自2007年中國鐵路啟動第六次大面積提速以來，已在國內(nèi)新增3 500多千米的鐵路提速線路。主要干線列車時速達到160 km/h以上，部分路段可達到250～350 km/h。在“十一五”期間，我國將建設新線19 800 km，其中時速在300 km以上高鐵就超過5 457 km。相對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速、高穿透損耗等特點，其無線網(wǎng)絡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，更具復雜性[1]。
    實現(xiàn)高速列車3G" title="3G" target="_blank">3G網(wǎng)絡覆蓋及網(wǎng)絡優(yōu)化是個十分復雜的問題。除了設備軟件或硬件故障以外，無線環(huán)境、參數(shù)設置、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測[3]，通常采用電波傳播損耗模型來計算路徑傳播損耗，通過預測特定點或特定區(qū)域的無線信號場強來確定無線網(wǎng)絡的覆蓋范圍與信號強弱[4]。國內(nèi)相關(guān)研究主要側(cè)重于列控信號的無線傳輸[5-6]。高速鐵路列車內(nèi)大多是商務客戶群，對移動語音、寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務需求量大，因此，保證高速鐵路環(huán)境下3G網(wǎng)絡覆蓋已成為高速鐵路建設中需要迫切解決的問題。
1 理論分析和測試方法
    在高速鐵路環(huán)境下,無線信道工作的主要特點為：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、長鋼軌、全封閉式運行條件，所經(jīng)鐵路沿線鋪有占地較寬的復線路基，基站天線的場強覆蓋范圍為沿鐵路線的帶狀線形區(qū)域；對于視線路徑，直射射線在列車天線接收信號中占主要部分[7-8]。根據(jù)以上特點，通過理論分析與實際測試的方法，采用便攜式頻譜儀在車廂內(nèi)進行在線測量場強,對3G網(wǎng)絡覆蓋產(chǎn)生影響的主要數(shù)據(jù)進行定量分析如下。
1.1 車體穿透損耗
    從現(xiàn)車測量得到，車廂的穿透損耗會直接影響車廂內(nèi)終端的接受信號強度，從而影響到鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。在靜止狀態(tài)下，如圖1所示，隨著車廂穿透損耗的增加，小區(qū)覆蓋半徑將會明顯縮小。參考室內(nèi)環(huán)境下墻壁對無線信號的衰減作用,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計，導致更高的車體穿透損耗。以“和諧號”動車組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。在靜止條件下進行穿透損耗測試，車體電導率為21 494×107 S/m，機車的前窗和側(cè)窗均采用相對介電常數(shù)為5.5的玻璃材料制成，較于普通列車而言，動車組列車的車廂穿透損耗相對更高。普通列車的車廂穿透損耗平均值比動車組要小10~15 dB。普通列車和動車組車廂的車廂穿透損耗比較如圖2所示。

    測試數(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，達到24 dB。在高速鐵路的3G網(wǎng)絡規(guī)劃設計中，采用該車型為參考模型，以滿足全系列高速列車的信號覆蓋要求。
    在運動狀態(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“掠射角”的圖例說明如圖3所示。

    測試數(shù)據(jù)表明，當“掠射角”等于10°時，車廂平均穿透損耗為24 dB 左右；當它等于5°時，車廂平均穿透損耗上升至29 dB；當“掠射角”接近0°時，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。取“掠射角”的臨界值為10°，根據(jù)基站的站間距，即可計算得出：基站距鐵軌的垂直距離范圍，應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
    我國地域幅員廣闊，地形復雜多樣，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；按特殊場景劃分，可分為隧道、狹長地形、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 拉遠和直放站覆蓋等多種方式靈活運用，滿足信號覆蓋要求。

1.3 區(qū)域覆蓋重疊與切換
    終端移動速率的提高，會帶來更加顯著的多普勒效應。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的性能。隨著頻偏的增加，用戶終端的測量性能也隨之下降，當頻偏超過某一門限后，切換事件和流程將無法被觸發(fā)。良好的信號覆蓋可以有效降低頻率偏移對終端測量性能的影響，但是覆蓋重疊區(qū)過多也將產(chǎn)生導頻污染[9]，或者出現(xiàn)同頻、鄰頻干擾[10],“乒乓效應”嚴重,造成切換成功率下降。為滿足高速鐵路環(huán)境下的3G網(wǎng)絡正常切換、接入和位置登記時延，需要合理設計切換區(qū)域和覆蓋重疊區(qū)域長度。
    如圖6所示，r1、r2分別是兩個基站對應小區(qū)的規(guī)劃覆蓋半徑，h1、h2分別是兩個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。可以推導得到站間距的估算公式為：

對應不同小區(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，三種切換將會在多種不同時速的環(huán)境下發(fā)生。根據(jù)測試的數(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，軟切換方式對用戶業(yè)務影響小，應協(xié)調(diào)優(yōu)先考慮設置；若對于長隧道、狹長山谷等較窄的具有很強方向性的地形，則應采用硬切換算法，保證切換快速及時。切換算法應根據(jù)實際情況合理選取，并通過后續(xù)的網(wǎng)絡優(yōu)化改善切換性能。
2 高速環(huán)境下的3G網(wǎng)絡規(guī)劃
　 與常規(guī)的3G網(wǎng)絡覆蓋規(guī)劃相比，高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備較強的特殊性，除了考慮信號覆蓋能力外，對3G鏈路預算也是網(wǎng)絡覆蓋的重要因素，鏈路預算是一種為不同3G業(yè)務提供小區(qū)范圍評估的有效方法。其預算的結(jié)果被稱為最大各向同性路徑損耗。使用適當?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)絡中，話音業(yè)務仍然是最基礎(chǔ)的業(yè)務。因此，鏈路預算以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)務需求，鏈路預算應根據(jù)所使用的業(yè)務特點進行。對于非對稱的以下行為主的數(shù)據(jù)業(yè)務，重點應進行前向業(yè)務信道的鏈路預算；對于對稱型數(shù)據(jù)業(yè)務，重點應進行反向鏈路預算(反向速率等級從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，計算單位距離的語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的容量需求。計算流程圖如圖7所示。

    依據(jù)給定長度的高速鐵路（高速鐵路為復線鐵軌，所以計算的總里程是高速鐵路長度的兩倍）、發(fā)車間隔時間和列車的運行速度，計算出同一時刻在本段高速鐵路下運行著的列車，并計算出實際的乘客數(shù)量；通過移動用戶滲透率、語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務忙時話務量、數(shù)據(jù)用戶比例等相關(guān)的經(jīng)驗值，計算出總需求話務量與吞吐量。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行速度，同時因停靠站附近存在列車加減速現(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)務的不斷拓新，還需要考慮長遠期的無線容量需求以滿足高鐵中高端商務旅行客戶的高速數(shù)據(jù)業(yè)務需求。
3 結(jié)論
　  (1)車廂穿透損耗是影響車廂內(nèi)3G網(wǎng)絡信號覆蓋的基礎(chǔ)因素。實測數(shù)據(jù)表明，在靜止狀態(tài)下，車體材質(zhì)及封閉程度將導致車廂穿透損耗上升；在運動狀態(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狀態(tài)上的疊加。
　 (2)車廂內(nèi)3G網(wǎng)絡信號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)務切換是抵消多普勒效應的主要手段。合理設計重疊區(qū)域及切換算法可改善高速運動對用戶業(yè)務的影響。
    (4)對3G網(wǎng)絡信號的覆蓋能力還應考慮乘客的通信需求。在鏈路預算中引入“線容量”的概念，計算語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務的無線容量。
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