勉強聊聊微信，看看網頁。看影片的話，會頻繁出現卡頓。玩遊戲就更別想了，一定會坑死隊友。
那麽問題來了，為什麽在高鐵上手機信號會這麽差？這個難題真的無法解決嗎？
今天，小編就詳細和大家聊聊這個問題。
首先，我們把目光聚焦在十年之前的2008年。這一年很重要，可以說具有劃時代的意義。
從通信的角度來看，2008年之前，我們長期處於2G時代，使用的是GSM和CDMA網絡。智能手機剛剛起步，我們的通信方式，還是以電話和簡訊為主。
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、藍皮車。
普速列車，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，正式開通，時速350公里。由此，正式宣告中國進入高鐵時代。
不久之後，通信這邊也發生巨變，2009年1月7日，工信部正式發放3G牌照，中國進入3G時代。
經過十年的發展，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，如今中國高鐵運營裡程已經接近3萬公里。
而通信方面，經過短暫的3G時代，中國很快邁入了4G時代。現在，4G網絡已經基本實現了全國覆蓋。
以上是背景知識鋪墊。接下來，進入具體分析。
首先我們來看看影響信號的最主要因素之一——基地台數量。
2008年，全國基地台總數大約是641100個。
看上去這個數量很多，但實際上，按面積平均一下，就不多了——平均每平方公里僅0.07個基地台。
而且，這些基地台主要集中在城區和村鎮。鐵路所經過的區域，多為人煙稀少地區，基地台密度更小。尤其是山區，受地形影響，信號會更差。
2008年之後，進入高鐵時代和3G/4G時代，我國基地台數量大幅增長。根據2017年底的數據，我國基地台總數是604萬個，其中3G/4G基地台總數為447萬個。平均每平方公里0.63個基地台，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，我們也都實現了信號的覆蓋。
在山區修建和維護基地台，不是一件容易的事情。
而且，如果說普速鐵路運營商不太重視的話，高速鐵路的信號品質，運營商是不敢不重視的。
很簡單，作為國家名片、地區名片的高鐵，它上面的信號品質，不僅代表經濟效益，更意味著社會影響。如果高鐵上自家信號不好，不僅影響用戶的滿意度，也會影響品牌聲譽。
所以，運營商是願意為高鐵信號改善投入資金的。
問題的關鍵在於，有些事情，光靠砸錢建基地台，不一定有用。
高鐵基地台的建設，和普通基地台有很大不同。
高鐵沿線的網絡覆蓋，主要有兩種方式，分別是公網方式和專網方式。
公網方式，是將高鐵沿線的覆蓋，融入周邊大網統一規劃和考慮。也就是說，利用周邊已有的基地台進行覆蓋，隻不過稍加優化和調整。
專網方式，採用的是單獨組網，即高鐵專網和周邊大網分開，除車站外，高鐵專網基地台和周邊大網基地台不設鄰區關係，避免發生切換。
公網方式（紅色為周邊常規基地台）
專網方式（綠色為高鐵專用基地台）
這裡解釋一下，什麽叫鄰區和切換。
我們在走路或坐車時，是處於運動狀態。從一個區域，移動到另一個區域。也就會從一個基地台範圍，到另一個基地台範圍。
如果你正在打電話，或者正在上網追劇，為了不讓你的電話或網劇中斷，系統會進行自動切換。
看這個圖，就明白了：
切換分為軟切換和硬切換，涉及的技術有點複雜，今天不深入研究。總之大家只需要記住，一切都是為了讓你“不掉線”。
如果用公網方式，好處是節約了投資。壞處的話，就是即使做了優化，效果也很有限，容易受公網其它基地台的影響，導致掉線。（簡單從技術角度來說，就是所有基地台的頻點都是一樣的，手機容易“跳來跳去”。）
專網就不一樣了，可以理解為獨立的一張網絡，享受VIP服務。因為專網和公網的頻點都不一樣，系統上也會做配置，不允許你去“勾搭”外面的公網基地台，所以你必須老老實實待在專網裡面，掉線的概率會大幅降低。
專網下的高鐵信號（藍色塊=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。
我們來看一組數據：
一個普通WCDMA基地台的覆蓋範圍（1950Hz，郊區，天線掛高45米），是979米。
WCDMA 天線掛高對應覆蓋半徑（郊區）
人走路的速度，每小時6公里（每分鐘100米）。
汽車的速度，就算是高速公路吧，每小時120公里（每分鐘2000米）。
高鐵的速度，每小時差不多是350公里（每分鐘5833米）。
按人的運動速度，跨區切換的時間是充足的。汽車也問題不大。但是，高鐵的話，根據切換算法時間的估算，3~6秒就要發生一次切換。這樣的頻率，是非常考驗系統覆蓋和性能的。
一不小心，切換就失敗了，你也就掉線了。
高鐵的高速度，除了會帶來頻繁的切換之外，還有一個很要命的，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！簡單來說，多普勒效應的意思，就是手機運動的速度太快，信號都追不上了。。。當信號到達的時候，已經錯位了。。。
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場景（4G的頻率高於2G），這簡直就是要了老命。
以 350km/h 的時速為例，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採用的OFDM正交頻分複用技術，對載波頻率偏移更加敏感。
我畫個圖，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，佔用的太空更小（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會通過專門算法對這些效應進行抑製，但是效果有限。
不過，好消息是，到了5G時代，情況就不一樣了。5G的性能指標裡面，明確指出，可以支持終端最高移動速度為500km/h。除非是超級高鐵（時速1000km/h），不然5G都能hold住。
除了基地台數量和密度之外，站址的選擇，也是很大的一門學問。
高鐵線路，呈狹長帶狀分布，區域跨度大，沿途經過車站、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，需要結合地形場景、指標要求、列車速度，進行鏈路預算，確定站址以及站距。
架設基地台，是不是離列車越近越好呢？
並不是，離得越遠，信號的入射角越大，穿透損耗越小。垂直入射時，損耗最小。
高鐵車廂都是金屬合金，無線信號的衰減很大。
所以，基地台和鐵軌之間的距離，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，保證天線朝向正對車窗。
現在大家明白為什麽坐高鐵的時候，總是能看到基地台天線了吧。它們就是故意這麽架設的，方便信號能到達你的手機。
在直線軌路線段，相鄰站點宜交錯分布於軌道的兩側，呈“之”字狀分布。在彎路線段，站點宜設定在彎道的內側，提高入射角，保證覆蓋的均衡性。
最後一個問題，在山區或丘陵地帶，會有大量的隧道，那麽，隧道中如何保證信號覆蓋呢？
如果是短隧道，可以通過隧道口的天線，向隧道內進行定向輻射，進行覆蓋。
如果是長隧道，就需要用到“泄漏電纜”。就是下面這個：
隧道電纜的高度，一般和高鐵的中部視窗平齊。
泄漏電纜結構與普通的同軸電纜基本一致，由內導體、絕緣介質和開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，通過槽孔向外界輻射電磁波；外界的電磁場也可通過槽孔感應到泄漏電纜內部，並傳送到接收端。
泄露同軸電纜
泄漏電纜的信號效果還是不錯的，即使在非隧道環境下，也可以考慮使用（前提是不差錢，因為還要修擋風牆或屏蔽罩）。
擋風牆
在隧道裡，通常也有小型機房，裡面有RRU和一些信號中繼設備。
隧道機房
好啦！洋洋灑灑說了那麽多，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，高鐵的移動信號優化，是一項非常複雜的工作，既要投入大量的資金，還要克服很多技術困難。
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難題，讓大家享受暢快的網絡體驗！
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