港珠澳大橋海底隧道為啥4G訊號還能滿格？瞭解一下
港珠澳大橋海底隧道是世界最長的公路沉管隧道，全線開通4G網路訊號難度很大。圖為港珠澳大橋人工島。 （資料圖片）
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網路訊號。這是由中國鐵塔公司承建的港珠澳大橋主體工程行動通訊基礎設施，已經通過中國電信、中國移動、中國聯通3家運營商的網路驗收測試。尤其令人印象深刻的是——在港珠澳大橋深達40餘米的海底沉管隧道內，手機上的4G網路訊號依然滿格，語音視訊通訊流暢
生活中，乘坐車輛（尤其是火車）通過長一點的隧道，經常會出現訊號消失的情況。那麼，在港珠澳大橋深達40餘米的海底沉管隧道內，訊號滿格是如何實現的？海底隧道資訊設施為何由鐵塔公司建設？兩者技術有何區別？這要從手機通訊訊號是如何提供的說起。
訊號覆蓋度至關重要
移動臺能否收到無線訊號，取決於所在區域基站的訊號覆蓋情況
手機移動通訊系統由3大部分組成：移動臺（如手機）、基站BS（天線、無線電訊號的接收、發射裝置及基站控制器等）、交換網路（移動交換機、跨地區間的中繼傳送裝置等）。移動臺之間無論離得多近，均不能直接通訊，需要經過基站和移動交換中心接入和轉發。因此，移動臺能否收到無線訊號，首先取決於所在區域基站的訊號覆蓋情況。
為實現手機訊號滿格，港珠澳大橋主體工程行動通訊基礎設施建設選擇了由中國鐵塔公司承建，最終實現了3大運營商的網路效能測試。那麼，中國鐵塔公司與運營商之間有什麼聯絡呢？
中國電信、中國移動、中國聯通3大運營商各自擁有運營網路及無線頻段，以往移動基礎設施都是各自建設、獨立運營，造成了資源浪費。2014年，為減少電信行業內鐵塔以及相關基礎設施的重複建設、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，3大運營商共同出資成立了中國鐵塔公司，並從中受益。
但話說回來，火車過隧道時，為什麼還是訊號不好呢？除了部分隧道由於位置偏僻、隧道過長、環境複雜等原因，導致幾大移動運營商網路基礎設施建設覆蓋不全，影響無線訊號覆蓋以外，還存在其他誘因。
首先，行動通訊是利用無線電波資訊傳輸，執行情況十分複雜，很容易受到通訊環境中的物體遮擋以及訊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充套件。
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，當手機通話出現語音斷斷續續時，可以拿著手機走到稍微開闊的地帶，語音訊號會立即變得清晰流暢。
同時，移動無線訊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，語音訊號很差，主要就是這個原因。當時，主流的2G網路主要針對相對慢速運動場景設計，當運動速度超過200公里／小時臨界限制時，就會導致行動通訊質量明顯下降。目前，4G網路基本解決了300公里／小時高鐵高速移動的通訊問題；而未來時速500公里的超級高鐵通訊問題，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場，如足球比賽現場、大型音樂會現場等，也經常會出現手機接不通、資訊發不出的現象。此外，前兩年在辭舊迎新的除夕之夜，為避免網路擁堵，大家經常提前傳送新年祝福的簡訊。這些現象背後的原因，都是行動通訊的頻寬限制。無論2G、3G還是4G通訊系統，每個給定頻段上所能支援的人數都有限制，一旦超過上限容量，就會造成網路擁堵，通話無法接入，簡訊傳送延時或無法發出。
無線訊號不好怎麼辦
有效對抗“衰落”是解決無線通訊質量的關鍵
那麼，影響無線訊號的因素有哪些，如何解決訊號不好的問題呢？
在無線通訊的通道傳輸過程中，由於大氣及地面影響，發生傳播損耗及傳播延時隨時間變化的現象叫作“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。衰落對通訊的影響主要有：接收電平降低，無法保證正常通訊；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，還會影響訊號同步跟蹤過程等。而平衰落會導致無線通訊系統無法正常工作，對於手機使用者來講就是無訊號。因此，如何對抗衰落是無線通訊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送功率、提高天線高度、減少通訊距離等。在行動通訊中，具體來說就是通過佈設基站、微蜂窩、直放站等方式，增加區域的訊號覆蓋及訊號強度。比如，現在很多高層建築的電梯、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，實現無線訊號的有效覆蓋。
相比而言，無線通訊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導致信噪比嚴重惡化，影響通話質量。目前，對抗頻率選擇性衰落的主要手段包括：分集技術、均衡技術、瑞克技術及糾錯技術等。
5G通訊是必然選擇
5G具備比4G更高的效能，未來的通訊將是5G的世界
資訊革命浪潮一波未平，一波又起。當前，以物聯網為代表的網際網路＋技術，帶動資訊社會進入智慧化時代。未來，我們的通訊將是5G的世界。
其中，物聯網和移動網際網路將成為5G發展的兩大主要驅動力。中國也經歷著在2G／3G時代跟跑國際資訊科技發展，在4G時代與發達國家並駕齊驅，直至5G時代主導國際標準制定的發展道路。華為公司就在一場5G短碼討論方案中，憑藉59家代表的支援，以極化碼（Polar Code）戰勝了高通主推的LDPC，以及法國的Turbo2.0方案，拿下5G時代話語權。
就具體應用而言，5G需要具備比4G更高的效能——支援0.1至1Gbps的使用者體驗速率，每平方公里100萬的連線數密度，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500千米以上的移動性以及數十Gbps的峰值速率。
其中，使用者體驗速率、連線數密度和時延是5G最基本的3個性能指標。同時，5G還需要大幅提高網路部署和運營效率，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）從移動網際網路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、低功耗大連線和低時延高可靠4個主要技術場景。從5G的規劃設計指標可以看出，5G相對當前通訊網路有著全方位的提升，將有效解決當前移動網際網路和物聯網存在的瓶頸和“痛點”問題。
未來，隨著5G網路實現快速連續覆蓋，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，線上觀看視訊，不用擔心卡頓問題，更不用擔心電話能否接通或通話斷續。而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，大家也可以自如分享現場實況，還可以在除夕之夜，即時送上美好祝福。
此外，隨著低功耗大連線5G物聯網的全面使用，將實現物理世界萬事萬物的透徹感知、全面連線、無人值守以及智慧控制；而隨著低時延高可靠網路的發展建設，還將真正實現車聯網系統中車車、車路、車網的全面實時可靠通訊，實現智慧駕駛、無人駕駛的全面普及。
相信通過5G技術的發展應用，未來必將實現“資訊隨心至、萬物觸手即”的美好願景。
（作者單位：中國科學院上海微系統研究所。本文授權轉載自“中國科普博覽”公眾號：kepubolan，略有刪改，特此鳴謝。）