精品文檔-下載后可編輯高鐵建設(shè)中無線通信傳播的使用本文：宋陸斌單位：上海交通大學(xué)電子信息與電氣工程學(xué)院

一、緒論

自2022年4月18日中國鐵路的第六次提速起，高速鐵路（以下簡稱：高鐵）的建設(shè)在中國大地上掀起了一股巨大的浪潮。鐵路運(yùn)輸?shù)慕?jīng)濟(jì)和方便，使得越來越多的乘客從飛機(jī)轉(zhuǎn)向了鐵路。而乘客在高鐵上的語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)也成為了三大運(yùn)營商今后不可忽視的市場。在專網(wǎng)方面，調(diào)度臺和列車的正常無線通信也是列車安全行駛的重要保障。因此，解決高鐵環(huán)境下無線通信問題將是今后通信行業(yè)的一個重要課題。

二、高鐵環(huán)境影響無線通信質(zhì)量的幾個因素

a)列車車體的穿透損耗

中國高鐵的現(xiàn)行列車為CRH列車，該系列的車輛在車廂結(jié)構(gòu)上加強(qiáng)了密封性，與以往的列車相比，無線信號的穿透損耗增加。下表是CRH各車型與老車型的穿透損耗的數(shù)值比較：在無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋時，必須考慮車體損耗，這樣才能保證無線通話的正常進(jìn)行。另外，列車在高速運(yùn)動中的損耗還要大于上表中停止?fàn)顟B(tài)的損耗，因此增大車外無線信號的強(qiáng)度是必不可少的。若要保證基本的通話需求（手機(jī)、手持臺接受信號的電平值要達(dá)到-85dBm），并計入來自于車體的25dB損耗，那樣，車廂以外的信號強(qiáng)度必須要在-60dBm以上。

b)多普勒效應(yīng)

當(dāng)列車在高速移動時，車輛上的移動終端也相對于基站處于高速運(yùn)動中，這樣，接收端的頻率會發(fā)生偏移，這就是多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的，接收端與發(fā)射端的頻率之差就是多普勒頻移，速度越快，偏移的量越大。其中：f為載波頻率；V為接收端移動速度；θ為接收端移動方向與信號傳播方向之間的夾角；c為電磁波的速度。從公式可得：當(dāng)移動終端的方向和信號方向為同向時，多普勒頻移最大，反之，若兩者互為垂直時，將無多普勒效應(yīng)。論證多普勒頻移的因子：設(shè)：f1=基站信號頻率；因多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生的頻移=nMhz；移動終端收到的信號頻率f2，推出移動終端向基站發(fā)射信號的頻率為f2-nMhz，基站接收到的信號頻率為f3?；竞鸵苿咏K端對于多普勒頻移有一定的承受能力，不同的制式要求有不同的速度承受上限，當(dāng)然，和硬件設(shè)備的指標(biāo)也有著很大的關(guān)系。

c)快衰落

快衰落又稱多徑衰落，無線信道就是一個多徑衰弱的信道，由于無線信號從信號源發(fā)出后因受到各種復(fù)雜環(huán)境的影響產(chǎn)生了直射、反射和散射后到達(dá)接收機(jī)，不同相位和幅度的信號疊加導(dǎo)致接收機(jī)收到信號很不穩(wěn)定。來自于各種路徑的矢量信號相互疊加后使得信號強(qiáng)度很大程度上的衰減?？焖ヂ涞慕y(tǒng)計可以參考瑞麗分布，也稱瑞麗衰落。在高鐵環(huán)境中，拿GSM900舉例，當(dāng)列車的時速達(dá)到300km/s，衰落的次數(shù)可達(dá)400多次，信號衰減的強(qiáng)度可達(dá)40dB，由此看來，快衰落對于高鐵無線通信的影響巨大。在無線系統(tǒng)中，可以設(shè)置接收時限來抑制多徑衰落的影響，如：GSM中處理多徑信號的時限為15μs，超出時限的信號將作為干擾信號處理。

d)鄰區(qū)重疊距離問題

在高鐵環(huán)境中，當(dāng)移動終端的所接收的信號強(qiáng)度降低到一定值時就會導(dǎo)致小區(qū)的重選和切換。移動終端在一段時間內(nèi)（如：5秒）中測量到鄰區(qū)的信號強(qiáng)度要高于當(dāng)前小區(qū)時，將導(dǎo)致小區(qū)重選。在沒有完成順利切換前，當(dāng)信號強(qiáng)度低于門限值以下時，移動終端將脫離無線網(wǎng)絡(luò)，發(fā)生掉話或數(shù)據(jù)中端。因此，根據(jù)列車的時速，可設(shè)計相鄰區(qū)間的信號重疊的距離范圍。

信號重疊距離的公式：L=ST2，其中S=移動終端的速度，T為切換時間。假設(shè)小區(qū)1的范圍是點A-C，小區(qū)的范圍是點B-D，那么他們之間的重疊區(qū)域范圍為B-C，該范圍的距離就要按照公式代入列車的時速得出。示意圖如下：

e)高速帶來的高位置更新率和頻繁切換

移動速度越快，移動終端所在當(dāng)前位置的時間越短，基站需要在很短的時間內(nèi)對列車上所有被服務(wù)的移動終端進(jìn)行位置更新，這硬件系統(tǒng)是一個很大的挑戰(zhàn)。易發(fā)生碰撞導(dǎo)致位置更新失敗。同樣，高速帶來的還有頻繁的越區(qū)切換，若一個基站所能覆蓋半徑1km的范圍，時速300km/s的列車上的移動設(shè)備將會在10秒中左右做一次越區(qū)切換。2.4中提到設(shè)計合理的鄰區(qū)覆蓋重疊距離來緩解該現(xiàn)象，但畢竟在一些地理條件比較特殊的山地、丘陵、山洞等環(huán)境中是較難將覆蓋深度做充分的。

f)天線選擇的特殊性

根據(jù)鐵路的覆蓋特點，屬于較為狹長的地形覆蓋，再加上基站與被覆蓋區(qū)域可能有遠(yuǎn)有近，因此選擇天線的型號需要根據(jù)實際情況，常規(guī)的劃分如下表：

為防止“塔下黑”現(xiàn)象，一般50m以內(nèi)的垂直距離內(nèi)部設(shè)置基站。在序號b項中，一般利用一個二功分器引出一對相同信號源的天線對鐵路的兩個方向進(jìn)行覆蓋當(dāng)發(fā)生有“塔下黑”現(xiàn)象時，可增加天線進(jìn)行局部覆蓋。序號c項的覆蓋方法與b項類似。當(dāng)基站距離超過300m，被覆蓋區(qū)域過大，小區(qū)覆蓋的邊緣離開基站達(dá)2km，基站需要重新選址。波束天線覆蓋示意圖如下：

三、覆蓋方案

3.1組網(wǎng)方式

高鐵環(huán)境下可利用光纖射頻拉遠(yuǎn)的方式（BBU+RRU）來實現(xiàn)無線覆蓋。示意圖如下：該方案中，BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）可實現(xiàn)分離，形成分布式系統(tǒng)，該種組網(wǎng)方式還應(yīng)用于室內(nèi)分布系統(tǒng)。RRU是多載波功放技術(shù)的拉遠(yuǎn)射頻單元，與BBU采用光纖連接，多個RRU之間也是利用光纖級聯(lián)。BBU則通過標(biāo)準(zhǔn)的Abis口連接基站控制器BSC。

3.2共用一個邏輯小區(qū)的優(yōu)化方案

和室內(nèi)分布式系統(tǒng)一樣，高鐵也有采用共用一個邏輯小區(qū)（同PN）的方案。所謂同PN，就是多個RRU采用相同的PN設(shè)置，在BBU處視為邏輯上是同一個小區(qū)。這種方案的優(yōu)點在于避免了物理小區(qū)上由信號的衰弱導(dǎo)致的切換，這樣也就不存在切換失敗問題。因此，在整個一個邏輯小區(qū)內(nèi)包含著若干物理小區(qū)，他們之間僅存在信號強(qiáng)弱和多徑時延的關(guān)系。但在實際應(yīng)用中，該方案也要考慮到話務(wù)量問題。在一些用戶密集區(qū)域，若預(yù)測話務(wù)量達(dá)到一定的上限時，還是必須一個物理小區(qū)獨用一個PN。

3.3公網(wǎng)和專網(wǎng)的覆蓋方案的討論

為滿足高鐵無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，專網(wǎng)（專門為高鐵用戶使用的無線網(wǎng)絡(luò)）建設(shè)是必不可少的，但專網(wǎng)建設(shè)成本遠(yuǎn)高于利用鐵路沿線的公網(wǎng)基站進(jìn)行對鐵路的覆蓋，因此，根據(jù)實際環(huán)境，兩網(wǎng)需要結(jié)合使用。以下是兩網(wǎng)覆蓋方案的比較：從網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量考慮，運(yùn)營商應(yīng)加大專網(wǎng)的投入以給到高鐵用戶更佳的使用體驗。在某些地理條件較為惡劣的地帶，專網(wǎng)覆蓋是實現(xiàn)高鐵無線網(wǎng)絡(luò)的唯一途徑。在具有較強(qiáng)公網(wǎng)信號的地帶，如：火車站、進(jìn)入市區(qū)范圍，專網(wǎng)就要根據(jù)公網(wǎng)宏站小區(qū)進(jìn)行設(shè)置，成為鄰區(qū)，其切換門限需稍低于公網(wǎng)。在專網(wǎng)參數(shù)設(shè)置時，應(yīng)遵循以下原則：

a)盡可能少地去配置相鄰小區(qū)，以降低切換失敗率；

b)設(shè)置鏈型鄰區(qū)，切換到前向的鄰區(qū)；

c)設(shè)置較高的初始和試探序列的發(fā)射功率；

d)將公網(wǎng)也同樣設(shè)置為專網(wǎng)的鄰區(qū)；e)專網(wǎng)切換門限低于公網(wǎng)。

四、特殊環(huán)境的覆蓋方式

a)火車站環(huán)境

一般火車站都由公網(wǎng)信號覆蓋且用戶密集，話務(wù)量高。當(dāng)然，這里也是專網(wǎng)和公網(wǎng)相鄰的地帶，根據(jù)3.3中專網(wǎng)參數(shù)設(shè)置的原則來規(guī)劃專網(wǎng)，將能很好地實現(xiàn)由公網(wǎng)信號切換專網(wǎng)信號的過程。為避免兩網(wǎng)信號的重疊覆蓋，為防止專網(wǎng)吸收過多的非高鐵用戶，導(dǎo)致資源緊缺，公網(wǎng)和專網(wǎng)之間需要建立過去小區(qū)。

b)平原環(huán)境

可以使用室外宏站進(jìn)行覆蓋，平原是無線覆蓋中較為理想的覆蓋環(huán)境，利用宏站的發(fā)射功率高、話務(wù)量承載能力高、單位距離覆蓋成本低的特點，選用宏站覆蓋是較為合理的方法。

c)隧道環(huán)境

隧道通常存在于山區(qū)中，橫穿山體。山體的屏蔽性很強(qiáng)，室外宏站信號在穿過山體到達(dá)隧道內(nèi)其信號強(qiáng)度幾乎要衰減40~50dB，因此宏站鐵塔覆蓋方法一般不適用于隧道環(huán)境。漏泄式電纜將是隧道覆蓋主要設(shè)備，其適用頻率寬泛（800Mhz-2400Mhz），幾乎可滿足目前現(xiàn)網(wǎng)的所有頻段。

根據(jù)隧道長度的劃分，可分成短、中長、長距離隧道，且覆蓋方案也有所不同，歸結(jié)如下表：根據(jù)ITU-R的建議，隧道信號強(qiáng)度損耗可以預(yù)估為：L=20*lgf+30*lgd-28dB。其中f為頻率，d移動終端和天線的距離。若單個RRU的發(fā)射功率為80W（49dBm），假設(shè)在GSM900的網(wǎng)絡(luò)中，其隧道信號損耗值L=（59.1+30lgd-28）dB(1)，若要保證基本的通話需求（在2.1中已闡述），則Lmax=[49-（-85）]dB=134dB，代入（1）中，可得：dmax≈2700m。因此，根據(jù)此理論推出，每2700m的區(qū)間內(nèi)須安裝一個RRU+天饋系統(tǒng)。

d)橋梁環(huán)境

隨著高鐵在中國大陸上的普及，“爬山涉水”在所難免，其中“涉水”就免不了建造鐵路大橋?qū)崿F(xiàn)通行。根據(jù)橋面的水平高度，可歸結(jié)為以下覆蓋方法：

a)橋面水平高度＜20m時，可利用鐵塔進(jìn)行覆蓋，鐵塔高速=橋面高度+25m；

b)橋面水平高度≥20m時，為控制