[知乎回答] 哪些专业问题在本专业是常识，但在日常生活中却不被人所知？

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无线通信中的多普勒效应的影响。

我被邀请过几次了，都是一个点上，人类跑得这么慢，高铁也比光慢这么多，这么点频移凭啥会影响通信质量啊。

还是有很多同学表示这个解释太复杂看不明白，那么结论说在前面结论就是——速度越快，因为多普勒效应，同样带宽的信道受到的影响就越强，能达到的极限通信速率就越低，不仅时速300公里的高铁会有明显影响，时速100公里的汽车也会有。当然，影响高速移动通信的因素还不止多普勒，但多普勒的影响是非常显著的。

对无线通信专业的人来说，多径衰落和多普勒效应是物理层需要克服的最主要的两种信号衰落原因，而在 CDMA 中，因为 RAKE 接收机的使用，多径信号甚至可以成为增益，但多普勒频移带来的深衰落，和对信道估计的影响却是难以应付的。

铺垫一下一些时间的概念：3代CDMA类技术的物理层符号速率，又叫码片速率，是Mcps 级的，也就是每个码片的时间是小于 1 微秒的。3G和4G的无线帧的长度，也就是数据组织的单位，是毫秒到10毫秒级别的。码片那个位置不用4G举例子是因为从某种意义上说，4G OFDM 信号不是一个时间序列，而是一个频率序列，所以不太适合拿来举例子。

简单解释下上面说的两种衰落的成因——

多径：

• 信号不仅沿一条直射的线路到达接收机，也会从其他途径反射、绕射过来，
• 这些不同的路径会有不同的衰减，因为路程不一样长，也会有不同的时延，
• 这些多径信号的频率（在不考虑多普勒的情况下）都是一样的，它们叠摞在一起，到达接收机，并不会加强信号，而会让信号变乱。
• 尤其是当没有直射径的时候，比如你抬头看，很可能由于建筑物或啥东西的阻挡，基站天线到你的手机之间是没有直接通路的，这时候不同的径信号都很差，互相干扰就更严重了

多普勒效应：

• 一定速度的移动会造成信号产生频偏，但并不是说只是信号的中频平移以一点
• 移动信号本身是一个频带，这个频带里，不同的频率会产生不同的频偏，多普勒效应让信号在频域“色散”了
• 同时，因为有上面说的多径效应，不同的路径射入的方向是不同的，它们会产生不同强度乃至不同方向的频偏
• 并且，即使发射机和接收机本身都不运动，传输过来的信号也可能被运动物体反射，还是会有多普勒效应
• 当这些效应叠加在一起的时候，信号就已经衰落得很好看了

我在另一个答案里，引用了来自：多普勒效应与多径衰落对移动通信的影响 的几张图

可以看到，时速100公里的信道条件，就比时速3公里的信号变化强烈多了。

而无线通信，收到信号的时候，需要“猜”出来发送时候的原始信号是什么样子的，这种猜有很多方法，比如，信号发送的慢一点，让接收方收集足够多信息得到高置信度的答案，或者，发送信号的功率高一些，让 1 和 0 的区别更明显一些。当然，由于发射机功率限制，信号功率不能太高，所以，条件越差的信道能传送的速率就越低。

早年间的通信制式的信号传输速率是一定的，于是，只要在一定限制之内，运行速度高低对信号传输的影响似乎不大。但在新的制式里，为了达到更高的传输速率，系统会对信道的好坏程度做估计，当信道情况好的时候，可以尽力更快地传送。

这里提到了“信道估计”的概念，信道估计可以通过误码率来大致的猜，但是，一种更“激进”的方法是使用“训练序列”，大致思路是这样的：假设在很短的时间内信道状态是稳定的，观察训练序列发生了什么样的扭曲，那么，有用的信号应该也是这么扭曲的，那么我再把它变回来好了。我们在一些制式里使用了这个方案，在这种情况下，只要信道确实如假设般，在刚才提到的毫秒级的无线帧长度里，基本稳定，即使信道确实让信号发生了不小的畸变，都可以高置信度地还原用户数据。

这里，就涉及到多普勒效应的影响了，看上面的图，在低速的时候，信道条件变化更为缓慢，信道估计工作良好，速度一提高，信道随时间变化加快，信道估计就可能无法很好工作了，于是，在高铁上，虽然一般并不是完全无法传输无线数据了，但是可以传输的数据降低了。

所有这些知识，对无线通信方面的研究生来说，都是基础课，并不高深，多普勒效应也离大家的生活并不远，你们的手机每时每刻都在和多普勒效应做斗争。要了解更多的知识，可以看任意的无线通信原理类的教材，我当年用的是 Rapport 的 wireless communications: principles and practice，中文名应该是《无线通信：原理与应用》，关于无线通信低两层的知识，从物理层信道、调制解调到蜂窝网络之类的，这本书都介绍得比较详细，有兴趣的同学看看吧。

附另一个回答 乘高铁无线网速慢是为什么？:

至少有两个原因：

• 多普勒效应：因为手机上网是走的无线信号，当有运动的时候，电磁波会产生多普勒效应，简单地说就是信号的频率会随着速度而改变，这造成了信道条件变差，误码率提高，从而降低了传输效率。
  • 当然，这么说有个前提，3G的通信质量和信道条件关系是很密切的，因为3G、4G这些更新的无线通信制式，之所以能够达到更高的通信容量，靠得就是压榨信道的承载力，在单位频谱上，容纳更多的比特速率，信道好可以HSPA高速传输，信道不好，即使 384kbps 也很难保证。
• 频繁的小区切换/重选：
  • 背景：移动通信系统又称为蜂窝系统，在地理上将空间划分为一个个蜂窝状区域（这是理想情况，实际不是那么规矩的），因为电磁波本身随着距离而减弱，一个小区的信号不会强烈干扰到很远小区的通信，所以可以重用资源，从而达到有限的频谱空间服务大量的用户这一目的。
  • 问题：但是，高速移动的列车会快速地从一个小区穿行到下一个，于是，手机也得跟着不断地进行变换所在的小区，这个对于正在打电话的终端叫切换，其他的叫重选，都会造成很多开销，这样，可以用于通信的资源就少了。
  • 你可能会问，把服务铁路的小区做大点不就好了么，事实上服务铁路和高速公路的基站的覆盖区域本身就比较大。但是，发射功率受制于终端，谁都不想被手机烤熟了不是，嗯，手机也没这么多电；而且，一个基站能用的频谱资源有限，能服务的用户有限，覆盖范围大了，每个用户能得到的资源就更少了，速度也因此受限了。

除此之外，即使一车不开着，可能上网也不会太快，毕竟车上人多，共享无线信道，条件再好，那么多人分也好不到哪去了，肯定和人少信号好的地方没法比