离谱!杭州热到手机网速变慢,背后是什么原理?
作者 | 物联网智库2022-08-17

40℃高温的天气,一只没有信号的手机带你重回那个车马都很慢的时代。

智次方

立秋已至,某些地区的“炙烤模式”却还没有跳闸。八月中旬,浙江杭州气温达到41.8℃,超过2013年41.6℃的纪录,成为1951年杭州有连续气象观测记录以来的最高气温历史极值。

早高峰汗流浃背坐到工位,在空调房里办公也难逃高温的影响。近日,“杭州热得手机信号都受影响”“杭州热得网速都慢了”等词条接连登上热搜。经过反复切身体会,人们终于意识到,如果突然觉得手机信号不好,恐怕不光是手机的问题,罪魁祸首也有可能是高温天气。

事实上,减少极端气候对手机信号的干扰是专家们的日常课题之一。高温天气干扰手机信号早有科学解释,这主要是由于高温天气带来的大气波导现象导致的结果。

大气波导如何影响手机信号?

大气波导是一种特定的气象情况,也是一种异常的大气结构,我们更为耳熟的海市蜃楼就是大气波导超折射造成的光学效应。其形成原因主要是由于大气的逆温(温度随高度增加而升高)和逆湿(水汽密度随高度增加迅速下降)所致。

这一现象通常发生在内陆地区的春夏过渡期、夏秋过渡期和沿海地区的冬季。而杭州近期受副热带高压影响,出现持续高温现象,导致近地层湿度比较大而中高层湿度相对较小,容易形成逆湿,同时夜间降温也容易出现逆温层。

大气波导传播模型示意图

大气波导传播模型示意图

在大气波导发生时,地球大气中较高高度的低密度层折射率降低,使得电磁波向地面反射。此时,近地层中传播的电磁波的传播轨迹受到大气折射影响而弯向地面,当曲率超过地球表面曲率时,电磁波中的一部分会被陷获在波导层之内,如同电磁波在平板介质波导中传播一样。这种超折射现象具有传播损耗低、作用距离远的特点。

折射回来的电磁波经地面反射后继续向前传播,这种过程的多次重复,使其在地面和某一大气层之间辗转地向前传播,因为这种情况和波导管中微波的传播相似,所以被称为大气波导传播。由于波导的传输特性,平原及海面间更易产生波导效应,因此郊区、农村、乡镇、底层居民区及高速公路更易受其影响。

我国已商用的5G网络主要采用时分双工(TDD)制式,由于时分系统上下行同频,基站间上下行信号干扰问题主要通过上下行时的保护间隔设置实现。但当大气波导存在时,远处基站下行信号在传播距离起过GP后仍具有较强的功率,这会对近端处于上行接受时隙的基站造成同频干扰,通常影响的频率范围在0.3GHz-30GHz之间。而我国4G的2.6GHz和5G频段(2.6GHz、3.5GHz、4.9GHz)易受波导影响。

因此,大气波导的存在主要影响了电磁波在大气中的传播路径和范围,使得通信、探测、导航等系统出现一些特殊的传播特征,例如雷达出现超视距传播和探测盲区、手机信号不稳定等情况。进一步而言,我国海南省海口市TD-LTE网络就长期受大气波导干扰,主要受到来自广东湛江以及广西北海的TD-LTE网络F频段和D频段产生的时隙交叉干扰。

运营商如何出招?

4G和5G都有处于波导影响范围的频段,未来大规模5G组网不可避免会受其干扰。对于运营商而言,受到大气波导干扰也不是什么新鲜事。中国移动杭州分公司相关人员曾表示,现在应对大气波导对通信信号的影响是日常最重要的工作之一。目前,中国移动杭州分公司的工作人员应对大气波导主要手段是主动监控,发现后迅速调整区域内的信号频段,等影响过去后再调整回来。

中国电信宁波分公司无线中心主任技术专家王卿茂表示,多个远端的电磁信号传到同一地方,会对当地正常信号产生很大的干扰,干扰严重会造成掉线、低速率等一系列严重问题,通过提升抗干扰的能力、减少干扰源、躲避干扰源等多种举措也无法彻底解决大气波导干扰问题。

据王卿茂介绍,通过开启大气波导抑制开关和异频组网等专业技术方法,能够适当缓解大气波导干扰对基站带来的恶劣影响。如果市民在使用过程出现网络问题,可以拨打手机所属运营商的服务热线,请技术人员判定是否需要优化。

离谱!杭州热到手机网速变慢,背后是什么原理?

据悉,大气波导影响大的时候一次性会涉及成百上千个小区。一般情况下,工作人员从发现到调整成功差不多要经历一个小时的时间。从去年7月开始,杭州电信就通过修改特殊子帧时隙配比,网络性能改善明显,且后续远端干扰源减弱,受干扰小区数量明显减少。

事实上,3GPP在2020年6月完成的R16版本中就在5G协议中引入了远端干扰管理(RIM)功能,各设备厂商目前也在积极推进开发RIM功能。未来,对于消减5G大气波导干扰可通过开启设备级的RIM功能,进行实时干扰检测、规避、会退等优化操作,抑制大气波导的干扰影响。

目前5G抗大气波导干扰的优化措施包括:调整特殊时隙符号配置,采用GP符号多的时隙配比,增大保护距离;降低远端干扰源小区的发射功率;降压远端干扰源小区和近端受扰小区的天线下倾角;大规模MIMO取值优化,将S子帧前的下行时隙调度给下倾波束用户。

信号增强贴卷土重来,智商税已拼10万+

对于普通用户而言,遇到网速慢、信号弱时的第一反应可能还是从手机上找原因。虽然上文讲述了高温是如何干扰手机信号的,但是手机信号弱本身是一个复合问题。

杭州电子科技大学信工学院电子工程学院院长李金新表示,手机的正常使用温度是0-40℃,温度特别高时,手机内部的振荡器会受到影响,振荡器发生偏离时,对于信号接受的灵敏度也会减弱,这也是手机信号不满格的原因之一。

前几年,“手机信号增强贴”曾引起热潮,营销出来的作用正如其名,吸引超过十万人购买,而这股热潮近期正在卷土重来,各大购物软件上搜索“手机信号增强贴”最高可看见单品销量超十万。这个没有电力驱动、也没有天线连接、低价甚至不到十元的小玩意真的能发挥“简单一贴信号变满格”的作用么?

信号增强贴

从材质和结构上看,信号增强贴是在一张塑料片上镀了一层铝膜,铝膜上面还印有一层类似磁性油墨的材料。两年前央视曾针对“信号增强贴”做过测试,将网上热销的20元、30元和68元的三档价位增强贴送往了中国信息通信研究院泰尔中端实验室。从信号贴的产品介绍可以看出,信号贴的原理是通过拉长手机内置天线接收信号波长来增强信号的接受范围。商家宣称,手机信号贴正面是信号发射区,反面是信号接收区,天线采用纯镀金设计,在加强信号时还能有效防辐射。但经专家检测,手机信号增强贴对手机信号无任何改善作用。

据该实验室天线与定位部副主任王娜介绍,理论来讲,手机天线的长度越长,可以接收的信号波就越长,但是信号贴并没有跟手机的内置天线相连接,所以它并没有拉长手机的有效天线长度。另一方面,增大信号需要能源,而信号贴是无源的设备,没有办法为放大信号去提供能源。

事实上,手机天线是要根据特定的频率进行信号接收,信号接收范围跟信号增强无任何关系,每个运营商的网络、或者每个手机的特定制式都是工作在特定频率范围内,有最低的接收信号强度、有特定的信号频率范围,信号增强只跟手机终端接收的信号强度有关系。

如果这类一贴治百病的“黑科技”真的存在,运营商们也不必煞费苦心解决信号问题了。

写在最后

气候问题与我们息息相关。大气波导现象对普通手机的信号干扰确实令人困扰,目前对于大气波导的准确探测还很薄弱,尤其在区域和水平不均匀性探测方面,其机理研究和诊断预报研究远远不能满足信息系统实际应用的需求。

亟待发展和突破的瓶颈摆在眼前,但逐步了解其原理后,人们已经将大气波导效应利用在通信对抗等领域相信抗信号干扰的高性价比性方案也并不遥远。在此之前,不妨先为环境保护贡献个人的力量。

参考资料:

1.@宁波人 未来一周大气波导可能影响你的手机信号 中国宁波网_民生城事

2.5G中大气波导干扰解决方案 前沿通信

3.5G网络大气波导干扰研究 王磊,陈锐,赵飞龙,林森

4.超10万人购买!手机信号增强贴究竟是黑科技还是黑用户? 央视频

5.5G大气波导干扰分析及规避方法研究 汪汀岚,李行政,左怡民,张冬晨

6.5G大气波导干扰分析与测试 宋心刚,李行政,赵志民,王砚

7.手机信号增强贴真的有用吗?专家:存技术硬伤 深圳晚报


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