自2007年中國(guó)鐵路啟動(dòng)第六次大面積提速以來，已在國(guó)內(nèi)新增3 500多千米的鐵路提速線路。主要干線列車時(shí)速達(dá)到160 km/h以上，部分路段可達(dá)到250～350 km/h。在“十一五”期間，我國(guó)將建設(shè)新線19 800 km，其中時(shí)速在300 km以上高鐵就超過5 457 km。相對(duì)于高速公路的通常限制速率在120 km/h以內(nèi)而言，高速鐵路因特有的高時(shí)速、高穿透損耗等特點(diǎn)，其無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋與普通鐵路或高速公路的覆蓋有所不同，干擾因素更多，更具復(fù)雜性[1]。
    實(shí)現(xiàn)高速列車3G" title="3G" target="_blank">3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是個(gè)十分復(fù)雜的問題。除了設(shè)備軟件或硬件故障以外，無線環(huán)境、參數(shù)設(shè)置、基站距離等方面都可能造成影響[2]。由于無線信道不像有線信道那樣固定且容易預(yù)測(cè)[3]，通常采用電波傳播損耗模型來計(jì)算路徑傳播損耗，通過預(yù)測(cè)特定點(diǎn)或特定區(qū)域的無線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)來確定無線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與信號(hào)強(qiáng)弱[4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要側(cè)重于列控信號(hào)的無線傳輸[5-6]。高速鐵路列車內(nèi)大多是商務(wù)客戶群，對(duì)移動(dòng)語音、寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求量大，因此，保證高速鐵路環(huán)境下3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋已成為高速鐵路建設(shè)中需要迫切解決的問題。
1 理論分析和測(cè)試方法
    在高速鐵路環(huán)境下,無線信道工作的主要特點(diǎn)為：列車以曲線半徑不小于7 km的直道行駛為主,處于高速、整體道床、長(zhǎng)鋼軌、全封閉式運(yùn)行條件，所經(jīng)鐵路沿線鋪有占地較寬的復(fù)線路基，基站天線的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍為沿鐵路線的帶狀線形區(qū)域；對(duì)于視線路徑，直射射線在列車天線接收信號(hào)中占主要部分[7-8]。根據(jù)以上特點(diǎn)，通過理論分析與實(shí)際測(cè)試的方法，采用便攜式頻譜儀在車廂內(nèi)進(jìn)行在線測(cè)量場(chǎng)強(qiáng),對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋產(chǎn)生影響的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析如下。
1.1 車體穿透損耗
    從現(xiàn)車測(cè)量得到，車廂的穿透損耗會(huì)直接影響車廂內(nèi)終端的接受信號(hào)強(qiáng)度，從而影響到鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。在靜止?fàn)顟B(tài)下，如圖1所示，隨著車廂穿透損耗的增加，小區(qū)覆蓋半徑將會(huì)明顯縮小。參考室內(nèi)環(huán)境下墻壁對(duì)無線信號(hào)的衰減作用,根據(jù)MOTLEY提出的室內(nèi)傳播的模型，其路徑損耗公式為：
 

    高速列車因采用密閉的箱體設(shè)計(jì)，導(dǎo)致更高的車體穿透損耗。以“和諧號(hào)”動(dòng)車組CRH為例，列車為全封閉車廂，車身由鋁合金和不銹鋼材料組成，車窗采用特殊材質(zhì)制成。在靜止條件下進(jìn)行穿透損耗測(cè)試，車體電導(dǎo)率為21 494×107 S/m，機(jī)車的前窗和側(cè)窗均采用相對(duì)介電常數(shù)為5.5的玻璃材料制成，較于普通列車而言，動(dòng)車組列車的車廂穿透損耗相對(duì)更高。普通列車的車廂穿透損耗平均值比動(dòng)車組要小10~15 dB。普通列車和動(dòng)車組車廂的車廂穿透損耗比較如圖2所示。

    測(cè)試數(shù)據(jù)表明，以CRH1(龐巴迪型列車)的車體垂直穿透損耗為最大，達(dá)到24 dB。在高速鐵路的3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，采用該車型為參考模型，以滿足全系列高速列車的信號(hào)覆蓋要求。
    在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，車廂穿透損耗還受到“掠射角”，即基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角影響。對(duì)“掠射角”的圖例說明如圖3所示。

    測(cè)試數(shù)據(jù)表明，當(dāng)“掠射角”等于10°時(shí)，車廂平均穿透損耗為24 dB 左右；當(dāng)它等于5°時(shí)，車廂平均穿透損耗上升至29 dB；當(dāng)“掠射角”接近0°時(shí)，車廂平均穿透損耗呈現(xiàn)快速上升的狀態(tài)如圖4所示。所以，合理控制“掠射角”，能夠更好更省地滿足高速鐵路的覆蓋目標(biāo)。取“掠射角”的臨界值為10°，根據(jù)基站的站間距，即可計(jì)算得出：基站距鐵軌的垂直距離范圍，應(yīng)滿足基站距鐵軌垂直距離范圍在(基站距鐵軌最小垂直距離，1/2基站站間距）之間。

1.2 地形地貌損耗
    我國(guó)地域幅員廣闊，地形復(fù)雜多樣，高速鐵路穿越的區(qū)域類型多種多樣，貫穿了多種地形地貌、特殊場(chǎng)景，有平原、山地、丘陵、高架橋、隧道等。按地貌類型分，可分為類平原區(qū)域和類山嶺區(qū)域；按行政區(qū)劃分，可分為密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊縣、農(nóng)村；按特殊場(chǎng)景劃分，可分為隧道、狹長(zhǎng)地形、橋梁、車站。通常情況下，類平原區(qū)域包含了所有行政區(qū)域，而山區(qū)、丘陵等類山嶺區(qū)域絕大多數(shù)包含郊縣和農(nóng)村。類平原區(qū)域基本上設(shè)立了重要的車站、過江的橋梁和部分“U”型地塹；而類山嶺區(qū)域多數(shù)存在過山的隧道、架空的高架鐵路橋梁、狹長(zhǎng)的山谷和普通的小車站。依據(jù)Hata模型理論，在鐵路沿線適用中值路徑損耗公式為：

    測(cè)試數(shù)據(jù)表明，路徑損耗從大到小為密集市區(qū)、一般市區(qū)、丘陵、郊區(qū)、農(nóng)村(見圖5)。根據(jù)不同因素劃分的覆蓋區(qū)域，以各自特點(diǎn)不同，分為通過優(yōu)化后的大網(wǎng)基站覆蓋和新建基站、RRU 拉遠(yuǎn)和直放站覆蓋等多種方式靈活運(yùn)用，滿足信號(hào)覆蓋要求。

1.3 區(qū)域覆蓋重疊與切換
    終端移動(dòng)速率的提高，會(huì)帶來更加顯著的多普勒效應(yīng)。多普勒頻率偏移量的增大，加劇了無線信道的變化，直接影響基站和終端接收機(jī)的性能。隨著頻偏的增加，用戶終端的測(cè)量性能也隨之下降，當(dāng)頻偏超過某一門限后，切換事件和流程將無法被觸發(fā)。良好的信號(hào)覆蓋可以有效降低頻率偏移對(duì)終端測(cè)量性能的影響，但是覆蓋重疊區(qū)過多也將產(chǎn)生導(dǎo)頻污染[9]，或者出現(xiàn)同頻、鄰頻干擾[10],“乒乓效應(yīng)”嚴(yán)重,造成切換成功率下降。為滿足高速鐵路環(huán)境下的3G網(wǎng)絡(luò)正常切換、接入和位置登記時(shí)延，需要合理設(shè)計(jì)切換區(qū)域和覆蓋重疊區(qū)域長(zhǎng)度。
    如圖6所示，r1、r2分別是兩個(gè)基站對(duì)應(yīng)小區(qū)的規(guī)劃覆蓋半徑，h1、h2分別是兩個(gè)基站離高速鐵路的距離，θ 是最小掠射角，h 是規(guī)劃的切換區(qū)域大小?？梢酝茖?dǎo)得到站間距的估算公式為：

對(duì)應(yīng)不同小區(qū)覆蓋半徑，結(jié)合不同速率下的切換區(qū)大小需求，可以計(jì)算得到站間距的大小。

    高速鐵路沿線的切換分軟切換、硬切換和虛擬軟切換，三種切換將會(huì)在多種不同時(shí)速的環(huán)境下發(fā)生。根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù)，各種切換距離和小區(qū)間重疊覆蓋距離如表1所示。

    從表1數(shù)據(jù)可以看出，軟切換方式對(duì)用戶業(yè)務(wù)影響小，應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)先考慮設(shè)置；若對(duì)于長(zhǎng)隧道、狹長(zhǎng)山谷等較窄的具有很強(qiáng)方向性的地形，則應(yīng)采用硬切換算法，保證切換快速及時(shí)。切換算法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選取，并通過后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改善切換性能。
2 高速環(huán)境下的3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
　 與常規(guī)的3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃相比，高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備較強(qiáng)的特殊性，除了考慮信號(hào)覆蓋能力外，對(duì)3G鏈路預(yù)算也是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要因素，鏈路預(yù)算是一種為不同3G業(yè)務(wù)提供小區(qū)范圍評(píng)估的有效方法。其預(yù)算的結(jié)果被稱為最大各向同性路徑損耗。使用適當(dāng)?shù)膫鞑ツＰ涂梢詫⑵滢D(zhuǎn)化為基站覆蓋的小區(qū)范圍。
　 在3G網(wǎng)絡(luò)中，話音業(yè)務(wù)仍然是最基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)。因此，鏈路預(yù)算以9.6 kb/s速率為主,兼顧19.2 kb/s～153.6 kb/s。為滿足寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，鏈路預(yù)算應(yīng)根據(jù)所使用的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)于非對(duì)稱的以下行為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，重點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行前向業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算；對(duì)于對(duì)稱型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，重點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行反向鏈路預(yù)算(反向速率等級(jí)從4.8 kb/s～1.8 Mb/s不等)。
    因高速鐵路沿線呈現(xiàn)線覆蓋模式，容量規(guī)劃可引入“線容量”的概念，計(jì)算單位距離的語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量需求。計(jì)算流程圖如圖7所示。

    依據(jù)給定長(zhǎng)度的高速鐵路（高速鐵路為復(fù)線鐵軌，所以計(jì)算的總里程是高速鐵路長(zhǎng)度的兩倍）、發(fā)車間隔時(shí)間和列車的運(yùn)行速度，計(jì)算出同一時(shí)刻在本段高速鐵路下運(yùn)行著的列車，并計(jì)算出實(shí)際的乘客數(shù)量；通過移動(dòng)用戶滲透率、語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)忙時(shí)話務(wù)量、數(shù)據(jù)用戶比例等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值，計(jì)算出總需求話務(wù)量與吞吐量。因在同一條高速鐵路線路下，需考慮到不同區(qū)域類型有不同的列車運(yùn)行速度，同時(shí)因?？空靖浇嬖诹熊嚰訙p速現(xiàn)象，考慮不同區(qū)域類型的容量因子，使得最終線容量=原始線容量×容量因子。對(duì)于BBU+RRU直放站覆蓋方式基本在特殊地形，如隧道、“U”型地塹等使用，列車時(shí)速在250 km/h以上，此情況下無需考慮容量因子，但必須考慮軟切換余量。隨著高速鐵路的發(fā)展、網(wǎng)內(nèi)用戶的增加和業(yè)務(wù)的不斷拓新，還需要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)期的無線容量需求以滿足高鐵中高端商務(wù)旅行客戶的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。
3 結(jié)論
　  (1)車廂穿透損耗是影響車廂內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的基礎(chǔ)因素。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，在靜止?fàn)顟B(tài)下，車體材質(zhì)及封閉程度將導(dǎo)致車廂穿透損耗上升；在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下，“掠射角”的減小使車廂穿透損耗呈現(xiàn)上升的狀態(tài)，其損耗效果是在靜止?fàn)顟B(tài)上的疊加。
　 (2)車廂內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的路徑損耗受高鐵沿線的地形地貌、建筑物密集程度及基站距離的綜合影響。路徑損耗與基站距離成正比,其極大值出現(xiàn)在密集市區(qū)。
　 (3)小區(qū)間重疊覆蓋及業(yè)務(wù)切換是抵消多普勒效應(yīng)的主要手段。合理設(shè)計(jì)重疊區(qū)域及切換算法可改善高速運(yùn)動(dòng)對(duì)用戶業(yè)務(wù)的影響。
    (4)對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋能力還應(yīng)考慮乘客的通信需求。在鏈路預(yù)算中引入“線容量”的概念，計(jì)算語音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無線容量。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙景山. 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋研究[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào)，2006，8 (4)：7-8.
[2] 西蒙.赫金. 現(xiàn)代無線通信[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.
[3] 莫利斯.無線通信[M].田斌,譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2008.
[4] 吳彥鴻,王聰,徐燦. 無線通信系統(tǒng)中電波傳播路徑損耗模型研究[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2009,28(8)：35-37,41.
[5] 吳浠橋, 胡華. GSM-R無線傳播模型分析和擬合[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2008(10)：50-52,62.
[6] 浦實(shí)，王均宏，李錚.高速鐵路環(huán)境下無線鏈路的一體化建模與分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009，24(1)：43-49.
[7] 趙慶安. 在高速鐵路環(huán)境下電波傳播特性的模型分析[D]. 北京：中國(guó)鐵道科學(xué)研究院，2000：5-40.
[8] 蔣秋華,沈海燕,史天運(yùn),等. 鐵路無線信道模型的建立及應(yīng)用[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2005，5(3)：56-60.
[9] 薛建彬，陳海燕，張琦. CDMA2000 1X的導(dǎo)頻問題和相關(guān)參數(shù)[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005(06)：103-106.
[10] 黃柏寧，戎蒙恬，劉濤. CBTC無線信道規(guī)劃中信道間干擾因子的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2009，45(25)：228-230.