一文揭开地铁、高铁、飞机信号覆盖的神秘面纱

7月19日,英国广播公司(BBC)等多家英媒纷纷报道了一则“喜讯”:伦敦地铁将在明年迎来4G网络。是的,你没看错,4G、2020年。消息一出,网友纷纷吐槽,在世界即将步入5G时代的今天,现在才搞4G太落后了。

确实,要知道伦敦在1863年完成了世界第一条地铁的通车,到现在已有156年历史,中国地铁最早的线路竣工于1969年,也就是北京地铁1号线,而我国的地铁已经几乎实现4G全覆盖了,目前正在向5G覆盖方向前进。

5月17日,京港地铁16号线成为全国首条5G信号全覆盖的地铁线路,怪不得有网友笑称,伦敦再不努力的话,中国5G都可能先覆盖完。

交通条件日益发达的今天,地铁、高铁和飞机已经成为我们生活不可或缺的一部分,那么大家有没有想过,在不同的交通条件下我们的手机又是如何连接网络的呢?

地铁

有人的地方就有江湖,而人多的地方,地铁格外难挤。

地铁可以说是现在大部分上班族的首选交通工具,每天早八点的地铁江湖,或许是每个人迈入社会接触的第一道腥风血雨。大部分挤地铁的人心理状态大都是:

“哎能不能别挤了!

怎么又上来几个人?本来就够挤的了。

啥时候才到啊?

这么挤待会能出去吗?可别过站了!

不要迟到不要迟到。

放空。。。”

千辛万苦挤上地铁之后打开手机发现没信号,估计心里又是一万头草泥马奔腾而过。

相较于我们日常生活中的网络覆盖,地铁内无线信号传播环境复杂,且人流量大、乘客移动性强、隧道狭长、车速较快,如果单靠室外基站覆盖的信号来维持这么大人流量的信号需求几乎是不可能的,那么地铁是如何保障信号覆盖的呢?

4G信号

想要手机在地铁里有信号,还是要依赖“覆盖系统”,它其实跟我们人体的“血液循环系统”很类似,地铁里的信号能正常接收发送,就要在地铁里搭建支撑信号传输的覆盖系统。

这套覆盖系统由DAS(分布式天线)系统和漏缆组成,DAS会用分散在建筑物内部的天线来重新发送运营商的信号,漏缆是漏泄同轴电缆的简称,在隧道中移动通信用的电磁波传播和天线传输通常都效果不佳,所以基本都通过漏缆来传输信号。漏缆类似于沿着狭长形覆盖区域线状分布的一个分布式天线,它起到了传输线和收发电线的双重作用。

地铁里不同的乘客选择的手机信号运营商也不同,在地铁的无线系统覆盖过程中,如果每家运营商都建设一套无线系统,易导致信号间的相互影响和干扰,而且会增加系统建设的成本和网络维护的难度,所以目前主要采用第三方建设分布式系统“POI”,学名叫做多系统信号合路平台。

各个运营商共用这一套系统,根据自身需要进行租用,这样可以避免室内分布系统建设的重复投资,有效实现多网络信号兼容覆盖。

POI混合了移动、联通、电信三家的信号,然后兵分两路,一路顺着站厅站台天花板上的一根根馈线,就像血管一样把信号传输到蘑菇头“吸顶天线”,然后发送给站厅站台上的手机用户,这样车站就有信号了,那么隧道呢?POI信号的另一路就是通过漏缆,将信号传输到隧道里,满足隧道里的网络需求。

吸顶天线(左)、漏缆(右)

WIFI

地铁上的WiFi一般有以下两种实现方式:

  • 通过运营商端的4G网络信号,转换成数据信号。
  • 通过分段架设AP设备,并同地铁中的AP通过无线桥接实现上网。

什么是AP?无线访问接入点(WirelessAccessPoint)AP是组建无线局域网(WLAN)的核心设备,是无线网和有线网之间沟通的桥梁,它能把各个无线网络客户端连接起来,AP在WLAN中就相当于发射基站在移动通信网络中的角色。

第一种实现方式是在地铁的车头和车尾建立网络信号接受和转换器,将4G信号转换成网络信号,每节车厢内部会架设AP设备,AP之间通过无线桥接连接,通过AP与AP之间将信号传输到各节车厢,完成用户的wifi接入。

第二种实现方法是在隧道或高架之间分段建设AP设备,每隔一段距离接一个AP转换,与车内的AP设备实现无缝的连接,从而实现WiFi覆盖。此种方式对比第一种实现方式支持的用户数和网路质量会明显得到提升,但是投资费用也会随之升高。

目前我国地铁已开始进行5G覆盖,“从技术上来讲,目前在地铁里覆盖5G信号,与现阶段在地铁里覆盖4G信号,没有本质区别,大同小异,不存在特别的技术难度。” 跟4G覆盖大致一样,主要还是通过安装基站或漏泄电缆等方式来完成5G信号的覆盖,但是新建的5G系统所获得的工作频段会稍高于4G系统,5G基站发射出的信号传播的距离要比4G短一些,所以在网络规划和建设上会和4G有所不同。

高铁

2008年之后,进入了高铁时代,现如今高铁已经成为中国的一张独特而靓丽的“名片”。

4G信号

目前高铁线路的网络覆盖,主要有两种方式,分别是公网方式和专网方式。

公网方式是利用高铁沿线周边已有的基站来进行信号覆盖,但是会进行优化和调整。专网方式采用的是单独组网,即高铁专网和周边的网络分开,在沿途中避免发生切换。

近年来,我国的基站数量也在不断增长,截至18年9月末,我国移动通信基站达639万个,其中3G/4G基站总数达到479万个,占比达74.9%,目前市场上绝大部分的基站是3G/4G基站,5G以及其他基站占比为20%左右。

高铁进入隧道后信号覆盖就跟地铁一样,也是通过漏缆进行传输。既然高铁沿路基本实现了信号的覆盖,为什么有时候手机信号还是差到让人抓狂呢?

1.高铁通常会经过多个地市和省份,途经多种场景,包括市区、平原、隧道及一些偏远的地区等,实现连续覆盖的难度很大。

2. 高铁采用密闭式厢体,车体对无线信号穿透损耗大,且车厢的玻璃窗配备的是金属涂层,可以减少热量的损失,但这些涂层也会阻止电磁信号的进入,这也导致了信号变差。

3. 高铁的行车速度十分快,每小时可达200-300公里,而基站的覆盖范围是有限的,在行驶过程会不断地切换基站,就像接力赛一样,过了一个基站的覆盖范围,另一个基站就赶紧连上。如果切换的速度慢的话,是感觉不到信号的延迟的,但高铁速度很快,在不断切换的过程中,信号会衰减而且变得极不稳定。另外高铁的高速度还会带来多普勒效应,这也增加了高铁信号覆盖的难度。

WIFI

在4G时代尽管高铁WiFi的呼声很高,但还是迟迟无法迎来WiFi的春天。高铁的速度过快,这样快的速度给基站切换、通信延时都带来了极大的挑战。

同样是高铁,复兴号速度达350km/h,却能实现wifi全车覆盖、全程免费,这是因为复兴号采用的是基于卫星通信的旅客列车无线局域网系统设计,也就是说是通过4G与卫星WiFi相结合的方式建立的。

该系统以每节车厢为最小服务单元,构成一个整体服务系统。系统结构分为对内接口、对外接口及与其他系统接口三部分。

1.对内接口:主要实现对车厢无线网络信号的覆盖及车载级系统服务功能。主要由单车服务器、Wi-Fi天线、中心服务器以及网络交接单元构成。单车服务器通过无线馈线及与其相连的Wi-Fi天线实现本车厢内无线网络信号覆盖,还能实现对全列AP的管理。最小服务单元之间通过抗干扰、带宽高的千兆级以太网连接,实现网络数据的高速稳定传输,实现车厢内无线Wi-Fi信号覆盖。

2.对外接口:实现互联网功能接入及卫星电视直播功能。对外系统接口主要由3G/4G天线卫星上网天线、卫星电视天线、调制解调器、转码服务器构成。互联网接入采用3G/4G移动数据接入和卫星天线接入两种方式,两种方式互为冗余,可自主切换,卫星上网天线可满足列车在高速运行过程中的卫星信号接入,从而确保列车在较为恶劣的情况下仍能提供较为稳定的互联网接入业务需求。

3.与其他系统接口,系统在实现互联网接入等功能的同时,还可以与列车其他系统通讯,为乘客提供列车运行速度、位置、车厢内外温度、到站情况等相关信息。

但尽管如此,复兴号的WiFi依然不完美。即将步入的5G时代,能否带来高铁WiFi新的研究方向呢?

5G具有超高带宽、超低时延和海量连接等特征,它接收网络信号的能力比4G更强,另外5G基于波束成形和毫米波技术,这些优势特征是为用户提供可靠的WiFi等服务的关键能力。但5G发展仍存在一些难题,5G通信设备的耗电量大约是4G通信设备的8到10倍以上,尤其是矿山、隧道内的设备供电可提供的电力资源有限,无法满足5G设备的电力需求,因此还是面临着一定的挑战。

飞机

2018年1月6日,《机上便携式电子设备(PED)使用评估指南》发布了,继复兴号高铁WiFi全覆盖后,“WiFi航班”也随之而来,其实早在2005年,全球首个客舱“无线网络系统”就已经出现了,其借助于“全球星”卫星通信系统以实现高空上网。到了2007年全球首个基于CDMA技术的地空宽带系统也随之问世,其借助地面基站信号覆盖高空航线,从而给飞机提供CDMA EVDO无线接入数据带宽,实现高空中的上网需求。

那么问题来了,机上WiFi信号是如何实现的呢?

想在万米高空中像在家一样上网,这其中涉及的技术就不只是直接拉一条网络安装个路由器那么简单了。目前实现高空上网主要有两种方式,一种是基于卫星方式实现地空通讯,另一种是基于ATG(air to ground地面基站方式)实现地空宽带通讯。

基于卫星通讯就是利用卫星、飞机、卫星地面站三者之间进行通讯,其主要依赖的是太空中的卫星信号,飞机在飞行过程中通过卫星和地面卫星站直连,旅客就可以进行上网服务。

但是飞机上的网速是跟卫星容量是直接相关的,目前,国内提供机上WiFi的航空公司,都是选择传统的Ku波段卫星,每天来往的飞机那么多,旅客数量也多,每位旅客实际能用的网速自然也就很少了。

目前越来越多的国家把研究重心放在了Ka频段宽带卫星通信的开发运用上,想要将Ka波段接入空中网络,因为Ka波段卫星比传统Ku波段卫星的带宽容量要大十倍,单位流量成本大大降低,而且更能适应高清视频、实时直播等应用的传输需求。

基于ATG(地面基站方式)其需要沿飞行的航行路线或特定空域架设地面基站,以向高空中的飞机进行信号覆盖,即利用这些地面基站与飞机直接进行信息传输。好处是可以利用电信运营商已经建成的地面基站,而且网速取决于地面基站,但其也有缺点,这些基站很难跨国部署,而且海上没有基站,飞机飞到海上就会断网。

其实这两种通讯接入方式都是通过飞机内提供WiFi来实现高空上网,地空通讯组件实现了与运营商、服务提供商的数据中心之间的互联互通,机载服务器和机载无线AP热点组成了飞机内的无线局域网,让用户可以成功接入网络。

地铁上的信号覆盖已经基本满足了人们生活的日常需求,高铁上信号有时还是断断续续,而目前国内机上wifi还未完全普及,或许在不久的将来,我们也能在飞机上和小伙伴愉快的“吃鸡”了。

参考文献:

1.http://www.sohu.com/a/283512931_100091743

2.https://wenku.baidu.com/view/5e4a2b86a48da0116c175f0e7cd184254b351b90.html?rec_flag=default

3.http://www.shufadashi.com/z/y4wyj4tyxtwxwyf/y4wyj4tyxtwxwyf4w8w.html

4.https://www.ithome.com/0/387/049.htm

5.https://wenku.baidu.com/view/e10c024e580216fc710afd07.html

6.https://tech.sina.com.cn/csj/2019-06-10/doc-ihvhiqay4643225.shtml

7.http://www.sohu.com/a/217622144_256502

8.https://rf.eefocus.com/article/id-kuweixintongxing?p=1

9.https://rf.eefocus.com/article/id-jizaiwifi

*注:文中部分图片来源于网络,若有侵权,请告知。

原文发布于微信公众号 - SDNLAB(SDNLAB)

原文发表时间:2019-08-14

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