不久前，由粵港澳三地合作共建的超級跨海工程——港珠澳大橋開通了4G網(wǎng)絡信號。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(chǔ)設(shè)施，已經(jīng)通過中國電信、中國移動、中國聯(lián)通3家運營商的網(wǎng)絡驗收測試。尤其令人印象深刻的是——在港珠澳大橋深達40余米的海底沉管隧道內(nèi)，手機上的4G網(wǎng)絡信號依然滿格，語音視頻通信流暢。

生活中，乘坐車輛(尤其是火車)通過長一點的隧道，經(jīng)常會出現(xiàn)信號消失的情況。那么，在港珠澳大橋深達40余米的海底沉管隧道內(nèi)，信號滿格是如何實現(xiàn)的?海底隧道信息設(shè)施為何由鐵塔公司建設(shè)?兩者技術(shù)有何區(qū)別?這要從手機通信信號是如何提供的說起。

信號覆蓋度至關(guān)重要

移動臺能否收到無線信號，取決于所在區(qū)域基站的信號覆蓋情況

手機移動通信系統(tǒng)由3大部分組成：移動臺(如手機)、基站BS(天線、無線電信號的接收、發(fā)射設(shè)備及基站控制器等)、交換網(wǎng)絡(移動交換機、跨地區(qū)間的中繼傳送設(shè)備等)。移動臺之間無論離得多近，均不能直接通信，需要經(jīng)過基站和移動交換中心接入和轉(zhuǎn)發(fā)。因此，移動臺能否收到無線信號，首先取決于所在區(qū)域基站的信號覆蓋情況。

塔公司與運營商之間有什么聯(lián)系呢？

為實現(xiàn)手機信號滿格，港珠澳大橋主體工程移動通信基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)選擇了由中國鐵塔公司承建，最終實現(xiàn)了3大運營商的網(wǎng)絡性能測試。那么，中國鐵

中國電信、中國移動、中國聯(lián)通3大運營商各自擁有運營網(wǎng)絡及無線頻段，以往移動基礎(chǔ)設(shè)施都是各自建設(shè)、獨立運營，造成了資源浪費。2014年，為減少電信行業(yè)內(nèi)鐵塔以及相關(guān)基礎(chǔ)設(shè)施的重復建設(shè)、提高行業(yè)投資效率、從機制上進一步促進節(jié)約資源和環(huán)境保護，3大運營商共同出資成立了中國鐵塔公司，并從中受益。

但話說回來，火車過隧道時，為什么還是信號不好呢?除了部分隧道由于位置偏僻、隧道過長、環(huán)境復雜等原因，導致幾大移動運營商網(wǎng)絡基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)覆蓋不全，影響無線信號覆蓋以外，還存在其他誘因。

首先，移動通信是利用無線電波信息傳輸，運行情況十分復雜，很容易受到通信環(huán)境中的物體遮擋以及信號傳輸衰減等因素影響，產(chǎn)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。

當火車通過隧道時，遮擋和衰減的情況就比較嚴重。因此，在生活中，當手機通話出現(xiàn)語音斷斷續(xù)續(xù)時，可以拿著手機走到稍微開闊的地帶，語音信號會立即變得清晰流暢。

同時，移動無線信號還容易受到移動臺與基站之間的相對高速運動影響，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。當時，主流的2G網(wǎng)絡主要針對相對慢速運動場景設(shè)計，當運動速度超過200公里/小時臨界限制時，就會導致移動通信質(zhì)量明顯下降。目前，4G網(wǎng)絡基本解決了300公里/小時高鐵高速移動的通信問題;而未來時速500公里的超級高鐵通信問題，正是當前5G重點解決的問題之一。

生活中，除了火車過隧道，在人群超密集的集會現(xiàn)場，如足球比賽現(xiàn)場、大型音樂會現(xiàn)場等，也經(jīng)常會出現(xiàn)手機接不通、信息發(fā)不出的現(xiàn)象。此外，前兩年在辭舊迎新的除夕之夜，為避免網(wǎng)絡擁堵，大家經(jīng)常提前發(fā)送新年祝福的短信。這些現(xiàn)象背后的原因，都是移動通信的帶寬限制。無論2G、3G還是4G通信系統(tǒng)，每個給定頻段上所能支持的人數(shù)都有限制，一旦超過上限容量，就會造成網(wǎng)絡擁堵，通話無法接入，短信發(fā)送延時或無法發(fā)出。

無線信號不好怎么辦

有效對抗“衰落”是解決無線通信質(zhì)量的關(guān)鍵

那么，影響無線信號的因素有哪些，如何解決信號不好的問題呢?

在無線通信的信道傳輸過程中，由于大氣及地面影響，發(fā)生傳播損耗及傳播延時隨時間變化的現(xiàn)象叫作“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(chǎn)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，由于電平變化迅速，還會影響信號同步跟蹤過程等。而平衰落會導致無線通信系統(tǒng)無法正常工作，對于手機用戶來講就是無信號。因此，如何對抗衰落是無線通信必須認真解決的問題。

而對抗這類衰落的方法主要有增加發(fā)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(shè)基站、微蜂窩、直放站等方式，增加區(qū)域的信號覆蓋及信號強度。比如，現(xiàn)在很多高層建筑的電梯、地下車庫都能夠打電話，就是因為運營商在這些地方增加了微蜂窩基站或直放站，實現(xiàn)無線信號的有效覆蓋。

相比而言，無線通信系統(tǒng)比較難解決的是由于多徑效應引起的頻率選擇性衰落。多徑效應最嚴重的后果之一是導致信噪比嚴重惡化，影響通話質(zhì)量。目前，對抗頻率選擇性衰落的主要手段包括：分集技術(shù)、均衡技術(shù)、瑞克技術(shù)及糾錯技術(shù)等。

5G通信是必然選擇

5G具備比4G更高的性能，未來的通信將是5G的世界

信息革命浪潮一波未平，一波又起。當前，以物聯(lián)網(wǎng)為代表的互聯(lián)網(wǎng)+技術(shù)，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。

其中，物聯(lián)網(wǎng)和移動互聯(lián)網(wǎng)將成為5G發(fā)展的兩大主要驅(qū)動力。中國也經(jīng)歷著在2G/3G時代跟跑國際信息技術(shù)發(fā)展，在4G時代與發(fā)達國家并駕齊驅(qū)，直至5G時代主導國際標準制定的發(fā)展道路。華為公司就在一場5G短碼討論方案中，憑借59家代表的支持，以極化碼(Polar Code)戰(zhàn)勝了高通主推的LDPC，以及法國的Turbo2.0方案，拿下5G時代話語權(quán)。

就具體應用而言，5G需要具備比4G更高的性能——支持0.1至1Gbps的用戶體驗速率，每平方公里100萬的連接數(shù)密度，毫秒級的端到端時延，每平方公里數(shù)十Tbps的流量密度，每小時500千米以上的移動性以及數(shù)十Gbps的峰值速率。

其中，用戶體驗速率、連接數(shù)密度和時延是5G最基本的3個性能指標。同時，5G還需要大幅提高網(wǎng)絡部署和運營效率，與4G相比，其頻譜效率提升5至15倍，能效和成本效率提升百倍以上。

同時，IMT-2020(5G)從移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)主要的應用場景、業(yè)務需求及挑戰(zhàn)出發(fā)，將5G概括為連續(xù)廣域覆蓋、熱點高容量、低功耗大連接和低時延高可靠4個主要技術(shù)場景。從5G的規(guī)劃設(shè)計指標可以看出，5G相對當前通信網(wǎng)絡有著全方位的提升，將有效解決當前移動互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)存在的瓶頸和“痛點”問題。

未來，隨著5G網(wǎng)絡實現(xiàn)快速連續(xù)覆蓋，即便面對更快的超級高鐵甚至在飛機上，乘客也可以隨時上網(wǎng)，在線觀看視頻，不用擔心卡頓問題，更不用擔心電話能否接通或通話斷續(xù)。而隨著超密集熱點大容量問題的解決，在足球比賽現(xiàn)場、音樂會現(xiàn)場，大家也可以自如分享現(xiàn)場實況，還可以在除夕之夜，即時送上美好祝福。

此外，隨著低功耗大連接5G物聯(lián)網(wǎng)的全面使用，將實現(xiàn)物理世界萬事萬物的透徹感知、全面連接、無人值守以及智能控制;而隨著低時延高可靠網(wǎng)絡的發(fā)展建設(shè)，還將真正實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)中車車、車路、車網(wǎng)的全面實時可靠通信，實現(xiàn)智能駕駛、無人駕駛的全面普及。

相信通過5G技術(shù)的發(fā)展應用，未來必將實現(xiàn)“信息隨心至、萬物觸手即”的美好愿景。

(作者單位：中國科學院上海微系統(tǒng)研究所。本文授權(quán)轉(zhuǎn)載自“中國科普博覽”公眾號：kepubolan，略有刪改，特此鳴謝。)