Jack Jiang

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          60天內(nèi)閱讀排行

          【來源申明】本文引用了微信公眾號“鮮棗課堂”的《坐高鐵手機沒信號?原因遠比你想的要復雜!》文章內(nèi)容。為了更好的內(nèi)容呈現(xiàn),本文在引用和收錄時內(nèi)容有改動,轉載時請注明原文來源信息,尊重原作者的勞動。

          1、系列文章引言

          1.1適合誰來閱讀?

          本系列文章盡量使用最淺顯易懂的文字、圖片來組織內(nèi)容,力求通信技術零基礎的人群也能看懂。但個人建議,至少稍微了解過網(wǎng)絡通信方面的知識后再看,會更有收獲。如果您大學學習過《計算機網(wǎng)絡》這門課,那么一定不要錯過本系列文章。

          特別推薦即時通訊開發(fā)者來閱讀,因為針對移動弱網(wǎng)的問題,確實可以找到很多有價值的答案。

          友情提示:本系列文章可能涉及以下通信技術范疇,如您有興趣,也可自行系統(tǒng)地學習:

           
          技術交流:

          1.2本系列文章的初衷

          作為即時通訊(IM、消息推送等應用場景)相關技術的開發(fā)者人員來說,似乎了解跨專業(yè)的通信技術(這是大學通信工程專業(yè)類學生的學習內(nèi)容),有點過于深入和底層了,因為一般來說熟練掌握邏輯層的TCP\IP相關協(xié)議、網(wǎng)絡編程相關的應用技術就差不多能勝任這方面的本職工作了。

          沒錯,確實是這樣。但在開發(fā)IM、推送這類應用系統(tǒng)時,尤其在移動網(wǎng)絡下,各種弱網(wǎng)問題,讓人非常痛苦。

          典型的弱網(wǎng)問題,比如:

          • 1)頻繁掉線;
          • 2)丟包嚴重;
          • 3)網(wǎng)絡抖動;
          • 4)網(wǎng)絡延遲;
          • ........

          那么,針對以上現(xiàn)象,怎么才能有底氣的跟老板、客戶、產(chǎn)品經(jīng)理地解釋以下問題?

          • 1)導致這些現(xiàn)象的根本原因到底是什么?
          • 2)怎么跟老板解釋,要搞定在高鐵上用好音視頻聊天功能很困難?
          • 3)怎么跟客戶解釋P2P在3G、4G甚至5G網(wǎng)絡下的成功率問題?
          • 4)怎么向客戶說明,商場或人多場合下,明明信號很好,但你的APP確用不了?
          • .......

          你說這些都是網(wǎng)絡問題,APP代碼無能為力。那么,你倒是講講到底是什么樣的網(wǎng)絡問題?能把人講信服了,就可以甩鍋給網(wǎng)絡,不然只能是APP代碼背鍋了。現(xiàn)實吧!

          所以,我們還是老老實實花點功夫來研究研究通信技術吧(通信技術直面的是網(wǎng)絡通信物理層),至少遇到問題,不說給別人,至少給自已找到一個說的過去的解釋。這才是一個優(yōu)秀程序員的修養(yǎng)!

          1.3本系列文章的價值

          網(wǎng)上能找到的通信技術資料都太過專業(yè)或太不專業(yè),要么都是搞網(wǎng)絡工程方面的內(nèi)行人編寫的(內(nèi)容專業(yè)但很枯燥難懂),要么就是外行的IT開發(fā)人員寫的(很少見,且價值不大,因為不夠專業(yè),所以內(nèi)容并不準確,參考價值很有限)。

          既能讓外行的普通程序員看懂,還能準確地講明白通信技術知識,這樣的資料簡直比找金礦還難。因為普通程序員能接觸到的網(wǎng)絡編程、網(wǎng)絡通信方面的資料多針對數(shù)據(jù)通信的邏輯層(比如:tcpip、socket等知識范疇),而通信技術涉及的是數(shù)據(jù)通信的物理層(交換機、路由器、天線、網(wǎng)絡制式等),某種意義上來說,這是完全不同的技術方向。

          好消息是,經(jīng)過長時間的資料搜集,終于有了本系列文章,希望能給你帶來幫助。

          1.4拓展閱讀

          即時通訊網(wǎng)之前已經(jīng)整理過《移動端IM開發(fā)者必讀(一):通俗易懂,理解移動網(wǎng)絡的“弱”和“慢”》、《移動端IM開發(fā)者必讀(二):史上最全移動弱網(wǎng)絡優(yōu)化方法總結》、《現(xiàn)代移動端網(wǎng)絡短連接的優(yōu)化手段總結:請求速度、弱網(wǎng)適應、安全保障》這幾篇初涉通信層的文章,但都因技術廣度和深度有限,能帶給讀者的幫助比較局限。如果您看過這幾篇文章,那么一定不要錯過本次的《IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門》系列文章。

          另外,如果您對最基本的程序員本該掌握的網(wǎng)絡編程知識都還不怎么了解的話,建議首先閱讀《網(wǎng)絡編程懶人入門系列文章》、《腦殘式網(wǎng)絡編程入門系列》,以及更高深一點的《不為人知的網(wǎng)絡編程系列文章》。

          1.5番外:通信技術女神鎮(zhèn)樓

          ▲ 史上最高顏值科學雜志封面,人物為 “CDMA之母”——海蒂·拉瑪(一個被演藝事業(yè)耽誤的科學女神)

          2、本系列文章目錄

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(一):通信交換技術的百年發(fā)展史(上)

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(二):通信交換技術的百年發(fā)展史(下)

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(三):國人通信方式的百年變遷

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(四):手機的演進,史上最全移動終端發(fā)展史

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(五):1G到5G,30年移動通信技術演進史

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(六):移動終端的接頭人——“基站”技術

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(七):移動終端的千里馬——“電磁波”

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(八):零基礎,史上最強“天線”原理掃盲

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(九):無線通信網(wǎng)絡的中樞——“核心網(wǎng)”

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十):零基礎,史上最強5G技術掃盲

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十一):為什么WiFi信號差?一文即懂!

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十二):上網(wǎng)卡頓?網(wǎng)絡掉線?一文即懂!

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十三):手機信號差?一文即懂!

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十四):高鐵上無線上網(wǎng)有多難?一文即懂!》(* 本文)

          IM開發(fā)者的零基礎通信技術入門(十五):理解定位技術,一篇就夠

          3、本文內(nèi)容概述

          眾所周知,我們國家有目前世界上最發(fā)達的高速鐵路網(wǎng)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(fā)時間。

          不過,你經(jīng)常會發(fā)現(xiàn),手機信號很不穩(wěn)定,時好時壞,甚至有時候干脆徹底無信號。

          在這種信號質(zhì)量下使用手機,只能勉強聊聊微信,看看網(wǎng)頁。看視頻的話,會頻繁出現(xiàn)卡頓。

          此時要是玩游戲就更別想了,一定會坑死隊友:

          這種情況下,對于IM程序員來說,被用戶、產(chǎn)品經(jīng)理、老板抱怨:“為什么我們的APP不能在高鐵上好好聊?”,貌似是再正常不過的事了。。。

          好吧,那么你到底有沒有認真考慮過,為什么在高鐵上手機信號會這么差?這個無線通信難題真的無法解決嗎?今天,作為通信老司機的筆者,就詳細和大家聊聊這個問題。

          4、背景知識鋪墊

          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,我們長期處于2G時代,使用的是GSM和CDMA網(wǎng)絡。智能手機剛剛起步,我們的通信方式,還是以電話和短信為主。

          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。

          不久之后,通信這邊也發(fā)生巨變,2009年1月7日,工信部正式發(fā)放3G牌照,中國進入3G時代。

          經(jīng)過十年的發(fā)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經(jīng)接近3萬公里。

          而通信方面,經(jīng)過短暫的3G時代,中國很快邁入了4G時代。現(xiàn)在,4G網(wǎng)絡已經(jīng)基本實現(xiàn)了全國覆蓋。

          以上是背景知識鋪墊。接下來,進入具體分析。

          5、影響信號的最主要因素之一:基站數(shù)量

          首先我們來看看影響信號的最主要因素之一——基站數(shù)量。

          2008年,全國基站總數(shù)大約是641100個。

          看上去這個數(shù)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個基站。

          而且,這些基站主要集中在城區(qū)和村鎮(zhèn)。鐵路所經(jīng)過的區(qū)域,多為人煙稀少地區(qū),基站密度更小。尤其是山區(qū),受地形影響,信號會更差。

          2008年之后,進入高鐵時代和3G/4G時代,我國基站數(shù)量大幅增長。根據(jù)2017年底的數(shù)據(jù),我國基站總數(shù)是604萬個,其中3G/4G基站總數(shù)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(shù)非常偏僻的地區(qū)之外,大部分鐵路沿線,我們也都實現(xiàn)了信號的覆蓋。

          ▲ 在山區(qū)修建和維護基站,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,高速鐵路的信號質(zhì)量,運營商是不敢不重視的。

          很簡單,作為國家名片、地區(qū)名片的高鐵,它上面的信號質(zhì)量,不僅代表經(jīng)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,運營商是愿意為高鐵信號改善投入資金的。

          6、高鐵基站不同于普通基站

          問題的關鍵在于,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(wǎng)絡覆蓋,主要有兩種方式:

          • 1)公網(wǎng)方式;
          • 2)專網(wǎng)方式。

          公網(wǎng)方式:是將高鐵沿線的覆蓋,融入周邊大網(wǎng)統(tǒng)一規(guī)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(yōu)化和調(diào)整。

          專網(wǎng)方式:采用的是單獨組網(wǎng),即高鐵專網(wǎng)和周邊大網(wǎng)分開,除車站外,高鐵專網(wǎng)基站和周邊大網(wǎng)基站不設鄰區(qū)關系,避免發(fā)生切換。

          ▲ 公網(wǎng)方式(紅色為周邊常規(guī)基站)

          ▲ 專網(wǎng)方式(綠色為高鐵專用基站)

          7、什么叫基站的鄰區(qū)和切換?

          這里解釋一下,什么叫鄰區(qū)和切換。

          我們在走路或坐車時,是處于運動狀態(tài)。從一個區(qū)域,移動到另一個區(qū)域。也就會從一個基站范圍,到另一個基站范圍。

          如果你正在打電話,或者正在上網(wǎng)追劇,為了不讓你的電話或網(wǎng)劇中斷,系統(tǒng)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,涉及的技術有點復雜,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(wǎng)方式,好處是節(jié)約了投資。壞處的話,就是即使做了優(yōu)化,效果也很有限,容易受公網(wǎng)其它基站的影響,導致掉線。(簡單從技術角度來說,就是所有基站的頻點都是一樣的,手機容易“跳來跳去”。)

          專網(wǎng)就不一樣了,可以理解為獨立的一張網(wǎng)絡,享受VIP服務。因為專網(wǎng)和公網(wǎng)的頻點都不一樣,系統(tǒng)上也會做配置,不允許你去“勾搭”外面的公網(wǎng)基站,所以你必須老老實實待在專網(wǎng)里面,掉線的概率會大幅降低。

          ▲ 專網(wǎng)下的高鐵信號(藍色塊=高鐵列車行駛模擬)

          8、影響高鐵信號的最關鍵因素:行駛速度

          上面的內(nèi)容說過,高鐵上的手機信號,需要在高鐵行進時在基站間進行頻繁切換。而切換的成功率,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(shù)據(jù):一個普通WCDMA基站的覆蓋范圍(1950Hz,郊區(qū),天線掛高45米),是979米。

          ▲ WCDMA 天線掛高對應覆蓋半徑(郊區(qū))

          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(qū)切換的時間是充足的。汽車也問題不大。但是,高鐵的話,根據(jù)切換算法時間的估算,3~6秒就要發(fā)生一次切換。這樣的頻率,是非常考驗系統(tǒng)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(jīng)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的頻率高于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采用的OFDM正交頻分復用技術,對載波頻率偏移更加敏感。

          我畫了幾個圖,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,占用的空間更小(提高頻譜利用率),但是還是能分清對象(提取有效數(shù)據(jù))。

          ▲ 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的性能指標里面,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。

          9、高鐵基站的選址

          除了基站數(shù)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(qū)域跨度大,沿途經(jīng)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。

          10、高鐵基站是不是離列車越近越好呢?

          架設基站,是不是離列車越近越好呢?并不是,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(xiàn)在大家明白為什么坐高鐵的時候,總是能看到基站天線了吧。它們就是故意這么架設的,方便信號能到達你的手機。

          在直線軌道路段,相鄰站點宜交錯分布于軌道的兩側,呈“之”字狀分布。在彎道路段,站點宜設置在彎道的內(nèi)側,提高入射角,保證覆蓋的均衡性。

           

          11、高鐵在隧道中如何保證信號覆蓋呢?

          最后一個問題,在山區(qū)或丘陵地帶,會有大量的隧道,那么,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(nèi)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,一般和高鐵的中部窗口平齊

          泄漏電纜結構與普通的同軸電纜基本一致,由內(nèi)導體、絕緣介質(zhì)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?shù)耐瑫r,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(nèi)部,并傳送到接收端。

          ▲ 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(huán)境下,也可以考慮使用(前提是不差錢,因為還要修擋風墻或屏蔽罩)。

          ▲ 擋風墻

          在隧道里,通常也有小型機房,里面有RRU和一些信號中繼設備。

          ▲ 隧道機房

          12、最后

          好啦!洋洋灑灑說了那么多,相信大家一定對高鐵上無線上網(wǎng)的技術難度有了初步了解。正如文章所說,高鐵的移動信號優(yōu)化,是一項非常復雜的工作,既要投入大量的資金,還要克服很多技術困難,無論是技術投入還是資金投入,都遠比我們想象的要復雜。

          以后老板要是再對你唧唧歪歪:“為什么我們的IM不能在高鐵上實時視頻聊天?”,你就把本文扔給他,讓他有種自已寫代碼吧。。。

          附錄:更多網(wǎng)絡編程干貨文章

          計算機網(wǎng)絡通訊協(xié)議關系圖(中文珍藏版)[附件下載]

          TCP/IP詳解 - 第11章·UDP:用戶數(shù)據(jù)報協(xié)議

          TCP/IP詳解 - 第17章·TCP:傳輸控制協(xié)議

          TCP/IP詳解 - 第18章·TCP連接的建立與終止

          TCP/IP詳解 - 第21章·TCP的超時與重傳

          技術往事:改變世界的TCP/IP協(xié)議(珍貴多圖、手機慎點)

          通俗易懂-深入理解TCP協(xié)議(上):理論基礎

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