不久前，由粤港澳三地合作共建的超级跨海工程——港珠澳大桥开通了4G网络信号。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，已经通过中国电信、中国移动、中国联通3家运营商的网络验收测试。尤其令人印象深刻的是——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。
生活中，乘坐车辆(尤其是火车)通过长一点的隧道，经常会出现信号消失的情况。那么，在港珠澳大桥深达40余米的海底沉管隧道内，信号满格是如何实现的?海底隧道信息设施为何由铁塔公司建设?两者技术有何区别?这要从手机通信信号是如何提供的说起。
信号覆盖度至关重要
移动台能否收到无线信号，取决于所在区域基站的信号覆盖情况
手机移动通信系统由3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，均不能直接通信，需要经过基站和移动交换中心接入和转发。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。
塔公司与运营商之间有什么联系呢？
为实现手机信号满格，港珠澳大桥主体工程移动通信基础设施建设选择了由中国铁塔公司承建，最终实现了3大运营商的网络性能测试。那么，中国铁
中国电信、中国移动、中国联通3大运营商各自拥有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，造成了资源浪费。2014年，为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，3大运营商共同出资成立了中国铁塔公司，并从中受益。
但话说回来，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，影响无线信号覆盖以外，还存在其他诱因。
首先，移动通信是利用无线电波信息传输，运行情况十分复杂，很容易受到通信环境中的物体遮挡以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。
当火车通过隧道时，遮挡和衰减的情况就比较严重。因此，在生活中，当手机通话出现语音断断续续时，可以拿着手机走到稍微开阔的地带，语音信号会立即变得清晰流畅。
同时，移动无线信号还容易受到移动台与基站之间的相对高速运动影响，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。当时，主流的2G网络主要针对相对慢速运动场景设计，当运动速度超过200公里/小时临界限制时，就会导致移动通信质量明显下降。目前，4G网络基本解决了300公里/小时高铁高速移动的通信问题;而未来时速500公里的超级高铁通信问题，正是当前5G重点解决的问题之一。
生活中，除了火车过隧道，在人群超密集的集会现场，如足球比赛现场、大型音乐会现场等，也经常会出现手机接不通、信息发不出的现象。此外，前两年在辞旧迎新的除夕之夜，为避免网络拥堵，大家经常提前发送新年祝福的短信。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，每个给定频段上所能支持的人数都有限制，一旦超过上限容量，就会造成网络拥堵，通话无法接入，短信发送延时或无法发出。
无线信号不好怎么办
有效对抗“衰落”是解决无线通信质量的关键
那么，影响无线信号的因素有哪些，如何解决信号不好的问题呢?
在无线通信的信道传输过程中，由于大气及地面影响，发生传播损耗及传播延时随时间变化的现象叫作“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，还会影响信号同步跟踪过程等。而平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。因此，如何对抗衰落是无线通信必须认真解决的问题。
而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，现在很多高层建筑的电梯、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。
相比而言，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导致信噪比严重恶化，影响通话质量。目前，对抗频率选择性衰落的主要手段包括：分集技术、均衡技术、瑞克技术及纠错技术等。
5G通信是必然选择
5G具备比4G更高的性能，未来的通信将是5G的世界
信息革命浪潮一波未平，一波又起。当前，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。
其中，物联网和移动互联网将成为5G发展的两大主要驱动力。中国也经历着在2G/3G时代跟跑国际信息技术发展，在4G时代与发达国家并驾齐驱，直至5G时代主导国际标准制定的发展道路。华为公司就在一场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，以及法国的Turbo2.0方案，拿下5G时代话语权。
就具体应用而言，5G需要具备比4G更高的性能——支持0.1至1Gbps的用户体验速率，每平方公里100万的连接数密度，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500千米以上的移动性以及数十Gbps的峰值速率。
其中，用户体验速率、连接数密度和时延是5G最基本的3个性能指标。同时，5G还需要大幅提高网络部署和运营效率，与4G相比，其频谱效率提升5至15倍，能效和成本效率提升百倍以上。
同时，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4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，即便面对更快的超级高铁甚至在飞机上，乘客也可以随时上网，在线观看视频，不用担心卡顿问题，更不用担心电话能否接通或通话断续。而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，大家也可以自如分享现场实况，还可以在除夕之夜，即时送上美好祝福。
此外，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的透彻感知、全面连接、无人值守以及智能控制;而随着低时延高可靠网络的发展建设，还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。
相信通过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。
(作者单位：中国科学院上海微系统研究所。本文授权转载自“中国科普博览”公众号：kepubolan，略有删改，特此鸣谢。)
