自2007年中国铁路启动第六次大面积提速以来，已在国内新增3 500多千米的铁路提速线路。主要干线列车时速达到160 km/h以上，部分路段可达到250～350 km/h。在“十一五”期间，我国将建设新线19 800 km，其中时速在300 km以上高铁就超过5 457 km。相对于高速公路的通常限制速率在120 km/h以内而言，高速铁路因特有的高时速、高穿透损耗等特点，其无线网络覆盖与普通铁路或高速公路的覆盖有所不同，干扰因素更多，更具复杂性[1]。
实现高速列车3G" title="3G" target="_blank">3G网络覆盖及网络优化是个十分复杂的问题。除了设备软件或硬件故障以外，无线环境、参数设置、基站距离等方面都可能造成影响[2]。由于无线信道不像有线信道那样固定且容易预测[3]，通常采用电波传播损耗模型来计算路径传播损耗，通过预测特定点或特定区域的无线信号场强来确定无线网络的覆盖范围与信号强弱[4]。国内相关研究主要侧重于列控信号的无线传输[5-6]。高速铁路列车内大多是商务客户群，对移动语音、宽带数据业务需求量大，因此，保证高速铁路环境下3G网络覆盖已成为高速铁路建设中需要迫切解决的问题。
1 理论分析和测试方法
在高速铁路环境下,无线信道工作的主要特点为：列车以曲线半径不小于7 km的直道行驶为主,处于高速、整体道床、长钢轨、全封闭式运行条件，所经铁路沿线铺有占地较宽的复线路基，基站天线的场强覆盖范围为沿铁路线的带状线形区域；对于视线路径，直射射线在列车天线接收信号中占主要部分[7-8]。根据以上特点，通过理论分析与实际测试的方法，采用便携式频谱仪在车厢内进行在线测量场强,对3G网络覆盖产生影响的主要数据进行定量分析如下。
1.1 车体穿透损耗
从现车测量得到，车厢的穿透损耗会直接影响车厢内终端的接受信号强度，从而影响到铁路沿线小区的覆盖范围。在静止状态下，如图1所示，随着车厢穿透损耗的增加，小区覆盖半径将会明显缩小。参考室内环境下墙壁对无线信号的衰减作用,根据MOTLEY提出的室内传播的模型，其路径损耗公式为：

高速列车因采用密闭的箱体设计，导致更高的车体穿透损耗。以“和谐号”动车组CRH为例，列车为全封闭车厢，车身由铝合金和不锈钢材料组成，车窗采用特殊材质制成。在静止条件下进行穿透损耗测试，车体电导率为21 494×107 S/m，机车的前窗和侧窗均采用相对介电常数为5.5的玻璃材料制成，较于普通列车而言，动车组列车的车厢穿透损耗相对更高。普通列车的车厢穿透损耗平均值比动车组要小10~15 dB。普通列车和动车组车厢的车厢穿透损耗比较如图2所示。

测试数据表明，以CRH1(庞巴迪型列车)的车体垂直穿透损耗为最大，达到24 dB。在高速铁路的3G网络规划设计中，采用该车型为参考模型，以满足全系列高速列车的信号覆盖要求。
在运动状态下，车厢穿透损耗还受到“掠射角”，即基站天线主瓣方向和铁路铁轨之间形成的夹角影响。对“掠射角”的图例说明如图3所示。

测试数据表明，当“掠射角”等于10°时，车厢平均穿透损耗为24 dB 左右；当它等于5°时，车厢平均穿透损耗上升至29 dB；当“掠射角”接近0°时，车厢平均穿透损耗呈现快速上升的状态如图4所示。所以，合理控制“掠射角”，能够更好更省地满足高速铁路的覆盖目标。取“掠射角”的临界值为10°，根据基站的站间距，即可计算得出：基站距铁轨的垂直距离范围，应满足基站距铁轨垂直距离范围在(基站距铁轨最小垂直距离，1/2基站站间距）之间。

1.2 地形地貌损耗
我国地域幅员广阔，地形复杂多样，高速铁路穿越的区域类型多种多样，贯穿了多种地形地貌、特殊场景，有平原、山地、丘陵、高架桥、隧道等。按地貌类型分，可分为类平原区域和类山岭区域；按行政区划分，可分为密集市区、一般市区、郊县、农村；按特殊场景划分，可分为隧道、狭长地形、桥梁、车站。通常情况下，类平原区域包含了所有行政区域，而山区、丘陵等类山岭区域绝大多数包含郊县和农村。类平原区域基本上设立了重要的车站、过江的桥梁和部分“U”型地堑；而类山岭区域多数存在过山的隧道、架空的高架铁路桥梁、狭长的山谷和普通的小车站。依据Hata模型理论，在铁路沿线适用中值路径损耗公式为：

测试数据表明，路径损耗从大到小为密集市区、一般市区、丘陵、郊区、农村(见图5)。根据不同因素划分的覆盖区域，以各自特点不同，分为通过优化后的大网基站覆盖和新建基站、RRU 拉远和直放站覆盖等多种方式灵活运用，满足信号覆盖要求。

1.3 区域覆盖重叠与切换
终端移动速率的提高，会带来更加显著的多普勒效应。多普勒频率偏移量的增大，加剧了无线信道的变化，直接影响基站和终端接收机的性能。随着频偏的增加，用户终端的测量性能也随之下降，当频偏超过某一门限后，切换事件和流程将无法被触发。良好的信号覆盖可以有效降低频率偏移对终端测量性能的影响，但是覆盖重叠区过多也将产生导频污染[9]，或者出现同频、邻频干扰[10],“乒乓效应”严重,造成切换成功率下降。为满足高速铁路环境下的3G网络正常切换、接入和位置登记时延，需要合理设计切换区域和覆盖重叠区域长度。
如图6所示，r1、r2分别是两个基站对应小区的规划覆盖半径，h1、h2分别是两个基站离高速铁路的距离，θ 是最小掠射角，h 是规划的切换区域大小。可以推导得到站间距的估算公式为：

对应不同小区覆盖半径，结合不同速率下的切换区大小需求，可以计算得到站间距的大小。

高速铁路沿线的切换分软切换、硬切换和虚拟软切换，三种切换将会在多种不同时速的环境下发生。根据测试的数据，各种切换距离和小区间重叠覆盖距离如表1所示。

从表1数据可以看出，软切换方式对用户业务影响小，应协调优先考虑设置；若对于长隧道、狭长山谷等较窄的具有很强方向性的地形，则应采用硬切换算法，保证切换快速及时。切换算法应根据实际情况合理选取，并通过后续的网络优化改善切换性能。
2 高速环境下的3G网络规划
　 与常规的3G网络覆盖规划相比，高速铁路覆盖规划具备较强的特殊性，除了考虑信号覆盖能力外，对3G链路预算也是网络覆盖的重要因素，链路预算是一种为不同3G业务提供小区范围评估的有效方法。其预算的结果被称为最大各向同性路径损耗。使用适当的传播模型可以将其转化为基站覆盖的小区范围。
　 在3G网络中，话音业务仍然是最基础的业务。因此，链路预算以9.6 kb/s速率为主,兼顾19.2 kb/s～153.6 kb/s。为满足宽带数据业务需求，链路预算应根据所使用的业务特点进行。对于非对称的以下行为主的数据业务，重点应进行前向业务信道的链路预算；对于对称型数据业务，重点应进行反向链路预算(反向速率等级从4.8 kb/s～1.8 Mb/s不等)。
因高速铁路沿线呈现线覆盖模式，容量规划可引入“线容量”的概念，计算单位距离的语音业务和数据业务的容量需求。计算流程图如图7所示。

依据给定长度的高速铁路（高速铁路为复线铁轨，所以计算的总里程是高速铁路长度的两倍）、发车间隔时间和列车的运行速度，计算出同一时刻在本段高速铁路下运行着的列车，并计算出实际的乘客数量；通过移动用户渗透率、语音业务和数据业务忙时话务量、数据用户比例等相关的经验值，计算出总需求话务量与吞吐量。因在同一条高速铁路线路下，需考虑到不同区域类型有不同的列车运行速度，同时因停靠站附近存在列车加减速现象，考虑不同区域类型的容量因子，使得最终线容量=原始线容量×容量因子。对于BBU+RRU直放站覆盖方式基本在特殊地形，如隧道、“U”型地堑等使用，列车时速在250 km/h以上，此情况下无需考虑容量因子，但必须考虑软切换余量。随着高速铁路的发展、网内用户的增加和业务的不断拓新，还需要考虑长远期的无线容量需求以满足高铁中高端商务旅行客户的高速数据业务需求。
3 结论
　 (1)车厢穿透损耗是影响车厢内3G网络信号覆盖的基础因素。实测数据表明，在静止状态下，车体材质及封闭程度将导致车厢穿透损耗上升；在运动状态下，“掠射角”的减小使车厢穿透损耗呈现上升的状态，其损耗效果是在静止状态上的叠加。
　 (2)车厢内3G网络信号覆盖的路径损耗受高铁沿线的地形地貌、建筑物密集程度及基站距离的综合影响。路径损耗与基站距离成正比,其极大值出现在密集市区。
　 (3)小区间重叠覆盖及业务切换是抵消多普勒效应的主要手段。合理设计重叠区域及切换算法可改善高速运动对用户业务的影响。
(4)对3G网络信号的覆盖能力还应考虑乘客的通信需求。在链路预算中引入“线容量”的概念，计算语音业务和数据业务的无线容量。
参考文献
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