眾所周知，中國有目前世界上最發達的高速鐵路網。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，高鐵在好，有一點始終困擾著乘客，那就是手機信號的難題。乘坐高鐵漫漫旅途，寂寞難耐，你一定會掏出手機打發時間。
你經常會發現，手機信號很不穩定，時好時壞，甚至乾脆徹底無信號。
這種信號質量下使用手機，只能勉強聊聊微信，看看網頁，看視頻會頻繁出現卡頓，玩遊戲就一定會坑死隊友。
那麼為什麼在高鐵上手機信號會這麼差？這個難題真的無法解決嗎？
首先，在十年之前，也就是2008年。這一年可以說是具有劃時代的意義。
從通信角度來看，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，通信方式是以電話和短信為主。
從鐵路角度來看，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，運行速度基本上在80-120km/h。
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，通信也發生鉅變，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，如今中國高鐵運營里程已接近3萬公里。
而通信方面，經過短暫的3G時代，中國很快邁入4G時代。現在，4G網絡已經基本實現了全國覆蓋。
接下來進入具體分析，影響信號的最主要因素之一 —— 基站數量
2008年，全國基站總數約是641100個。看上去這個數量很多，但實際上，按面積平均就不多了——平均每平方公里僅0.07個基站。而且，這些基站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，基站密度更小，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，我國基站數量大幅增加，根據2017年底的數據，我國基站總數為604萬個，其中3G/4G基站總數為447萬個。平均每平方公里0.63個基站，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，都實現了信號的覆蓋。
在山區修建和維護基站，不是一件容易的事。另外，如果說普速鐵路的信號質量，運營商不太重視。那麼，高速鐵路的信號質量，運營商是不敢不重視的。道理很簡單，作為國家名片、地區名片的高鐵，它的信號質量，不僅代表經濟效益，更意味著社會影響。如果高鐵上信號不好，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，光靠砸錢建基站，不一定有用。高鐵基站的建設，和普通基站有很大不同。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，利用周邊已有的基站進行覆蓋，只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，高鐵專網基站和周邊大網基站不設鄰區關係，避免發生切換。
圖：公網方式（紅色為周邊常規基站）
圖：專網方式（綠色為高鐵專用基站）
什麼叫鄰區和切換？
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，也就會從一個基站範圍，到另一個基站範圍。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。切換分為軟切換和硬切換，涉及的技術有點複雜，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，好處是節約投資。壞處是即使做了優化，效果也很有限，容易受公網其它基站的影響，導致掉線。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”外面的公網基站，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。
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。
舉例說明：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，跨區切換的時間充足，汽車問題也不大。但是，高鐵，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，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（最痛恨公式，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。
圖：不是OFDM的情況是這樣
圖：OFDM的情況是這樣
大家交錯分開，佔用的空間更小（提高頻譜利用率），但是還是能分清對象（提取有效數據）。
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）（下圖）。
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制，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。
除了基站數量和密度之外，站址的選擇也是很大的一門學問
高鐵線路，呈狹長帶狀分佈，區域跨度大，沿途經過車站、地面、高架橋、地塹、隧道和橋樑等多種地形、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。
架設基站，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，基站和鐵軌之間的距離，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。現在大家明白為什麼坐高鐵時，總是能看到基站天線了吧，方便信號能到達你的手機。
在直線軌道路段，相鄰站點宜交錯分佈於軌道的兩側，呈
“之”字狀分佈。在彎道路段，站點宜設置在彎道的內側，提高入射角，保證覆蓋的均衡性。
在山區或丘陵地帶，會有大量的隧道。那麼，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“洩漏電纜”（下圖）。隧道電纜的高度，一般和高鐵的中部窗口平齊。
洩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。電磁波在洩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洩漏電纜內部，並傳送到接收端。洩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）。
相信不久的將來，在5G時代，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！
對了，記得坐高鐵的時候，細心觀察下高鐵周邊！圖文來源網絡，侵刪。
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