高速铁路站点规划和天线选型探究

程昕宇

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京102600）

1 高铁实现网络覆盖的技术难点

1.1 多普勒频移

在一些情况下，移动通信中的终端设备接收端的信号频率会发生变化，而这种情况一般被称为多普勒频移。当用户的移动方向与电磁波的传播方向一致时，会出现最大的多普勒频移；当用户移动的方向与电磁波传播的方向完全垂直时，不会出现多普勒频移。多普勒频移会在一定程度上影响接收机的接收性能，最明显的表现是使接收机的灵敏度与原来相比会有比较明显的下降，从而导致接收端的调解工作无法有效进行，大幅提升误码率。

1.2 频繁切换引起掉话和脱网

在列车高速移动的情况下，网络信号的衰落速度非常快，如果衰落到一定程度，用户的手机所在的服务区会重新选择服务区，即idle模式或者切换过程，如果当前服务区的信号电平持续快速衰落直至门限以下，并且没有切换到新的服务区，用户就会脱网或者掉话。

2 站点规划

从图1可以明显地发现，穿透损耗最高的是庞巴迪列车，高达24d B。高速列车本身具有较高的信号屏蔽能力，加上空中损耗的无线信号，站与站之间的距离如果太远，会对高速列车内的信号覆盖效果产生很大的影响。因此，应合理规划每2个站点之间的距离，距离要适当，不宜过大，通常情况下，2个站点之间的距离不应超过1.5km，但是从经济角度考虑也不能太过接近，2个站点之间的距离不应小于1km。

2.1 链型覆盖，交错分布

链型覆盖主要是针对线性铁路，在建设站点的过程中，应尽量在线型铁路的两侧进行交错分布，这样布置能够对切换区域进行完善，使乘坐高速列车的用户无论是在车厢的哪一侧都能接收质量相对均匀的信号。与此同时，高速铁路线上形成的网络信号覆盖比较规则，可以使邻区关系得到有效的简化。切换测量时间的有效缩能够快速切换车载终端，从而避免乒乓效应[1]。

2.2 站址与铁路的垂直距离

在选择站址的过程中，不能距离高速铁路过近，因为距离过近会导致多普勒频移过大以及穿透损耗的入射角太小，因此，挑选站址时需要注意站址与铁路的垂直距离，通常情况下，站址与铁路的垂直距离要在150m以上，并且最远不能超过300m。另外，选择站址的过程中，还要对周围的地形进行充分的了解，尽量避开坑洼以及林地等地区，这是因为以上3种地形可能会增加建设基站的费用或者影响网络信号的传输。因此，应将站点尽量建在地势比较平坦开阔的地方，从而使网络信号的覆盖不会受地形的影响。

2.3 凹侧选址

在选择站址的过程中还应注意，位于线路平曲线上的铁路站点应尽量将站址建在凹侧，并且要在铁路的两侧交错覆盖。这也是出于多普勒频移过大，同时，穿透损耗的入射角太小的考虑。

3 天线选型

在选择天线的过程中，重点要考虑的是站点与铁路之间的垂直距离，通常情况下，如果站点和高速铁路之间的距离小于200m，则应选用波瓣宽度为33°，21d Bi高增益双极化的窄波瓣天线；如果站点和高速铁路之间的距离超过200m，可以使用波瓣宽度65°，以天线主瓣来覆盖高速铁路。设计天线下倾角和方位角总的原则是，天线的主瓣要指向覆盖的边缘。其中，方位角的大概设计情况如图2所示。

图2 天线方位角设计示意图

图2 中，d为站点距离铁路的垂直距离；L为扇区在高速铁路上的覆盖长度。这样天线指向与铁路的夹角即天线的方位角就能够计算出来，计算公式为：φ=arctan（d/L）。因为高速铁路的异频不会出现导频污染现象，所以，应尽量增加覆盖的原则设置站点天线的下倾角，下倾角的具体设置如图3所示。

图3 天线下倾角设计示意图

图3 中，h为站点天线相对于铁路所在地面的挂高；S为扇区的覆盖半径。但是，在实际设置过程中，还应充分结合站点的设计情况进行，例如，很多站点沿着铁路的走向建在铁路旁边的山坡上。因此，天线挂高应为天线相对于铁路的高度，不能将其理解为天线相对于站点所在位置的挂高。由此可以得到计算天线下倾角的公式：θ=arctan（h/S）+天线垂直波瓣/2，即站点天线实际的下倾角。如果覆盖半径是750m，站点的高度是30m，那么能够将站点天线的实际下倾角计算出来，经过计算，其下倾角为9.7°，如果站点的高度是20m，且覆盖半径仍然是750m，那么计算得出天线的实际下倾角为9°。需要特别说明的一点是，本文所说的天线挂高指的是天线与铁路平面的相对高度，因此，对站点所在地的地形盖度要进行充分的考虑。

4 结语

近年来，随着我国社会主义市场经济的快速发展，我国的高速铁路建设取得了巨大的成就，目前，我国的高速铁路规模已位于世界第一。相关研究事实证明，高速铁路的运行速度在200km以上时，会对网络信号的各项指标造成非常严重的干扰，从而对用户的体验造成严重的影响。因此，有必要探究网络通信站点的选址规划以及天线的选型，从而使高速铁路上的网络覆盖质量能够得到有效的保证。