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为什么火车穿过隧道时,手机总是没有信号?

中科院高能所 · 公众号 · · 2020-05-05 19:30

正文

今年过年回家，你选择什么交通工具？

很多人都有这样的经历，要坐很长时间火车时，会提前在手机上下载好几部电影以便打发车上的时间。特别是在中国南方地区，地形复杂，火车穿山越岭，一进入隧道，火车上就没信号。

很多人猜想，可能是因为信号被山体挡住了，无法进入隧道。

（图片来源：Veer图库）

然而，港珠澳大桥深达40余米的海底沉管隧道内，手机上的4G网络信号依然满格，语音视频通信流畅。

“藏身”于水下40余米的港珠澳大桥沉管隧道设计图

（图片来源：http://www.hzmb.org/cn/default.asp）

这么深的隧道，信号都能实现满格。火车过长一点的隧道，却会经常出现信号消失，语音断续，甚至无法接打电话的情况。这是为什么呢？

Part.1

手机接收信号，这三个条件都不能少

我们先来了解一下手机是如何接受信号的。

手机移动通信系统由三大部分组成：移动台（如手机）；基站（天线、无线电信号的接收、发射设备及基站控制器等）；交换网络（移动交换机、跨地区间的中继传送设备等）。

移动台之间无论离得多近，均不能直接进行通信，需要经过基站和移动交换中心进行接入和转发，因此移动台能否收到无线信号，首先取决于所在区域基站的信号覆盖情况。

（图片来源：Veer图库）

这也就能够解释，为什么在港珠澳大桥深达40余米的海底隧道内手机依然可以实现满格。

Part.2

火车过隧道时，为什么信号不好？

说回来，火车过隧道时，为什么还是信号不好呢？

（图片来源：中研网）

首先，由于移动通信是利用无线电波进行信息传输，运行情况十分复杂，很容易受通信环境物体遮挡及信号传输衰减等因素影响，产生多径效应和阴影效应，造成电波传播的幅度衰落和时延扩展。

火车过隧道时，信号遮挡和衰减的情况比较严重。

大家生活中一定有这样的经历，打电话一旦出现语音断断续续的情况，可以拿着手机走到稍微开阔的地带，语音信号立即就清晰流畅了，其实也是这个道理。

同时，移动无线信号还容易受移动台与基站之间的相对高速运动影响，引起多普勒频移以及相邻蜂窝覆盖之间信号的快速切换，从而造成电波传播特性的快速随机变化，前几年乘坐高铁时，语音信号很差主要就是这个原因。

行进中的高铁

（图片来源：中国经济网）

2G网络主要针对相对慢速运动场景下设计，当运动速度超过200公里/小时临界限制时，累计多普勒频移偏差会显著增加，导致移动通信质量明显下降。现在的4G网络基本解决了300公里/小时高铁高速移动的通信问题。未来时速500公里的超级高铁场景的通信问题就是当前5G重点解决的问题之一。2019年末，已经有运营商进行了5G商用网络测试，在代表地表最高速度的磁悬浮列车时速接近450公里情况下，5G商用终端稳定。

当然，火车过隧道信号差，往往还与部分隧道位置偏僻、隧道过长、环境复杂等，导致几大移动运营商网络基础设施建设覆盖不全，从而影响无线信号覆盖有关。

Part.3

生活中还有哪些容易出现“信号不好”的场景？

生活中，“信号不好”的场景可不只有火车过隧道。

人群超密集的集会现场，如足球比赛现场、大型音乐会现场及庙会现场，也经常出现手机接不通、信息发不出的现象。

还有除夕之夜，辞旧迎新的时刻，正要给亲朋好友发送祝福，手机就是不给力，因此大家前两年经常接到“为了避免网络拥塞，提前送上新年祝福”的短信，这主要都是为了避开通信高峰时刻的网络拥塞。

这些现象背后的原因，都是移动通信的带宽限制。无论2G、3G，还是4G通信系统，每个小区在给定频段上所能支持都有最大用户数限制，一旦超过上限容量，就会造成网络拥塞，通话无法接入，短信发送延时或无法发出。

Part.4

信号不好，如何解决？

在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落，一般分为非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落。

衰落对通信的影响主要有：接收电平降低，无法保证正常通信；接收波形畸变，产生严重误码；传播延时变化，破坏与时延同步；在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响信号同步跟踪过程等，如何对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题。

非频率选择性衰落会导致无线通信系统无法正常工作，对于手机用户来讲就是无信号。

对抗这类衰落的方法主要有增加发送功率、提高天线高度、减少通信距离等。在移动通信中，具体来说就是通过布设基站、微蜂窝、直放站等方式，增加区域的信号覆盖及信号强度。比如现在很多大楼的电梯、地下车库都能够打电话，就是因为运营商在这些地方增加了微蜂窝基站或直放站，实现无线信号的有效覆盖。

无线通信系统比较难解决的是由于多径效应引起的频率选择性衰落，多径效应最严重的后果之一是在信道传播中引入非主径信号的叠加变量，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，导致信噪比严重恶化。

Part.5

未来通信将是什么样的？

信息革命浪潮一波未平，一波又起，以物联网为代表的互联网+技术，带动信息社会进入智能化时代。

未来我们的通信将是5G的世界。

随着5G网络实现快速连续覆盖，即便超级高铁速度更快，网络也能覆盖。随着超密集热点大容量问题的解决，在足球比赛现场、音乐会现场，可以自如地分享现场实况，可以在除夕之夜、新年钟声敲响的那一刻，即时送上美好的祝福，而不用担心卡顿拥塞；随着低功耗大连接5G物联网的全面使用，将实现物理世界万事万物透彻的感知、全面的连接、无人的值守、智能的控制；随着低时延高可靠网络的发展建设，将真正实现车联网系统中车车、车路、车网的全面实时可靠通信，实现智能驾驶、无人驾驶的全面普及。

出品：科普中国

制作：邱云周（中国科学院上海微系统研究所）

监制：中国科学院计算机网络信息中心

（本文中标明来源的图片已获得授权）

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