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本文作者：宋陸斌單位：上海交通大學電子信息與電氣工程學院

一、緒論

自2007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）的建設在中國大地上掀起了一股巨大的浪潮。鐵路運輸的經濟和方便，使得越來越多的乘客從飛機轉向了鐵路。而乘客在高鐵上的語音和數據業務也成為了三大運營商今后不可忽視的市場。在專網方面，調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，解決高鐵環境下無線通信問題將是今后通信行業的一個重要課題。

二、高鐵環境影響無線通信質量的幾個因素

a)列車車體的穿透損耗

中國高鐵的現行列車為CRH列車，該系列的車輛在車廂結構上加強了密封性，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值比較：在無線網絡的覆蓋時，必須考慮車體損耗，這樣才能保證無線通話的正常進行。另外，列車在高速運動中的損耗還要大于上表中停止狀態的損耗，因此增大車外無線信號的強度是必不可少的。若要保證基本的通話需求（手機、手持臺接受信號的電平值要達到-85dBm），并計入來自于車體的25dB損耗，那樣，車廂以外的信號強度必須要在-60dBm以上。

b)多普勒效應

當列車在高速移動時，車輛上的移動終端也相對于基站處于高速運動中，這樣，接收端的頻率會發生偏移，這就是多普勒效應導致的，接收端與發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。論證多普勒頻移的因子：設：f1=基站信號頻率；因多普勒效應的產生的頻移=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，當然，和硬件設備的指標也有著很大的關系。

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出后因受到各種復雜環境的影響產生了直射、反射和散射后到達接收機，不同相位和幅度的信號疊加導致接收機收到信號很不穩定。來自于各種路徑的矢量信號相互疊加后使得信號強度很大程度上的衰減?？焖ヂ涞慕y計可以參考瑞麗分布，也稱瑞麗衰落。在高鐵環境中，拿GSM900舉例，當列車的時速達到300km/s，衰落的次數可達400多次，信號衰減的強度可達40dB，由此看來，快衰落對于高鐵無線通信的影響巨大。在無線系統中，可以設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)鄰區重疊距離問題

在高鐵環境中，當移動終端的所接收的信號強度降低到一定值時就會導致小區的重選和切換。移動終端在一段時間內（如：5秒）中測量到鄰區的信號強度要高于當前小區時，將導致小區重選。在沒有完成順利切換前，當信號強度低于門限值以下時，移動終端將脫離無線網絡，發生掉話或數據中端。因此，根據列車的時速，可設計相鄰區間的信號重疊的距離范圍。

信號重疊距離的公式：L=S•T•2，其中S=移動終端的速度，T為切換時間。假設小區1的范圍是點A-C，小區的范圍是點B-D，那么他們之間的重疊區域范圍為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，移動終端所在當前位置的時間越短，基站需要在很短的時間內對列車上所有被服務的移動終端進行位置更新，這硬件系統是一個很大的挑戰。易發生碰撞導致位置更新失敗。同樣，高速帶來的還有頻繁的越區切換，若一個基站所能覆蓋半徑1km的范圍，時速300km/s的列車上的移動設備將會在10秒中左右做一次越區切換。2.4中提到設計合理的鄰區覆蓋重疊距離來緩解該現象，但畢竟在一些地理條件比較特殊的山地、丘陵、山洞等環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域可能有遠有近，因此選擇天線的型號需要根據實際情況，常規的劃分如下表：

為防止“塔下黑”現象，一般50m以內的垂直距離內部設置基站。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行覆蓋當發生有“塔下黑”現象時，可增加天線進行局部覆蓋。序號c項的覆蓋方法與b項類似。當基站距離超過300m，被覆蓋區域過大，小區覆蓋的邊緣離開基站達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組網方式

高鐵環境下可利用光纖射頻拉遠的方式（BBU+RRU）來實現無線覆蓋。示意圖如下：該方案中，BBU（基帶處理單元）和RRU（射頻拉遠單元）可實現分離，形成分布式系統，該種組網方式還應用于室內分布系統。RRU是多載波功放技術的拉遠射頻單元，與BBU采用光纖連接，多個RRU之間也是利用光纖級聯。BBU則通過標準的Abis口連接基站控制器BSC。

3.2共用一個邏輯小區的優化方案

和室內分布式系統一樣，高鐵也有采用共用一個邏輯小區（同PN）的方案。所謂同PN，就是多個RRU采用相同的PN設置，在BBU處視為邏輯上是同一個小區。這種方案的優點在于避免了物理小區上由信號的衰弱導致的切換，這樣也就不存在切換失敗問題。因此，在整個一個邏輯小區內包含著若干物理小區，他們之間僅存在信號強弱和多徑時延的關系。但在實際應用中，該方案也要考慮到話務量問題。在一些用戶密集區域，若預測話務量達到一定的上限時，還是必須一個物理小區獨用一個PN。

3.3公網和專網的覆蓋方案的討論

為滿足高鐵無線網絡的覆蓋，專網（專門為高鐵用戶使用的無線網絡）建設是必不可少的，但專網建設成本遠高于利用鐵路沿線的公網基站進行對鐵路的覆蓋，因此，根據實際環境，兩網需要結合使用。以下是兩網覆蓋方案的比較：從網絡質量考慮，運營商應加大專網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，專網覆蓋是實現高鐵無線網絡的唯一途徑。在具有較強公網信號的地帶，如：火車站、進入市區范圍，專網就要根據公網宏站小區進行設置，成為鄰區，其切換門限需稍低于公網。在專網參數設置時，應遵循以下原則：

a)盡可能少地去配置相鄰小區，以降低切換失敗率；

b)設置鏈型鄰區，切換到前向的鄰區；

c)設置較高的初始和試探序列的發射功率；

d)將公網也同樣設置為專網的鄰區；e)專網切換門限低于公網。

四、特殊環境的覆蓋方式

a)火車站環境

一般火車站都由公網信號覆蓋且用戶密集，話務量高。當然，這里也是專網和公網相鄰的地帶，根據3.3中專網參數設置的原則來規劃專網，將能很好地實現由公網信號切換專網信號的過程。為避免兩網信號的重疊覆蓋，為防止專網吸收過多的非高鐵用戶，導致資源緊缺，公網和專網之間需要建立過去小區。

b)平原環境

可以使用室外宏站進行覆蓋，平原是無線覆蓋中較為理想的覆蓋環境，利用宏站的發射功率高、話務量承載能力高、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)隧道環境

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

根據隧道長度的劃分，可分成短、中長、長距離隧道，且覆蓋方案也有所不同，歸結如下表：根據ITU-R的建議，隧道信號強度損耗可以預估為：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的發射功率為80W（49dBm），假設在GSM900的網絡中，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，根據此理論推出，每2700m的區間內須安裝一個RRU+天饋系統。

d)橋梁環境

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實現通行。根據橋面的水平高度，可歸結為以下覆蓋方法：

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

b)橋面水平高度≥20m時，為控制建設成本，不建議再使用鐵塔覆蓋，而是利用宏站+RRU+天饋系統組建室外分布系統（與樓宇內室內分布系統類似）。出于環保考慮，天線應設置較低的功率，出于安全角度考慮，天線桿標離開鐵軌的距離應大于桿標高度。

五、總結

本文從分析高鐵環境下無線通信的特殊性出發，提出無線覆蓋的需求，并介紹了組網方式和現實地理環境下不同方案的選擇，希望能帶給廣大業內人士和無線愛好者有益的幫助。