出品：科普中国
制作：中国科学院上海微系统研究所 邱云周
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近日，据媒体公开报道，由粤港澳三地合作共建的超级跨海工程——港珠澳大桥通4G网络信号了。
"藏身"于水下40余米的港珠澳大桥沉管隧道设计图
这是由中国铁塔公司承建的港珠澳大桥主体工程移动通信基础设施，历时3年零2个月终于完工，通信项目已通过中国电信、中国移动、中国联通三家运营商的网络验收测试，信息"大桥"与港珠澳大桥实现了同步规划、同步设计、同步建设。
令人印象深刻的是，在港珠澳大桥深达40余米的海底沉管隧道内，手机上的4G网络信号依然满格，语音视频通信流畅。
读完这则新闻不禁让人心生疑惑，这么深的隧道，信号满格到底是如何实现的呢？平时坐火车过长一点的隧道，还经常出现信号消失，语音断续，甚至无法接打的情况。而在手机刚普及的时候，每逢春节，特别是除夕夜，还经常出现短信发不出、电话接不通的情况，这又是为什么呢，这些技术有什么区别呢？
1. 手机通信信号是如何提供的，海底隧道信息设施为什么是铁塔公司建设呢？
手机移动通信系统由三大部分组成：移动台（如手机）；基站BS（天线、无线电信号的接收、发射设备及基站控制器等）；交换网络（移动交换机、跨地区间的中继传送设备等）。
移动台之间无论离得多近，均不能直接进行通信，需要经过基站和移动交换中心进行接入和转发，因此移动台能否收到无线信号，首先取决于所在区域基站的信号覆盖情况。这也就能够解释，为什么在港珠澳大桥深达40余米的海底隧道内手机依然可以实现满格。
图中左侧红色闪电表示无线信号，右侧线路是有线信号。不同基站（BS）覆盖了不同范围，它们通过一个交换中心（MSC）进行转换。
新闻中专门提到项目是由中国铁塔公司进行通信主体工程建设的，实现了三大运营商的网络性能测试，中国铁塔公司与运营商之间有什么联系呢？中国电信、中国移动、中国联通三大运营商各自拥有自己的运营网络及无线频段，以往移动基础设施都是各自建设、独立运营的，造成了资源的极大浪费。2014年，为了减少电信行业内铁塔以及相关基础设施的重复建设，提高行业投资效率，从机制上进一步促进节约资源和环境保护，三大运营商共同出资成立中国铁塔公司。
2. 火车过隧道时，为什么信号不好？
说回来，火车过隧道时，为什么还是信号不好呢？
除了部分隧道由于位置偏僻、隧道过长、环境复杂等原因，导致几大移动运营商网络基础设施建设覆盖不全，从而影响无线信号覆盖以外，还有其他的原因。
首先，由于移动通信是利用无线电波进行信息传输，运行情况十分复杂，很容易受通信环境物体遮挡及信号传输衰减等因素影响，产生多径效应和阴影效应，造成电波传播的幅度衰落和时延扩展。
火车过隧道时，遮挡和衰减的情况是比较严重的。
还有大家生活中一定有这样的经历，打电话一旦出现语音断断续续的情况，可以拿着手机走到稍微开阔的地带，语音信号立即就清晰流畅了，也是这个道理。
同时，移动无线信号还容易受移动台与基站之间的相对高速运动影响，引起多普勒频移以及相邻蜂窝覆盖之间信号的快速切换，从而造成电波传播特性的快速随机变化，前几年乘坐高铁时，语音信号很差主要就是这个原因。
行进中的高铁
当时主流的2G网络主要针对相对慢速运动场景下设计，当运动速度超过200公里/小时临界限制时，累计多普勒频移偏差会显著增加，导致移动通信质量明显下降。现在的4G网络基本解决了300公里/小时高铁高速移动的通信问题，未来时速500公里的超级高铁场景的通信问题就是当前5G重点解决的问题之一。
3. 除了火车过隧道，生活中还有哪些容易出现"信号不好"的场景？
生活中，"信号不好"的场景可不只有火车过隧道。
人群超密集的集会现场，如足球比赛现场、大型音乐会现场及庙会现场，也经常出现手机接不通、信息发不出的现象。
还有除夕之夜，辞旧迎新的时刻，正要给亲朋好友发送祝福，手机就是不给力，因此大家前两年经常接到"为了避免网络拥塞，提前送上新年祝福"的短信，这主要都是为了避开通信高峰时刻的网络拥塞。
这些现象背后的原因，都是移动通信的带宽限制。无论2G、3G，还是4G通信系统，每个小区在给定频段上所能支持都有最大用户数限制，一旦超过上限容量，就会造成网络拥塞，通话无法接入，短信发送延时或无法发出。
4. 影响无线信号的因素有哪些，如何解决信号不好的情况呢？
在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面的影响而发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫做衰落，一般分为非频率选择性衰落（又称平衰落）和频率选择性衰落。
衰落对通信的影响主要有：接收电平降低，无法保证正常通信；接收波形畸变，产生严重误码；传播延时变化，破坏与时延同步；在快衰落情况下，由于电平变化迅速，影响信号同步跟踪过程等，如何对抗衰落是无线通信必需认真解决的问题。
非频率选择性衰落会导致无线通信系统无法正常工作，对于手机用户来讲就是无信号。
对抗这类衰落的方法主要有增加发送功率、提高天线高度、减少通信距离等。在移动通信中，具体来说就是通过布设基站、微蜂窝、直放站等方式，增加区域的信号覆盖及信号强度。比如现在很多大楼的电梯、地下车库都能够打电话，就是因为运营商在这些地方增加了微蜂窝基站或直放站，实现无线信号的有效覆盖。
无线通信系统比较难解决的是由于多径效应引起的频率选择性衰落，多径效应最严重的后果之一是在信道传播中引入非主径信号的叠加变量，破坏奈奎斯特准则和匹配滤波准则，从而产生码间串扰，导致信噪比严重恶化。
如上图所示，移动台不仅接收到基站直接发送的无线信号，还收到经过空间多个物体反射、折射的信号，导致多个信号叠加之后的快衰落变化。同时，由于移动台相对基站在移动，导致多普勒频移引起的慢衰落变化，这些都是信号衰减的表现。对抗频率选择性衰落手段包括分集技术、均衡技术、瑞克技术及纠错技术等，由于这些技术过于专业，这里我们就不做具体解释。
5. 未来通信将是什么样的？
信息革命浪潮一波未平，一波又起，以物联网为代表的互联网 技术，带动信息社会进入智能化时代。
未来我们的通信将是5G的世界。
物联网和移动互联网将成为5G发展的两大主要驱动力。中国也由在2G/3G时代跟跑国际信息技术发展，到4G时代与发达国家并驾齐驱，到5G时代主导国际标准的制定。华为在一场3GPP RAN1 87次会议的5G短码讨论方案中，凭借59家代表的支持，以极化码（Polar Code）战胜了高通主推的LDPC及法国的Turbo2.0方案，拿下5G时代的话语权。
5G需要具备比4G更高的性能，支持0.1～1Gbps的用户体验速率，每平方公里一百万的连接数密度，毫秒级的端到端时延，每平方公里数十Tbps的流量密度，每小时500Km以上的移动性和数十Gbps的峰值速率。
其中，用户体验速率、连接数密度和时延为5G最基本的三个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营的效率，相比4G，频谱效率提升5～15倍，能效和成本效率提升百倍以上。
IMT-2020（5G）从移动互联网和物联网主要的应用场景、业务需求及挑战出发，将5G概括为连续广域覆盖、热点高容量、低功耗大连接和低时延高可靠四个主要技术场景。从5G的规划设计指标可以看出，5G相对当前通信网络有着全方位的提升，将有效解决当前移动互联网和物联网存在的瓶颈和痛点问题。
未来，随着5G网络实现快速连续覆盖，即便有更快的超级高铁投入使用，甚至在飞机上，乘客也可随意地上网，在线观看视频，而不用担心卡顿问题，更不用担心电话接通或通话断续；随着超密集热点大容量问题的解决，在足球比赛现场、音乐会现场，可以自如地分享现场实况，可以在除夕之夜、新年钟声敲响的那一刻，即时送上美好的祝福，而不用担心卡顿拥塞；随着低功耗大连接5G物联网的全面使用，将实现物理世界万事万物透彻的感知、全面的连接、无人的值守、智能的控制；随着低时延高可靠网络的发展建设，将真正实现车联网系统中车车、车路、车网的全面实时可靠通信，实现智能驾驶、无人驾驶的全面普及。
我们深信，通过5G技术的发展应用，未来必将实现"信息随心至、万物触手即"的美好愿景。
