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來源：「中國科普博覽」公眾號（ID：kepubolan）
最近，據媒體公開報導，由粵港澳三地合作共建的超級跨海工程——港珠澳大橋通4G網路信號了。
「藏身」於水下40餘米的港珠澳大橋沉管隧道設計圖（圖片來源：http://www.hzmb.org/cn/default.asp）
這是由中國鐵塔公司承建的港珠澳大橋主體工程移動通信基礎設施，歷時3年零2個月終於完工，通信項目已通過中國電信、中國移動、中國聯通三家經營商的網路驗收測試，信息「大橋」與港珠澳大橋做到了同步規劃、同步設計、同步建設。
令人印象深刻的是，在港珠澳大橋深達40餘米的海底沉管隧道內，手機上的4G網路信號依然滿格，語音視頻通信流暢。
讀完這則新聞不禁讓人心生疑惑，這麼深的隧道，信號滿格到底是如何做到的呢？平時坐火車過長一點的隧道，還經常出現信號消失，語音斷續，甚至無法接打的情況。而在手機剛普及的時候，每逢春節，特別是除夕夜，還經常出現簡訊發不出、電話接不通的情況，這又是為什麼呢，這些技術有什麼區別呢？
1.手機通信信號是如何提供的，海底隧道信息設施為什麼是鐵塔公司建設呢？
手機移動通信系統由三大部分組成：移動台（如手機）；基站BS（天線、無線電信號的接收、發射設備及基站控制器等）；交換網路（移動交換機、跨地區間的中繼傳送設備等）。
移動台之間無論離得多近，均不能直接進行通信，需要經過基站和移動交換中心進行接入和轉PO，因此移動台能否收到無線信號，首先取決於所在區域基站的信號覆蓋情況。這也就能夠解釋，為什麼在港珠澳大橋深達40餘米的海底隧道內手機依然可以做到滿格。
圖中左側紅色閃電表示無線信號，右側線路是有線信號。不同基站（BS）覆蓋了不同範圍，它們通過一個交換中心（MSC）進行轉換（圖片來自於www.sohu.com）
新聞中專門提到項目是由中國鐵塔公司進行通信主體工程建設的，做到了三大經營商的網路性能測試，中國鐵塔公司與經營商之間有什麼聯繫呢？中國電信、中國移動、中國聯通三大經營商各自擁有自己的經營網路及無線頻段，以往移動基礎設施都是各自建設、獨立經營的，造成了資源的極大浪費。2014年，為了減少電信行業內鐵塔以及相關基礎設施的重復建設，提高行業投資效率，從機制上進一步促進節約資源和環境保護，三大經營商共同出資成立中國鐵塔公司。
2.火車過隧道時，為什麼信號不好？
說回來，火車過隧道時，為什麼還是信號不好呢？
（圖片來源：中研網）
除了部分隧道由於位置偏僻、隧道過長、環境複雜等原因，導致幾大移動經營商網路基礎設施建設覆蓋不全，從而影響無線信號覆蓋以外，還有其他的原因。
首先，由於移動通信是利用無線電波進行信息傳輸，運行情況十分複雜，很容易受通信環境物體遮擋及信號傳輸衰減等因素影響，產生多徑效應和陰影效應，造成電波傳播的幅度衰落和時延擴展。
火車過隧道時，遮擋和衰減的情況是比較嚴重的。
還有大家生活中一定有這樣的經歷，打電話一旦出現語音斷斷續續的情況，可以拿著手機走到稍微開闊的地帶，語音信號立即就清晰流暢了，也是這個道理。
同時，移動無線信號還容易受移動台與基站之間的相對高速運動影響，引起多普勒頻移以及相鄰蜂窩覆蓋之間信號的快速切換，從而造成電波傳播特性的快速隨機變化，前幾年乘坐高鐵時，語音信號很差主要就是這個原因。
行進中的高鐵（圖片來源：中國經濟網）
當時主流的2G網路主要針對相對慢速運動場景下設計，當運動速度超過200公里/小時臨界限制時，累計多普勒頻移偏差會顯著增加，導致移動通信質量明顯下降。現在的4G網路基本解決了300公里/小時高鐵高速移動的通信問題，未來時速500公里的超級高鐵場景的通信問題就是當前5G重點解決的問題之一。
3.除了火車過隧道，生活中還有哪些容易出現「信號不好」的場景？
生活中，「信號不好」的場景可不只有火車過隧道。
人群超密集的集會現場，如足球比賽現場、大型音樂會現場及廟會現場，也經常出現手機接不通、信息發不出的現象。
還有除夕之夜，辭舊迎新的時刻，正要給親朋好友發送祝福，手機就是不給力，因此大家前兩年經常接到「為了避免網路擁塞，提前送上新年祝福」的簡訊，這主要都是為了避開通信高峰時刻的網路擁塞。
這些現象背後的原因，都是移動通信的帶寬限制。無論2G、3G，還是4G通信系統，每個小區在給定頻段上所能支持都有最大用戶數限制，一旦超過上限容量，就會造成網路擁塞，通話無法接入，簡訊發送延時或無法發出。
4.影響無線信號的因素有哪些，如何解決信號不好的情況呢？
在無線通信的信道傳輸過程中，由於大氣及地面的影響而發生傳播損耗及傳播延時隨時間變化的現象叫做衰落，一般分為非頻率選擇性衰落（又稱平衰落）和頻率選擇性衰落。
衰落對通信的影響主要有：接收電平降低，無法保證正常通信；接收波形畸變，產生嚴重誤碼；傳播延時變化，破壞與時延同步；在快衰落情況下，由於電平變化迅速，影響信號同步跟蹤過程等，如何對抗衰落是無線通信必需認真解決的問題。
非頻率選擇性衰落會導致無線通信系統無法正常工作，對於手機用戶來講就是無信號。
對抗這類衰落的方法主要有增加發送功率、提高天線高度、減少通信距離等。在移動通信中，具體來說就是通過布設基站、微蜂窩、直放站等方式，增加區域的信號覆蓋及信號強度。比如現在很多大樓的電梯、地下車庫都能夠打電話，就是因為經營商在這些地方增加了微蜂窩基站或直放站，做到無線信號的有效覆蓋。
（圖片來源：中國經濟網）
（圖片來源：中國經濟網）
無線通信系統比較難解決的是由於多徑效應引起的頻率選擇性衰落，多徑效應最嚴重的後果之一是在信道傳播中引入非主徑信號的疊加變量，破壞奈奎斯特準則和匹配濾波準則，從而產生碼間串擾，導致信噪比嚴重惡化。
如上圖所示，移動台不僅接收到基站直接髮送的無線信號，還收到經過空間多個物體反射、折射的信號，導致多個信號疊加之後的快衰落變化。同時，由於移動台相對基站在移動，導致多普勒頻移引起的慢衰落變化，這些都是信號衰減的表現。對抗頻率選擇性衰落手段包括分集技術、均衡技術、瑞克技術及糾錯技術等，由於這些技術過於專業，這里我們就不做具體解釋。
5.未來通信將是什麼樣的？
信息革命浪潮一波未平，一波又起，以物聯網為代表的互聯網+技術，帶動信息社會進入智能化時代。
未來我們的通信將是5G的世界。
物聯網和移動互聯網將成為5G發展的兩大主要驅動力。中國也由在2G/3G時代跟跑國際信息技術發展，到4G時代與發達國家並駕齊驅，到5G時代主導國際標準的制定。華為在一場3GPP RAN1 87次會議的5G短碼討論方案中，憑借59家代表的支持，以極化碼（Polar Code）戰勝了高通主推的LDPC及法國的Turbo2.0方案，拿下5G時代的話語權。
5G需要具備比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用戶體驗速率，每平方公里一百萬的連接數密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數十Tbps的流量密度，每小時500Km以上的移動性和數十Gbps的峰值速率。
其中，用戶體驗速率、連接數密度和時延為5G最基本的三個性能指標。同時，5G還需要大幅提高網路部署和經營的效率，相比4G，頻譜效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。
圖片來源：中研網
IMT-2020（5G）從移動互聯網和物聯網主要的應用場景、業務需求及挑戰出發，將5G概括為連續廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠四個主要技術場景。從5G的規劃設計指標可以看出，5G相對當前通信網路有著全方位的提升，將有效解決當前移動互聯網和物聯網存在的瓶頸和痛點問題。
未來，隨著5G網路做到快速連續覆蓋，即便有更快的超級高鐵投入使用，甚至在飛機上，乘客也可隨意地上網，在線觀看視頻，而不用擔心卡頓問題，更不用擔心電話接通或通話斷續；隨著超密集熱點大容量問題的解決，在足球比賽現場、音樂會現場，可以自如地分享現場實況，可以在除夕之夜、新年鐘聲敲響的那一刻，即時送上美好的祝福，而不用擔心卡頓擁塞；隨著低功耗大連接5G物聯網的全面使用，將做到物理世界萬事萬物透徹的感知、全面的連接、無人的值守、智能的控制；隨著低時延高可靠網路的發展建設，將真正做到車聯網系統中車車、車路、車網的全面實時可靠通信，做到智能駕駛、無人駕駛的全面普及。
我們深信，通過5G技術的發展應用，未來必將做到「信息隨心至、萬物觸手即」的美好願景。
（本文中標明來源的圖片均已獲得授權）
出品：科普中國
製作：中國科學院上海微系統研究所 邱雲周
監制：中國科學院計算機網路信息中心
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