基于LTE技術的高鐵無線通信方案

王梣泂

（重慶市信息通信咨詢設計院有限公司 重慶市 400041）

伴隨著社會的進步和科技的快速發展，城市交通運輸網絡也取得了進一步進展，與此同時，人們對其也提出了更加嚴苛的要求，需要其具有更好的安全性、舒適性和高效性。在軌道交通運行過程中，車地無線通信系統作為紐帶和連接，可將車廂與外界聯系在一起，促進信息的交流和交換，不僅可發揮語音功能，同時也可傳播多媒體廣告信息和乘客出行信息等。將無線通信網絡覆蓋在高鐵中，不僅可以為乘客提供一個較好的出行體驗，同時也能強化公共安全管理，提升地鐵的運營效率。計算機網絡和互聯網技術的發展和普及，衍生了LTE 技術，其為軌道交通提供了無線網絡，目前LTE技術需考慮如何在高速移動的環境背景下，提升網絡覆蓋率和通信質量，增強乘客出行滿意度，本文對此進行了分析和探討，內容如下。

1 LTE技術分析

（1）LTE 技術的傳輸方案。在對無線通信進行規劃時，首先需針對預測路徑，采取科學合理的傳輸方案進行檢查，從而確定某些區域是否具有相對較強的無線傳播性能。結合當前高鐵在運行過程中采用的傳輸方案可知，為確保在移動通信過程中，對于LTE技術的應用可充分發揮其功能，就需強化更新和使用LTE 技術的傳輸方案，并在實際應用過程中，有效監測傳輸方案中的各種數據，確保該數據具有較高的精準度，從而對無線通信網絡的規劃規模、覆蓋范圍、站點布置情況及精準度進行準確把握。

（2）LTE 技術的物理層。針對基本的物理層技術，需進行設計和改造，確保LTE 技術數據包可借助該物理層技術，快速傳輸相關數據。由于物理層技術中的多普勒頓頻移效應，會在一定程度上對無線通信接入的信號及信號質量產生影響，從而導致系統容量或覆蓋效率發生改變，因此需合理有效的應用其中的多普勒頓頻移效應。此外，在高速移動的環境背景下，終端的方位也會隨之發生改變，出現快速移動，而終端位置的頻繁快速移動，則會在很大程度上影響系統性能，基于這種情況，在建設高鐵通信網絡過程中，為了有效解決終端方位的更換問題，需加強對LTE 技術中物理層技術的使用。

2 高鐵覆蓋分析

2.1 無線傳播模型

高速覆蓋的傳播模型基礎為COST231‐Hata 經驗模型，可預測無線電波波長處于150‐2000MHz 范圍無線電波的傳播損耗，針對無線網絡的規劃和設計工作，采取該模型作為其傳播模型工具，可確保其實用性和準確性較高。與該模型相對應的數學表達形式如下：

COST231‐Hata 模型中不同系數的代表含義為：

Lb‐表示路損；

F‐表示中心頻率；

Hb‐表示基站有效高度；

Hm‐表示移動臺有效高度；

D‐表示通信距離；

E‐Cm‐則為校正因子。

在針對不同的無線網絡進行規劃時，可依據不同的無線場景，選用相應的傳播模型。對于不同傳播模型的天線相對高度、收發天線距離及地形地貌因子等因素，可對電波傳播情況產生影響，因此，可將其看作路徑損耗預測公式中的一些變量或者函數。

2.2 多普勒效應

在高鐵覆蓋場景中，多普勒效應對LTE 系統的性能具有相對較大的影響。多普勒效應是指對于接收到的信號，由于接收機和信號源發生了相對運動，從而導致信號的波長發生了相應變化的現象。這種效應在移動通信系統，特別是一些高速場景情況下較為常見，且效應較為明顯。由于多普勒效應的作用，所導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 為終端運動速度；θ 為終端移動方向與信號傳播方向之間的夾角。

基站接收到信號后，發生多普勒效應，其中所允許的最大多普勒頻率偏移正比于用戶終端的運動速度，即終端速度越大，則頻偏也就越大。

2.3 小區移動

高速移動的物體在保持較快速度高速移動時，會導致各個小區之間進行快速切換。列車的最大運行速度為350km/h，即每1s 移動的距離為97m，結合當前高鐵沿線建設的基站情況，針對覆蓋范圍為幾百米的小區，當高速列車通過時也僅僅只需要數秒時間。這樣的高速情境，極易導致高速列車面臨各種各樣的網絡問題，如脫網、小區選擇失敗等。究其原因則主要表現在以下幾方面：

（1）用戶終端移動速度較大時，在一個小區中就具有較短的駐留時間，從而導致用戶終端在小區的駐留時間，比對小區的選擇時間較短；

（2）用戶終端移動速度較快時，對于相同的小區，在對時延進行重新選擇時，需對小區進行設置，確保其具有較長的重疊區域；

（3）用戶終端移動速度較快時，針對切換時延相同的情況下，需在小區之間設置相對較長的切換重疊區。

在對小區切換帶進行設置時，需依據小區切換時間、小區重選及列車運行速度進行。為確保終端在高速移動過程中具有充足的切換時間，需保證相鄰的兩個小區之間具有相對充分的重疊覆蓋區域。

2.4 穿透損耗

高速列車的車廂采用的是密閉式設計方式，對于無線信號，車體具有相對較高的穿透損耗。CRH 列車的型號不同，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24dB，比普通列車高5～10dB 左右，因此在對專網進行設計時，需根據將來可能用到的車體類型的損耗情況，來確定高鐵覆蓋鏈路的預算情況，從而與不同型號列車的覆蓋要求情況相一致。若根據車廂內的用戶通信需求，需為其提供超過‐85dB的的電平值，則需保證列車車廂外具有數值為‐60dB 的覆蓋電平。

3 基于LTE技術的高鐵無線通信覆蓋解決方案

3.1 單小區多RRU級聯技術

結合LTE 對高鐵覆蓋的情況來看，為確保終端在小區間的自由切換，需提升小區的覆蓋范圍，將小區切換次數大大降低。為此，可采取基帶池和RRU（射頻拉遠單元）結合的網絡覆蓋方式，增大小區的覆蓋范圍，選用多個RRU 組網，并在基帶合并技術的作用下，將其在一個小區中進行組合。將同一小區內的RRU 部署在高速鐵路沿線上，使切換頻率大大降低，促進網絡性能的極大提升。

在下行方向，由于基站在發射信號時，是從不同的站點以相同的頻率分集進行發射的，因此每個RRU 具有相同的發射信號。在多個RRU 的覆蓋重疊區域處，手機可以獲得接收增益，從而使下行方向的信號具有較好的接收效果。在上行方向，基站則相當于從多路接收信號，在多個RRU 覆蓋重疊區域處，手機的上行信號可同時被多個RRU 天線接收到，光纖可對接收到的數據進行傳遞，并將其傳遞到基帶池，隨后，基帶處理板可將多路傳遞來的信號按照分集接收的方式接收，從而將上行方向對信號的接收靈敏度大大提升，并提高其對各種干擾的抵抗能力。

高鐵列車車體對信號的屏蔽能力較大，因此需確保覆蓋信號的強度較強，這就表明覆蓋區域的面積不能過大。當多個RRU 存在于同一個邏輯小區中時，可將覆蓋區域部分采取重疊連環連接的方式，形成一個信號強度較高的狹長地帶，這種覆蓋方式對于鐵路沿線的小區較為適合，可將覆蓋信號的強度大大增加。

3.2 車廂內覆蓋

穿透損耗的特點較多，具體可表現在幾下幾個方面：

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

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

（3）不同的車廂位置，列車的穿透損耗也具有很大差別。

（4）對于CRH 動車車廂，其整體穿透損耗平均值為25dB。

電磁波與列車具有相對較大的入射角時，其穿透損耗數值也就較小，當電磁波與列車的入射角較小時，其穿透損耗則就越大，二者之間呈反比例關系。因此在對不同的站點進行規劃設計時，為盡量降低穿透損耗，需確保選擇的基站位置遠離軌道線，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，二者存在一個夾角。此外，為了將車體穿透損耗的影響降到最低，運營商在規劃和建設基站時，需確?；九c鐵路之間的距離相對較近，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

對于高速列車，為了確保其車廂內的無線信號覆蓋情況較為理想，可在高速運行的環境下運用車載直放站系統。在一般情況下，車載直放站的接收功能較為強大，它不僅可以對多普勒偏移效應進行改善和處理，同時還能對老式終端（不具備頻偏處理功能）進行兼顧。此外，車載直放站還具有動態增益控制功能，其在使用過程中，可依據對下行信號進行測量，來對車載直放站的上行和下行增益情況進行自動調整，與此同時，下行增益可在控制上行增益的情況下，來對系統進行調節，避免其由于增益過大，而產生相對較高的上行噪聲，從而對沿線基站系統帶來干擾，嚴重削減其對信號的接收靈敏度。在對上行、下行增益進行調整時，可依據高速列車的移動特點來完成，確保列車內具有相對平穩的無限信號；針對車廂覆蓋系統來講，其用戶主要為車中的乘客，對于高速移動列車的通信系統來講，其在無線信號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行設計時，一般采取增強上行功率的方式。

3.4 高鐵組網方案

針對高鐵采取專網覆蓋方案，也就是將鐵路沿線采用專網進行覆蓋，該方案只對高鐵列車內的用戶通信適用。對于車站和列車停留的區域，適用專網組網時，可允許其與大網進行自由切換，而列車沿線的設計方式為鏈形鄰區設計，該區域的專網組網不可與大網進行切換。高鐵組網方案的使用，可為高鐵用戶提供較好的無線通信體驗，保證其在高速移動的環境情況下，可對路徑進行隨意切換和選擇，從而極大的提升通信質量。除此之外，針對一些高速場景，高鐵組網方案的制定，還可為其提供相應的網絡參數值、路徑切換和重選方法以及無限資源管理算法等，對整個網絡質量的提升具有較好的促進作用。

在對站臺位置進行覆蓋時，還需將公網和專網二者的關系考慮在內，并分析其切換原則，從而確保進入站臺位置后，公網用戶可自由切換為高鐵專網用戶，并在離開站臺位置后，避免乒乓位置發生更新，并防止公網用戶對專網造成干擾。

4 結語

綜上所述，當前我國的高速鐵路呈現出翻天覆地的發展前景，為人們的日常出行帶來了非常大的便利，而LTE 技術憑借其較好的質量、較高的抗干擾能力和較好的可靠性等優勢，取得了較為理想的發展前景。而將LTE 技術應用到軌道交通車地無線通信系統中，也有助于打造出一個更加優質的LTE 高鐵覆蓋網絡。此外，LTE 車地無線通信系統擁有其專屬頻段，對外界干擾的抵抗力較強，且施工簡單、設備維護方便等。為此，在對高鐵進行網絡規劃時，可使用LTE 技術增強其網絡覆蓋率，為乘客提供一個更加暢通的信息傳輸路徑，提升移動運營商的服務質量。