高速铁路移动通信网络研究范文

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随着我国高速铁路的发展，高铁无论从线路总长、运行速度和建设规模均处于世界领先地位．我国的高速铁路已经覆盖了全国90%以上的居住人口，相比于普通铁路，高铁车速较快、车身屏蔽性较强、无线信号穿透车体的衰耗较大．由于高铁的这些特殊性，手机信号覆盖的难度比较大，如何有效良好地覆盖高铁手机用户，有许多课题需要我们进行深入的研究．

1影响高铁移动网络覆盖的因素

1．1多普勒频移高铁载着手机用户高速移动时，会产生信号发射频率和接收频率之间的偏差，容易发生多普勒频移．当高铁高速运动时，高铁中的移动台与基站的位置也在不断的快速变化中，会发生非常严重的频率偏移．高铁速度越快频率偏移越严重，当移动台移动速度超过210km/h时，多普勒频移就非常明显了．移动台在相同的电磁环境下，通话质量明显恶化．

1．2天线的高度与列车的距离铁路信号传播模型:Ld=m+nlogd基站距离铁路的最佳距离模型见图1:由公式可以推导出，基站到列车的距离如果小于90m，由于天线穿透角度过小，无线信号衰减较大;如果大于490m，则无线信号的传播距离过大，造成的空间衰耗也较大．所以，建议基站高度建设应该在25m到30m之间，距离高铁线路约300m左右．

1．3隧道的影响高铁沿线往往有许多隧道，隧道内无线信号传播条件差．电磁波在隧道中传播时，会被屏蔽和吸收．除此之外，当高铁以高速穿行于隧道中时，隧道口将形成一股很大的压强，在隧道中会产生填充效应，此时的电磁环境和物理环境都和没有列车经过时有很大的区别．这些情况都会对无线信号在隧道中的覆盖产生很多不利的影响．

1．4信号屏蔽高铁列车从空气动力学和安全性上考虑，车体一般釆用密闭式设计且使用特种金属材料，这样无形之中增大了无线信号穿透车体的衰耗．据实地测量，信号穿透车体的衰耗最大可以达到25～30dBm，为了保证车厢内信号电平强度达到－95dBm以上，车体外信号至少需要达到－65～－70dBm左右．我们知道随着高铁的快速移动，信号会快速衰落，而车体的屏蔽又会对无线信号产生屏蔽．在这样的条件下手机主导频点会频繁切换，通话中也会产生断续、掉话的现象，这些情况下，不但系统开销大大增加，服务质量也大为降低．

1．5施工、运行和维护铁路沿线施工情况具有不确定性，部分施工为室外作业，工程实施安全条件差．需要考虑站点设备站址选择、防盗、引电、监控、避雷接地、传输等各类问题，工程实施难度大．在一些无法提供电源的地区还要考虑采用太阳能、风能等自然资源来进行供电．在隧道环境中施工，还受限于隧道中狭小的设备安装空间．隧道施工对走线和施工时间都有更严格的要求．一般高铁隧道覆盖系统均要在铁路开通前建设完成，如开通后建设时间将难于控制，而建设前完成又难于对覆盖效果进行测试，这都是现实的环境问题．高铁隧道内的通信设备一般应优先使用铁路内部的供电系统，特殊情况下才考虑使用民用供电系统．

2高铁移动信号覆盖组网方式

2．1公网覆盖方案公网覆盖是指利用现网资源，针对高速铁路的特点，对高铁沿线附近的基站进行改造，其特点主要是利用现网来覆盖高铁．这种覆盖方式只需要对铁路沿线的通信网络做部分调整，对现网的影响较小．因为既要保证高铁的覆盖又不能过多影响原有网络，所以需要进行网络整体规划，设计的难度较大．列车在高速行进的过程中，切换较多，系统开销较大，保证通信质量的难度也较大．公网覆盖一般使用如下覆盖的方法:

2．1．1增补基站和使用高增益基站天线首先要对高铁沿线进行路测，根据测试结果，在距离宏站较远，接收信号较差的地方，增加宏站．根据高铁覆盖区域较为笔直且狭长的特点，尽量在靠近高铁沿线300m的范围内设立新的宏站，通过安装大功率宏站设备，适当增加宏站输出功率，使用高增益，方向性强的天线，提高信号覆盖半径，以达到最大限度的降低建设成本，较少切换次数，提高信号质量的目的．

2．1．2新增扇区和进行网络优化新增扇区是指在原有的基站三个扇区的基础上再增加一个扇区．在新增的扇区上使用功分器来覆盖铁路沿线两方向．由于高铁和高铁附近区域都要覆盖，加上高铁覆盖的特殊性，重选切换序列复杂，容易出现切换掉话的情况，所以要对原有高铁沿线和周边区域做统一的网络优化，尽量简化邻区关系，做好小区的切换关系和优先级、优化邻区列表、调整各种切换算法、切换门限和出发时延，这样就可以减少小区切换和重选，减少系统开销，提高覆盖效果．由于需要同时满足高铁用户和高铁周边用户的需求，公网覆盖对话务量的需求较高，基站需要进行适当的扩容．公网覆盖后期的网络优化难度较大，复杂程度较高，很难满足高铁进一步提速的要求，只能作为过渡性的组网方式．

2．2专网覆盖方案专网结构要求专网信号只覆盖高铁沿线和各个换乘站，具体来讲就是该网络只服务于高铁移动用户，它要求在专网的覆盖区域，移动信号仅仅只覆盖铁路沿线和各个换乘站，应控制天馈发射功率、调整天馈方向角和俯仰角，采取各种措施尽量避免信号泄露到高铁外围区域．在高铁沿线专网为一个独立的通信网络，不与原有通信网络发生切换关系．专网有唯一的重选切换序列，切换关系只在专网内部进行，重选和切换更为顺畅．专网与现网相比较，专网使用有别于现网的频率规划，专网形成虚拟的独立网络，只在各个换乘站专网和现网重叠区域设立切换区，保留切换关系．专网不与公网设立相邻小区，与公网没有小区重选和切换关系，这样就保证了专网内信号纯净，减少了频繁切换，降低了干扰．高铁专网的所有切换和重选只在专网内部进行，仅仅保留了与公网的主要相邻关系，大大简化了与公网的邻区关系．相比于公网，专网只覆盖高铁沿线区域，以满足列车上用户的需求为主，对话务量需求较小，只需要配置较少的载频，频率规划比较简单．使用专用频率，可以单独预留载频进行规划，后期的网络优化也较为简单．日后通过进一步的网络优化，专网能够比较容易的满足高铁进一步提速的要求．所以专网应作为未来高铁覆盖的主要方式．

2．3车载方案车载方式是将直放站设备放置在动车车厢(1、3、6、8、9、11、14、16)的机架上，每个车厢放置泄漏电缆．每节动车车厢和其拖车间设置两条射频跳线和连接器，每节车厢顶部中间安装室外定向天线，详见图2．车载方案的优点是能与地面网络相配合，满足全车的各种公共通信业务需求，并支持高速移动的无线通信、4G的高速数据业务．在各个车站，可新建专网进行覆盖，也可继续使用现网进行覆盖，只需在车厢的换乘区域做好切换关系．

3对现网的优化

由于高铁的通信网络的特殊性、结合覆盖方式和投资特点，现有高铁优化方案选择上，多采用公网优化方案．对公网优化一般应从以下几点考虑:

3．1天线的调整天线的调整一般是覆盖优化最先考虑的方法，同时也是最为有效的方法之一．由于高铁信号覆盖区域呈现狭长带状，这就需要基站的天馈系统能覆盖较远的距离．在对高铁沿线基站进行天馈调整时，主要应该尽量提高天线挂高，一般挂高应在42m至60m之间．对天线的选择上，应该使用方向角较小，而增益高的天线，以提高信号的强度，一般应选用天线增益为21dBi至23dBi的天线．要选择水平波瓣为30度的定向天线，当基站距离高铁较远时，则需要采用水平波瓣为65°，垂直波瓣为6°以上的基站天线，并适当的对天线的方向角和下倾角进行调整，调整方向角的目的是为了使基站天线的主瓣方向顺着高铁沿线进行覆盖，进而提高移动信号的覆盖效果．在高铁沿线的移动信号覆盖中，应尽量减小下倾角的设置度数，目的是提高单站的覆盖的距离．

3．2调整基站天线波瓣角度我们结合基站的位置和天线覆盖角度，针对部分路段信号较弱，但又无法通过调整天线来解决的，可以通过调整天线波束角度来加强信号覆盖．一般来说，波束角度取值越小，能量可以更集中在高铁沿线，可以有效提高铁路沿线的信号的覆盖效果．

3．3调整功率我们可以通过调整小区的发射功率，提高覆盖效果．但是功率设置过高，虽然可以提高小区的覆盖范围，但会加大小区重叠区域．未来高铁运营速度会在360km/h以上，理论上重叠覆盖区域在234m到254m之间，在调整中需要考虑一定余量，保证切换时间在3s左右，否则用户将很难完成起呼．而且还会造成邻近小区的干扰;而如果基站输出功率过小，虽然可以降低干扰，但是可能造成部分区域信号较弱，出现盲区或弱信号区．所以，在进行功率调整之前，需进行详细的现场路测，根据路测结果进行相关参数的调整．

3．4梳理网络结构造成网络质量下降的重要原因之一是频繁切换，所以在满足信号覆盖的前提下，可以对服务小区进行覆盖分析和网络优化，通过RF优化，调整天馈的方向角、降低输出功率、删除邻区关系、调整切换参数、改变优先级等方法，尽量将高铁沿线某些非必要的扇区剔除出高铁覆盖区，从而使高铁沿线有明确的主服务小区，同时要避免主服务小区频繁更换，要重点治理导频污染，并进行小区碎片整理，进而减少邻频干扰、断续、掉话和乒乓效应的发生．

3．5切换/重选参数优化．为了消除切换、重选慢导致小区边界信号强度偏弱的问题，我们可以通过小区合并、调整切换时延、切换迟滞，调整小区偏置、重选、延迟等参数来解决．在车速很快的情况下，信号强度变化非常快，极易产生乒乓效应．乒乓切换一般是由主导小区变化过快，致使两个以上的小区交替成为主导小区，而每个小区成为主导小区的时间都很短，或者是覆盖区内根本就没有主导小区，每个小区的信号质量都很差．这两种情况往往导致切换不及时而导致掉话．我们可以通过优化调整系统工程参数，比如改变切换带的位置、大小;重新配置小区参数，比如调整信道功率配比、邻频关系;在对路测结果进行充分研究、对信令仔细分析后，进行性能参数优化调整．

4结语

目前国内大部分已建成的高铁通信系统都是针对2G、3G系统建设的，随着4G网络的正式商用，将4GLTE系统引入高铁是迫切所需的．通过对高铁特点的分析，LTE系统可以与原有系统共用一套天馈系统，这样既节约投资又减少了施工的难度．在场强设计时，应结合高铁信号的覆盖方式和特点采取一些抗干扰措施，以保证系统的性能指标．

作者：宁文晖 单位：陕西思普瑞通信设计咨询有限公司