王梣泂

（重慶市信息通信咨詢?cè)O(shè)計(jì)院有限公司 重慶市 400041）

伴隨著社會(huì)的進(jìn)步和科技的快速發(fā)展，城市交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)也取得了進(jìn)一步進(jìn)展，與此同時(shí)，人們對(duì)其也提出了更加嚴(yán)苛的要求，需要其具有更好的安全性、舒適性和高效性。在軌道交通運(yùn)行過(guò)程中，車地?zé)o線通信系統(tǒng)作為紐帶和連接，可將車廂與外界聯(lián)系在一起，促進(jìn)信息的交流和交換，不僅可發(fā)揮語(yǔ)音功能，同時(shí)也可傳播多媒體廣告信息和乘客出行信息等。將無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋在高鐵中，不僅可以為乘客提供一個(gè)較好的出行體驗(yàn)，同時(shí)也能強(qiáng)化公共安全管理，提升地鐵的運(yùn)營(yíng)效率。計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的發(fā)展和普及，衍生了LTE 技術(shù)，其為軌道交通提供了無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，目前LTE技術(shù)需考慮如何在高速移動(dòng)的環(huán)境背景下，提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和通信質(zhì)量，增強(qiáng)乘客出行滿意度，本文對(duì)此進(jìn)行了分析和探討，內(nèi)容如下。

1 LTE技術(shù)分析

（1）LTE 技術(shù)的傳輸方案。在對(duì)無(wú)線通信進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，首先需針對(duì)預(yù)測(cè)路徑，采取科學(xué)合理的傳輸方案進(jìn)行檢查，從而確定某些區(qū)域是否具有相對(duì)較強(qiáng)的無(wú)線傳播性能。結(jié)合當(dāng)前高鐵在運(yùn)行過(guò)程中采用的傳輸方案可知，為確保在移動(dòng)通信過(guò)程中，對(duì)于LTE技術(shù)的應(yīng)用可充分發(fā)揮其功能，就需強(qiáng)化更新和使用LTE 技術(shù)的傳輸方案，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，有效監(jiān)測(cè)傳輸方案中的各種數(shù)據(jù)，確保該數(shù)據(jù)具有較高的精準(zhǔn)度，從而對(duì)無(wú)線通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃規(guī)模、覆蓋范圍、站點(diǎn)布置情況及精準(zhǔn)度進(jìn)行準(zhǔn)確把握。

（2）LTE 技術(shù)的物理層。針對(duì)基本的物理層技術(shù)，需進(jìn)行設(shè)計(jì)和改造，確保LTE 技術(shù)數(shù)據(jù)包可借助該物理層技術(shù)，快速傳輸相關(guān)數(shù)據(jù)。由于物理層技術(shù)中的多普勒頓頻移效應(yīng)，會(huì)在一定程度上對(duì)無(wú)線通信接入的信號(hào)及信號(hào)質(zhì)量產(chǎn)生影響，從而導(dǎo)致系統(tǒng)容量或覆蓋效率發(fā)生改變，因此需合理有效的應(yīng)用其中的多普勒頓頻移效應(yīng)。此外，在高速移動(dòng)的環(huán)境背景下，終端的方位也會(huì)隨之發(fā)生改變，出現(xiàn)快速移動(dòng)，而終端位置的頻繁快速移動(dòng)，則會(huì)在很大程度上影響系統(tǒng)性能，基于這種情況，在建設(shè)高鐵通信網(wǎng)絡(luò)過(guò)程中，為了有效解決終端方位的更換問(wèn)題，需加強(qiáng)對(duì)LTE 技術(shù)中物理層技術(shù)的使用。

2 高鐵覆蓋分析

2.1 無(wú)線傳播模型

高速覆蓋的傳播模型基礎(chǔ)為COST231‐Hata 經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停深A(yù)測(cè)無(wú)線電波波長(zhǎng)處于150‐2000MHz 范圍無(wú)線電波的傳播損耗，針對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作，采取該模型作為其傳播模型工具，可確保其實(shí)用性和準(zhǔn)確性較高。與該模型相對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)形式如下：

COST231‐Hata 模型中不同系數(shù)的代表含義為：

Lb‐表示路損；

F‐表示中心頻率；

Hb‐表示基站有效高度；

Hm‐表示移動(dòng)臺(tái)有效高度；

D‐表示通信距離；

E‐Cm‐則為校正因子。

在針對(duì)不同的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行規(guī)劃時(shí)，可依據(jù)不同的無(wú)線場(chǎng)景，選用相應(yīng)的傳播模型。對(duì)于不同傳播模型的天線相對(duì)高度、收發(fā)天線距離及地形地貌因子等因素，可對(duì)電波傳播情況產(chǎn)生影響，因此，可將其看作路徑損耗預(yù)測(cè)公式中的一些變量或者函數(shù)。

2.2 多普勒效應(yīng)

在高鐵覆蓋場(chǎng)景中，多普勒效應(yīng)對(duì)LTE 系統(tǒng)的性能具有相對(duì)較大的影響。多普勒效應(yīng)是指對(duì)于接收到的信號(hào)，由于接收機(jī)和信號(hào)源發(fā)生了相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而導(dǎo)致信號(hào)的波長(zhǎng)發(fā)生了相應(yīng)變化的現(xiàn)象。這種效應(yīng)在移動(dòng)通信系統(tǒng)，特別是一些高速場(chǎng)景情況下較為常見(jiàn)，且效應(yīng)較為明顯。由于多普勒效應(yīng)的作用，所導(dǎo)致的附加頻移又可被稱為多普勒頻偏，其表示可用下式：

其中，該式中：f 為載波頻率；C 為電磁波的傳播速度；v 為終端運(yùn)動(dòng)速度；θ 為終端移動(dòng)方向與信號(hào)傳播方向之間的夾角。

基站接收到信號(hào)后，發(fā)生多普勒效應(yīng)，其中所允許的最大多普勒頻率偏移正比于用戶終端的運(yùn)動(dòng)速度，即終端速度越大，則頻偏也就越大。

2.3 小區(qū)移動(dòng)

高速移動(dòng)的物體在保持較快速度高速移動(dòng)時(shí)，會(huì)導(dǎo)致各個(gè)小區(qū)之間進(jìn)行快速切換。列車的最大運(yùn)行速度為350km/h，即每1s 移動(dòng)的距離為97m，結(jié)合當(dāng)前高鐵沿線建設(shè)的基站情況，針對(duì)覆蓋范圍為幾百米的小區(qū)，當(dāng)高速列車通過(guò)時(shí)也僅僅只需要數(shù)秒時(shí)間。這樣的高速情境，極易導(dǎo)致高速列車面臨各種各樣的網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，如脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等。究其原因則主要表現(xiàn)在以下幾方面：

（1）用戶終端移動(dòng)速度較大時(shí)，在一個(gè)小區(qū)中就具有較短的駐留時(shí)間，從而導(dǎo)致用戶終端在小區(qū)的駐留時(shí)間，比對(duì)小區(qū)的選擇時(shí)間較短；

（2）用戶終端移動(dòng)速度較快時(shí)，對(duì)于相同的小區(qū)，在對(duì)時(shí)延進(jìn)行重新選擇時(shí)，需對(duì)小區(qū)進(jìn)行設(shè)置，確保其具有較長(zhǎng)的重疊區(qū)域；

（3）用戶終端移動(dòng)速度較快時(shí)，針對(duì)切換時(shí)延相同的情況下，需在小區(qū)之間設(shè)置相對(duì)較長(zhǎng)的切換重疊區(qū)。

在對(duì)小區(qū)切換帶進(jìn)行設(shè)置時(shí)，需依據(jù)小區(qū)切換時(shí)間、小區(qū)重選及列車運(yùn)行速度進(jìn)行。為確保終端在高速移動(dòng)過(guò)程中具有充足的切換時(shí)間，需保證相鄰的兩個(gè)小區(qū)之間具有相對(duì)充分的重疊覆蓋區(qū)域。

2.4 穿透損耗

高速列車的車廂采用的是密閉式設(shè)計(jì)方式，對(duì)于無(wú)線信號(hào)，車體具有相對(duì)較高的穿透損耗。CRH 列車的型號(hào)不同，其穿透損耗也具有很大差別。相比于普通的列車，新型的全封閉CRH 列車的穿透損耗較高，可達(dá)24dB，比普通列車高5～10dB 左右，因此在對(duì)專網(wǎng)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，需根據(jù)將來(lái)可能用到的車體類型的損耗情況，來(lái)確定高鐵覆蓋鏈路的預(yù)算情況，從而與不同型號(hào)列車的覆蓋要求情況相一致。若根據(jù)車廂內(nèi)的用戶通信需求，需為其提供超過(guò)‐85dB的的電平值，則需保證列車車廂外具有數(shù)值為‐60dB 的覆蓋電平。

3 基于LTE技術(shù)的高鐵無(wú)線通信覆蓋解決方案

3.1 單小區(qū)多RRU級(jí)聯(lián)技術(shù)

結(jié)合LTE 對(duì)高鐵覆蓋的情況來(lái)看，為確保終端在小區(qū)間的自由切換，需提升小區(qū)的覆蓋范圍，將小區(qū)切換次數(shù)大大降低。為此，可采取基帶池和RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）結(jié)合的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，增大小區(qū)的覆蓋范圍，選用多個(gè)RRU 組網(wǎng)，并在基帶合并技術(shù)的作用下，將其在一個(gè)小區(qū)中進(jìn)行組合。將同一小區(qū)內(nèi)的RRU 部署在高速鐵路沿線上，使切換頻率大大降低，促進(jìn)網(wǎng)絡(luò)性能的極大提升。

在下行方向，由于基站在發(fā)射信號(hào)時(shí)，是從不同的站點(diǎn)以相同的頻率分集進(jìn)行發(fā)射的，因此每個(gè)RRU 具有相同的發(fā)射信號(hào)。在多個(gè)RRU 的覆蓋重疊區(qū)域處，手機(jī)可以獲得接收增益，從而使下行方向的信號(hào)具有較好的接收效果。在上行方向，基站則相當(dāng)于從多路接收信號(hào)，在多個(gè)RRU 覆蓋重疊區(qū)域處，手機(jī)的上行信號(hào)可同時(shí)被多個(gè)RRU 天線接收到，光纖可對(duì)接收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行傳遞，并將其傳遞到基帶池，隨后，基帶處理板可將多路傳遞來(lái)的信號(hào)按照分集接收的方式接收，從而將上行方向?qū)π盘?hào)的接收靈敏度大大提升，并提高其對(duì)各種干擾的抵抗能力。

高鐵列車車體對(duì)信號(hào)的屏蔽能力較大，因此需確保覆蓋信號(hào)的強(qiáng)度較強(qiáng)，這就表明覆蓋區(qū)域的面積不能過(guò)大。當(dāng)多個(gè)RRU 存在于同一個(gè)邏輯小區(qū)中時(shí)，可將覆蓋區(qū)域部分采取重疊連環(huán)連接的方式，形成一個(gè)信號(hào)強(qiáng)度較高的狹長(zhǎng)地帶，這種覆蓋方式對(duì)于鐵路沿線的小區(qū)較為適合，可將覆蓋信號(hào)的強(qiáng)度大大增加。

3.2 車廂內(nèi)覆蓋

穿透損耗的特點(diǎn)較多，具體可表現(xiàn)在幾下幾個(gè)方面：

（1）掠射角逐漸變小的情況下，列車車廂的穿透損耗會(huì)具有逐漸變大的幅度增長(zhǎng)趨勢(shì)。

（2）當(dāng)掠射角的度數(shù)小于10 度的情況下，列車穿透損耗具有相對(duì)較快的增加幅度。

（3）不同的車廂位置，列車的穿透損耗也具有很大差別。

（4）對(duì)于CRH 動(dòng)車車廂，其整體穿透損耗平均值為25dB。

電磁波與列車具有相對(duì)較大的入射角時(shí)，其穿透損耗數(shù)值也就較小，當(dāng)電磁波與列車的入射角較小時(shí)，其穿透損耗則就越大，二者之間呈反比例關(guān)系。因此在對(duì)不同的站點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，為盡量降低穿透損耗，需確保選擇的基站位置遠(yuǎn)離軌道線，且兩者具有一定的距離，并保持天線主瓣方向與軌道線位置不平行，二者存在一個(gè)夾角。此外，為了將車體穿透損耗的影響降到最低，運(yùn)營(yíng)商在規(guī)劃和建設(shè)基站時(shí)，需確?；九c鐵路之間的距離相對(duì)較近，且保持二者的垂直距離處于50m～200m 之間。

3.3 車載直放站方案

對(duì)于高速列車，為了確保其車廂內(nèi)的無(wú)線信號(hào)覆蓋情況較為理想，可在高速運(yùn)行的環(huán)境下運(yùn)用車載直放站系統(tǒng)。在一般情況下，車載直放站的接收功能較為強(qiáng)大，它不僅可以對(duì)多普勒偏移效應(yīng)進(jìn)行改善和處理，同時(shí)還能對(duì)老式終端（不具備頻偏處理功能）進(jìn)行兼顧。此外，車載直放站還具有動(dòng)態(tài)增益控制功能，其在使用過(guò)程中，可依據(jù)對(duì)下行信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，來(lái)對(duì)車載直放站的上行和下行增益情況進(jìn)行自動(dòng)調(diào)整，與此同時(shí)，下行增益可在控制上行增益的情況下，來(lái)對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，避免其由于增益過(guò)大，而產(chǎn)生相對(duì)較高的上行噪聲，從而對(duì)沿線基站系統(tǒng)帶來(lái)干擾，嚴(yán)重削減其對(duì)信號(hào)的接收靈敏度。在對(duì)上行、下行增益進(jìn)行調(diào)整時(shí)，可依據(jù)高速列車的移動(dòng)特點(diǎn)來(lái)完成，確保列車內(nèi)具有相對(duì)平穩(wěn)的無(wú)限信號(hào)；針對(duì)車廂覆蓋系統(tǒng)來(lái)講，其用戶主要為車中的乘客，對(duì)于高速移動(dòng)列車的通信系統(tǒng)來(lái)講，其在無(wú)線信號(hào)的接收方面主要是上行方向受到限制，因此車載直放站在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，一般采取增強(qiáng)上行功率的方式。

3.4 高鐵組網(wǎng)方案

針對(duì)高鐵采取專網(wǎng)覆蓋方案，也就是將鐵路沿線采用專網(wǎng)進(jìn)行覆蓋，該方案只對(duì)高鐵列車內(nèi)的用戶通信適用。對(duì)于車站和列車停留的區(qū)域，適用專網(wǎng)組網(wǎng)時(shí)，可允許其與大網(wǎng)進(jìn)行自由切換，而列車沿線的設(shè)計(jì)方式為鏈形鄰區(qū)設(shè)計(jì)，該區(qū)域的專網(wǎng)組網(wǎng)不可與大網(wǎng)進(jìn)行切換。高鐵組網(wǎng)方案的使用，可為高鐵用戶提供較好的無(wú)線通信體驗(yàn)，保證其在高速移動(dòng)的環(huán)境情況下，可對(duì)路徑進(jìn)行隨意切換和選擇，從而極大的提升通信質(zhì)量。除此之外，針對(duì)一些高速場(chǎng)景，高鐵組網(wǎng)方案的制定，還可為其提供相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值、路徑切換和重選方法以及無(wú)限資源管理算法等，對(duì)整個(gè)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升具有較好的促進(jìn)作用。

在對(duì)站臺(tái)位置進(jìn)行覆蓋時(shí)，還需將公網(wǎng)和專網(wǎng)二者的關(guān)系考慮在內(nèi)，并分析其切換原則，從而確保進(jìn)入站臺(tái)位置后，公網(wǎng)用戶可自由切換為高鐵專網(wǎng)用戶，并在離開(kāi)站臺(tái)位置后，避免乒乓位置發(fā)生更新，并防止公網(wǎng)用戶對(duì)專網(wǎng)造成干擾。

4 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，當(dāng)前我國(guó)的高速鐵路呈現(xiàn)出翻天覆地的發(fā)展前景，為人們的日常出行帶來(lái)了非常大的便利，而LTE 技術(shù)憑借其較好的質(zhì)量、較高的抗干擾能力和較好的可靠性等優(yōu)勢(shì)，取得了較為理想的發(fā)展前景。而將LTE 技術(shù)應(yīng)用到軌道交通車地?zé)o線通信系統(tǒng)中，也有助于打造出一個(gè)更加優(yōu)質(zhì)的LTE 高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)。此外，LTE 車地?zé)o線通信系統(tǒng)擁有其專屬頻段，對(duì)外界干擾的抵抗力較強(qiáng)，且施工簡(jiǎn)單、設(shè)備維護(hù)方便等。為此，在對(duì)高鐵進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)，可使用LTE 技術(shù)增強(qiáng)其網(wǎng)絡(luò)覆蓋率，為乘客提供一個(gè)更加暢通的信息傳輸路徑，提升移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的服務(wù)質(zhì)量。