高铁建设中无线通信传播的使用

精品文档-下载后可编辑高铁建设中无线通信传播的使用本文：宋陆斌单位：上海交通大学电子信息与电气工程学院

一、绪论

自2022年4月18日中国铁路的第六次提速起，高速铁路（以下简称：高铁）的建设在中国大地上掀起了一股巨大的浪潮。铁路运输的经济和方便，使得越来越多的乘客从飞机转向了铁路。而乘客在高铁上的语音和数据业务也成为了三大运营商今后不可忽视的市场。在专网方面，调度台和列车的正常无线通信也是列车安全行驶的重要保障。因此，解决高铁环境下无线通信问题将是今后通信行业的一个重要课题。

二、高铁环境影响无线通信质量的几个因素

a)列车车体的穿透损耗

中国高铁的现行列车为CRH列车，该系列的车辆在车厢结构上加强了密封性，与以往的列车相比，无线信号的穿透损耗增加。下表是CRH各车型与老车型的穿透损耗的数值比较：在无线网络的覆盖时，必须考虑车体损耗，这样才能保证无线通话的正常进行。另外，列车在高速运动中的损耗还要大于上表中停止状态的损耗，因此增大车外无线信号的强度是必不可少的。若要保证基本的通话需求（手机、手持台接受信号的电平值要达到-85dBm），并计入来自于车体的25dB损耗，那样，车厢以外的信号强度必须要在-60dBm以上。

b)多普勒效应

当列车在高速移动时，车辆上的移动终端也相对于基站处于高速运动中，这样，接收端的频率会发生偏移，这就是多普勒效应导致的，接收端与发射端的频率之差就是多普勒频移，速度越快，偏移的量越大。其中：f为载波频率；V为接收端移动速度；θ为接收端移动方向与信号传播方向之间的夹角；c为电磁波的速度。从公式可得：当移动终端的方向和信号方向为同向时，多普勒频移最大，反之，若两者互为垂直时，将无多普勒效应。论证多普勒频移的因子：设：f1=基站信号频率；因多普勒效应的产生的频移=nMhz；移动终端收到的信号频率f2，推出移动终端向基站发射信号的频率为f2-nMhz，基站接收到的信号频率为f3。基站和移动终端对于多普勒频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，当然，和硬件设备的指标也有着很大的关系。

c)快衰落

快衰落又称多径衰落，无线信道就是一个多径衰弱的信道，由于无线信号从信号源发出后因受到各种复杂环境的影响产生了直射、反射和散射后到达接收机，不同相位和幅度的信号叠加导致接收机收到信号很不稳定。来自于各种路径的矢量信号相互叠加后使得信号强度很大程度上的衰减。快衰落的统计可以参考瑞丽分布，也称瑞丽衰落。在高铁环境中，拿GSM900举例，当列车的时速达到300km/s，衰落的次数可达400多次，信号衰减的强度可达40dB，由此看来，快衰落对于高铁无线通信的影响巨大。在无线系统中，可以设置接收时限来抑制多径衰落的影响，如：GSM中处理多径信号的时限为15μs，超出时限的信号将作为干扰信号处理。

d)邻区重叠距离问题

在高铁环境中，当移动终端的所接收的信号强度降低到一定值时就会导致小区的重选和切换。移动终端在一段时间内（如：5秒）中测量到邻区的信号强度要高于当前小区时，将导致小区重选。在没有完成顺利切换前，当信号强度低于门限值以下时，移动终端将脱离无线网络，发生掉话或数据中端。因此，根据列车的时速，可设计相邻区间的信号重叠的距离范围。

信号重叠距离的公式：L=ST2，其中S=移动终端的速度，T为切换时间。假设小区1的范围是点A-C，小区的范围是点B-D，那么他们之间的重叠区域范围为B-C，该范围的距离就要按照公式代入列车的时速得出。示意图如下：

e)高速带来的高位置更新率和频繁切换

移动速度越快，移动终端所在当前位置的时间越短，基站需要在很短的时间内对列车上所有被服务的移动终端进行位置更新，这硬件系统是一个很大的挑战。易发生碰撞导致位置更新失败。同样，高速带来的还有频繁的越区切换，若一个基站所能覆盖半径1km的范围，时速300km/s的列车上的移动设备将会在10秒中左右做一次越区切换。2.4中提到设计合理的邻区覆盖重叠距离来缓解该现象，但毕竟在一些地理条件比较特殊的山地、丘陵、山洞等环境中是较难将覆盖深度做充分的。

f)天线选择的特殊性

根据铁路的覆盖特点，属于较为狭长的地形覆盖，再加上基站与被覆盖区域可能有远有近，因此选择天线的型号需要根据实际情况，常规的划分如下表：

为防止“塔下黑”现象，一般50m以内的垂直距离内部设置基站。在序号b项中，一般利用一个二功分器引出一对相同信号源的天线对铁路的两个方向进行覆盖当发生有“塔下黑”现象时，可增加天线进行局部覆盖。序号c项的覆盖方法与b项类似。当基站距离超过300m，被覆盖区域过大，小区覆盖的边缘离开基站达2km，基站需要重新选址。波束天线覆盖示意图如下：

三、覆盖方案

3.1组网方式

高铁环境下可利用光纤射频拉远的方式（BBU+RRU）来实现无线覆盖。示意图如下：该方案中，BBU（基带处理单元）和RRU（射频拉远单元）可实现分离，形成分布式系统，该种组网方式还应用于室内分布系统。RRU是多载波功放技术的拉远射频单元，与BBU采用光纤连接，多个RRU之间也是利用光纤级联。BBU则通过标准的Abis口连接基站控制器BSC。

3.2共用一个逻辑小区的优化方案

和室内分布式系统一样，高铁也有采用共用一个逻辑小区（同PN）的方案。所谓同PN，就是多个RRU采用相同的PN设置，在BBU处视为逻辑上是同一个小区。这种方案的优点在于避免了物理小区上由信号的衰弱导致的切换，这样也就不存在切换失败问题。因此，在整个一个逻辑小区内包含着若干物理小区，他们之间仅存在信号强弱和多径时延的关系。但在实际应用中，该方案也要考虑到话务量问题。在一些用户密集区域，若预测话务量达到一定的上限时，还是必须一个物理小区独用一个PN。

3.3公网和专网的覆盖方案的讨论

为满足高铁无线网络的覆盖，专网（专门为高铁用户使用的无线网络）建设是必不可少的，但专网建设成本远高于利用铁路沿线的公网基站进行对铁路的覆盖，因此，根据实际环境，两网需要结合使用。以下是两网覆盖方案的比较：从网络质量考虑，运营商应加大专网的投入以给到高铁用户更佳的使用体验。在某些地理条件较为恶劣的地带，专网覆盖是实现高铁无线网络的唯一途径。在具有较强公网信号的地带，如：火车站、进入市区范围，专网就要根据公网宏站小区进行设置，成为邻区，其切换门限需稍低于公网。在专网参数设置时，应遵循以下原则：

a)尽可能少地去配置相邻小区，以降低切换失败率；

b)设置链型邻区，切换到前向的邻区；

c)设置较高的初始和试探序列的发射功率；

d)将公网也同样设置为专网的邻区；e)专网切换门限低于公网。

四、特殊环境的覆盖方式

a)火车站环境

一般火车站都由公网信号覆盖且用户密集，话务量高。当然，这里也是专网和公网相邻的地带，根据3.3中专网参数设置的原则来规划专网，将能很好地实现由公网信号切换专网信号的过程。为避免两网信号的重叠覆盖，为防止专网吸收过多的非高铁用户，导致资源紧缺，公网和专网之间需要建立过去小区。

b)平原环境

可以使用室外宏站进行覆盖，平原是无线覆盖中较为理想的覆盖环境，利用宏站的发射功率高、话务量承载能力高、单位距离覆盖成本低的特点，选用宏站覆盖是较为合理的方法。

c)隧道环境

隧道通常存在于山区中，横穿山体。山体的屏蔽性很强，室外宏站信号在穿过山体到达隧道内其信号强度几乎要衰减40~50dB，因此宏站铁塔覆盖方法一般不适用于隧道环境。漏泄式电缆将是隧道覆盖主要设备，其适用频率宽泛（800Mhz-2400Mhz），几乎可满足目前现网的所有频段。

根据隧道长度的划分，可分成短、中长、长距离隧道，且覆盖方案也有所不同，归结如下表：根据ITU-R的建议，隧道信号强度损耗可以预估为：L=20*lgf+30*lgd-28dB。其中f为频率，d移动终端和天线的距离。若单个RRU的发射功率为80W（49dBm），假设在GSM900的网络中，其隧道信号损耗值L=（59.1+30lgd-28）dB(1)，若要保证基本的通话需求（在2.1中已阐述），则Lmax=[49-（-85）]dB=134dB，代入（1）中，可得：dmax≈2700m。因此，根据此理论推出，每2700m的区间内须安装一个RRU+天馈系统。

d)桥梁环境

随着高铁在中国大陆上的普及，“爬山涉水”在所难免，其中“涉水”就免不了建造铁路大桥实现通行。根据桥面的水平高度，可归结为以下覆盖方法：

a)桥面水平高度＜20m时，可利用铁塔进行覆盖，铁塔高速=桥面高度+25m；

b)桥面水平高度≥20m时，为控制