都5G时代了，高铁上怎么还是没信号？

要问连起来快要绕地球一圈的是什么？不是某飘飘奶茶，也不是兰州拉面，而是咱基建狂魔建设的高速铁路。

截至去年年底，我国高铁运营里程达3.79万公里，超过欧美国家稳居世界第一。全国高铁网已覆盖94.7%的100万以上人口城市。

越来越多的人们出行愿意去选择高铁，省时省事儿、便宜舒适，甚至还有高铁专属奶茶喝。

图/ 中国铁路广州动车组餐饮公司推出了高铁奶茶

可是，高铁千好万好，唯有一个硬伤，就是信号极差。发个文字消息都要转上半天，更别说看视频卡成PPT，玩游戏掉线被队友骂了。

2019年底，我国正式开启5G商用时代。但是两年过去了，全民用网得到提速的同时，为什么高铁上还是迟迟没有信号呢？

高铁无线通信的三大难题

通常来说，时速达到250km/h的铁路系统就可以被称为高铁，我国自主研发的“复兴号”标准时速可以达到350km/h，最高时速可超过400km/h。

高速是高铁的优势之一，然而对于无线通信来说，高速是导致高铁网络通信系统不稳定的最大因素。

想要优化高铁无线通信的稳定性，需要解决三大技术难题。

第一，高速移动场景下的多普勒效应。

各位还记得多普勒效应吗？不记得没关系，我来帮你复习一下初中物理知识。

多普勒效应是由于波源与观测者之间的相对运动，导致波源发射频率与接收频率不同。两者相互接近时，波长变短，频率变高，反之亦然。

把多普勒效应应用在高铁上，可以理解为当车厢内的网络通信信号与接收终端产生相对运动时，终端接收的传播频率发生会偏差。这个偏差直接影响移动终端的接入成功率和切换成功率，偏差较大甚至会造成手机掉线无信号。

图/ 多普勒频移示意图

一般情况下，当列车在 250 km /h 以下速度运行时，受多普勒效应的影响较小； 当列车在 250 km /h 以上速度运行时，受多普勒效应的影响较大，接通率大幅降低，掉话率大幅增加，无线信号质量下降，移动终端脱网情况严重、数据业务基本不能实现。

对于高度运行的高铁来说，多普勒效应是影响无线通信系统稳定最重要的因素。随着列车运行速度的不断提高，多普勒效应产生的频移影响也会越来越明显。

第二，高速移动场景下的通信终端频繁切换问题。

众所周知，手机的信号以电磁波形式传播，基站是所有手机信号的“中转站”，处于基站有限的覆盖区域内是手机有信号的前提。

当运行的列车满载着一车厢的通信用户高速行驶时，手机会在沿途多个通信基站之间快速的切入切出，完成这个无缝衔接过程的区域就叫做切换区域。

举个例子，一列运行速度达200km/h的列车，单次越区切换时间为6s，则要求最小切换区域必须大于600m。切换区域范围不够、覆盖不足，就会出现丢失信号的情况。

图/ 切换区域示意图

除此之外，大量的通信用户同时完成区域切换，会给基站带来巨大的载入压力，负荷大、载入慢，掉线情况就很常见了。

理论上来说，几秒一次的频繁切换信号导致基站的建设密度需要确保有足够的重叠覆盖区域。但是从实际来看，高铁铁路建设区域跨度大，途径的地形地貌也比较复杂，这对基站的选址和数量来说，是一个很大的考验。

第三，车体对信号的损耗。

高铁车厢采用的合金材料、封闭式的车体、较厚的玻璃车窗以及车窗的涂层等对信号有阻隔效果，无线信号穿透进车厢，会有一定程度的损耗。

图/ 各车型穿透损耗总结

5G时代

高速通信普及指日可待

5G比4G多1G，这1G就多在数据传输速度变快了，网络速度高达4G的100倍，带宽是4G的1000倍，网络延时也缩短至≤1ms。

最重要的是，5G能够支持500km/h的终端移动速度，如果能把5G技术应用于高铁场景，岂不是就可以告别高铁无网的窘状了？

5G技术应用，还是要回归基站的问题。5G的毫米波技术极大的提高了传输速度，但碍于波长较短，在空气中的衰减较大，且穿透力会变弱。

举个例子，普通4G基站可以覆盖几十公里的区域，而同样规模的5G基站只能覆盖几百米。实现5G的高速通信，这就要求铁路沿线的5G基站数量和密度要达到一定标准。

不管在经济方面还是技术方面，都是一个很大的挑战。

目前来说，作为即将开始的北京冬奥会交通配套工程——京张高铁，已经完成了5G全线覆盖，是全球首条实现 5G 全覆盖的高铁。

图/ 网络京张高铁

高速通信的普及绝不是一个一蹴而就的简单事儿，在这之前，静下心来，放下手机，看看窗外的风景也是不错的选择。

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参考文献:

[1] 高速铁路车地宽带无线通信方案比较研究 李栋 中铁通信信号勘测设计( 北京) 有限公司

[2] 高铁无线通信系统稳定性研究 嵇静婵

[3] 高速铁路 LTE 切换技术的研究 詹强 信息通信

[4]浅谈高速铁路通信系统在 5G 环境下的应用 焦庆文

注：封面图以及文中插图来源网络

一键三连,拭目以待！