基于LTE技术的高铁无线通信方案

王梣泂

（重庆市信息通信咨询设计院有限公司 重庆市 400041）

伴随着社会的进步和科技的快速发展，城市交通运输网络也取得了进一步进展，与此同时，人们对其也提出了更加严苛的要求，需要其具有更好的安全性、舒适性和高效性。在轨道交通运行过程中，车地无线通信系统作为纽带和连接，可将车厢与外界联系在一起，促进信息的交流和交换，不仅可发挥语音功能，同时也可传播多媒体广告信息和乘客出行信息等。将无线通信网络覆盖在高铁中，不仅可以为乘客提供一个较好的出行体验，同时也能强化公共安全管理，提升地铁的运营效率。计算机网络和互联网技术的发展和普及，衍生了LTE 技术，其为轨道交通提供了无线网络，目前LTE技术需考虑如何在高速移动的环境背景下，提升网络覆盖率和通信质量，增强乘客出行满意度，本文对此进行了分析和探讨，内容如下。

1 LTE技术分析

（1）LTE 技术的传输方案。在对无线通信进行规划时，首先需针对预测路径，采取科学合理的传输方案进行检查，从而确定某些区域是否具有相对较强的无线传播性能。结合当前高铁在运行过程中采用的传输方案可知，为确保在移动通信过程中，对于LTE技术的应用可充分发挥其功能，就需强化更新和使用LTE 技术的传输方案，并在实际应用过程中，有效监测传输方案中的各种数据，确保该数据具有较高的精准度，从而对无线通信网络的规划规模、覆盖范围、站点布置情况及精准度进行准确把握。

（2）LTE 技术的物理层。针对基本的物理层技术，需进行设计和改造，确保LTE 技术数据包可借助该物理层技术，快速传输相关数据。由于物理层技术中的多普勒顿频移效应，会在一定程度上对无线通信接入的信号及信号质量产生影响，从而导致系统容量或覆盖效率发生改变，因此需合理有效的应用其中的多普勒顿频移效应。此外，在高速移动的环境背景下，终端的方位也会随之发生改变，出现快速移动，而终端位置的频繁快速移动，则会在很大程度上影响系统性能，基于这种情况，在建设高铁通信网络过程中，为了有效解决终端方位的更换问题，需加强对LTE 技术中物理层技术的使用。

2 高铁覆盖分析

2.1 无线传播模型

高速覆盖的传播模型基础为COST231‐Hata 经验模型，可预测无线电波波长处于150‐2000MHz 范围无线电波的传播损耗，针对无线网络的规划和设计工作，采取该模型作为其传播模型工具，可确保其实用性和准确性较高。与该模型相对应的数学表达形式如下：

COST231‐Hata 模型中不同系数的代表含义为：

Lb‐表示路损；

F‐表示中心频率；

Hb‐表示基站有效高度；

Hm‐表示移动台有效高度；

D‐表示通信距离；

E‐Cm‐则为校正因子。

在针对不同的无线网络进行规划时，可依据不同的无线场景，选用相应的传播模型。对于不同传播模型的天线相对高度、收发天线距离及地形地貌因子等因素，可对电波传播情况产生影响，因此，可将其看作路径损耗预测公式中的一些变量或者函数。

2.2 多普勒效应

在高铁覆盖场景中，多普勒效应对LTE 系统的性能具有相对较大的影响。多普勒效应是指对于接收到的信号，由于接收机和信号源发生了相对运动，从而导致信号的波长发生了相应变化的现象。这种效应在移动通信系统，特别是一些高速场景情况下较为常见，且效应较为明显。由于多普勒效应的作用，所导致的附加频移又可被称为多普勒频偏，其表示可用下式：

其中，该式中：f 为载波频率；C 为电磁波的传播速度；v 为终端运动速度；θ 为终端移动方向与信号传播方向之间的夹角。

基站接收到信号后，发生多普勒效应，其中所允许的最大多普勒频率偏移正比于用户终端的运动速度，即终端速度越大，则频偏也就越大。

2.3 小区移动

高速移动的物体在保持较快速度高速移动时，会导致各个小区之间进行快速切换。列车的最大运行速度为350km/h，即每1s 移动的距离为97m，结合当前高铁沿线建设的基站情况，针对覆盖范围为几百米的小区，当高速列车通过时也仅仅只需要数秒时间。这样的高速情境，极易导致高速列车面临各种各样的网络问题，如脱网、小区选择失败等。究其原因则主要表现在以下几方面：

（1）用户终端移动速度较大时，在一个小区中就具有较短的驻留时间，从而导致用户终端在小区的驻留时间，比对小区的选择时间较短；

（2）用户终端移动速度较快时，对于相同的小区，在对时延进行重新选择时，需对小区进行设置，确保其具有较长的重叠区域；

（3）用户终端移动速度较快时，针对切换时延相同的情况下，需在小区之间设置相对较长的切换重叠区。

在对小区切换带进行设置时，需依据小区切换时间、小区重选及列车运行速度进行。为确保终端在高速移动过程中具有充足的切换时间，需保证相邻的两个小区之间具有相对充分的重叠覆盖区域。

2.4 穿透损耗

高速列车的车厢采用的是密闭式设计方式，对于无线信号，车体具有相对较高的穿透损耗。CRH 列车的型号不同，其穿透损耗也具有很大差别。相比于普通的列车，新型的全封闭CRH 列车的穿透损耗较高，可达24dB，比普通列车高5～10dB 左右，因此在对专网进行设计时，需根据将来可能用到的车体类型的损耗情况，来确定高铁覆盖链路的预算情况，从而与不同型号列车的覆盖要求情况相一致。若根据车厢内的用户通信需求，需为其提供超过‐85dB的的电平值，则需保证列车车厢外具有数值为‐60dB 的覆盖电平。

3 基于LTE技术的高铁无线通信覆盖解决方案

3.1 单小区多RRU级联技术

结合LTE 对高铁覆盖的情况来看，为确保终端在小区间的自由切换，需提升小区的覆盖范围，将小区切换次数大大降低。为此，可采取基带池和RRU（射频拉远单元）结合的网络覆盖方式，增大小区的覆盖范围，选用多个RRU 组网，并在基带合并技术的作用下，将其在一个小区中进行组合。将同一小区内的RRU 部署在高速铁路沿线上，使切换频率大大降低，促进网络性能的极大提升。

在下行方向，由于基站在发射信号时，是从不同的站点以相同的频率分集进行发射的，因此每个RRU 具有相同的发射信号。在多个RRU 的覆盖重叠区域处，手机可以获得接收增益，从而使下行方向的信号具有较好的接收效果。在上行方向，基站则相当于从多路接收信号，在多个RRU 覆盖重叠区域处，手机的上行信号可同时被多个RRU 天线接收到，光纤可对接收到的数据进行传递，并将其传递到基带池，随后，基带处理板可将多路传递来的信号按照分集接收的方式接收，从而将上行方向对信号的接收灵敏度大大提升，并提高其对各种干扰的抵抗能力。

高铁列车车体对信号的屏蔽能力较大，因此需确保覆盖信号的强度较强，这就表明覆盖区域的面积不能过大。当多个RRU 存在于同一个逻辑小区中时，可将覆盖区域部分采取重叠连环连接的方式，形成一个信号强度较高的狭长地带，这种覆盖方式对于铁路沿线的小区较为适合，可将覆盖信号的强度大大增加。

3.2 车厢内覆盖

穿透损耗的特点较多，具体可表现在几下几个方面：

（1）掠射角逐渐变小的情况下，列车车厢的穿透损耗会具有逐渐变大的幅度增长趋势。

（2）当掠射角的度数小于10 度的情况下，列车穿透损耗具有相对较快的增加幅度。

（3）不同的车厢位置，列车的穿透损耗也具有很大差别。

（4）对于CRH 动车车厢，其整体穿透损耗平均值为25dB。

电磁波与列车具有相对较大的入射角时，其穿透损耗数值也就较小，当电磁波与列车的入射角较小时，其穿透损耗则就越大，二者之间呈反比例关系。因此在对不同的站点进行规划设计时，为尽量降低穿透损耗，需确保选择的基站位置远离轨道线，且两者具有一定的距离，并保持天线主瓣方向与轨道线位置不平行，二者存在一个夹角。此外，为了将车体穿透损耗的影响降到最低，运营商在规划和建设基站时，需确保基站与铁路之间的距离相对较近，且保持二者的垂直距离处于50m～200m 之间。

3.3 车载直放站方案

对于高速列车，为了确保其车厢内的无线信号覆盖情况较为理想，可在高速运行的环境下运用车载直放站系统。在一般情况下，车载直放站的接收功能较为强大，它不仅可以对多普勒偏移效应进行改善和处理，同时还能对老式终端（不具备频偏处理功能）进行兼顾。此外，车载直放站还具有动态增益控制功能，其在使用过程中，可依据对下行信号进行测量，来对车载直放站的上行和下行增益情况进行自动调整，与此同时，下行增益可在控制上行增益的情况下，来对系统进行调节，避免其由于增益过大，而产生相对较高的上行噪声，从而对沿线基站系统带来干扰，严重削减其对信号的接收灵敏度。在对上行、下行增益进行调整时，可依据高速列车的移动特点来完成，确保列车内具有相对平稳的无限信号；针对车厢覆盖系统来讲，其用户主要为车中的乘客，对于高速移动列车的通信系统来讲，其在无线信号的接收方面主要是上行方向受到限制，因此车载直放站在进行设计时，一般采取增强上行功率的方式。

3.4 高铁组网方案

针对高铁采取专网覆盖方案，也就是将铁路沿线采用专网进行覆盖，该方案只对高铁列车内的用户通信适用。对于车站和列车停留的区域，适用专网组网时，可允许其与大网进行自由切换，而列车沿线的设计方式为链形邻区设计，该区域的专网组网不可与大网进行切换。高铁组网方案的使用，可为高铁用户提供较好的无线通信体验，保证其在高速移动的环境情况下，可对路径进行随意切换和选择，从而极大的提升通信质量。除此之外，针对一些高速场景，高铁组网方案的制定，还可为其提供相应的网络参数值、路径切换和重选方法以及无限资源管理算法等，对整个网络质量的提升具有较好的促进作用。

在对站台位置进行覆盖时，还需将公网和专网二者的关系考虑在内，并分析其切换原则，从而确保进入站台位置后，公网用户可自由切换为高铁专网用户，并在离开站台位置后，避免乒乓位置发生更新，并防止公网用户对专网造成干扰。

4 结语

综上所述，当前我国的高速铁路呈现出翻天覆地的发展前景，为人们的日常出行带来了非常大的便利，而LTE 技术凭借其较好的质量、较高的抗干扰能力和较好的可靠性等优势，取得了较为理想的发展前景。而将LTE 技术应用到轨道交通车地无线通信系统中，也有助于打造出一个更加优质的LTE 高铁覆盖网络。此外，LTE 车地无线通信系统拥有其专属频段，对外界干扰的抵抗力较强，且施工简单、设备维护方便等。为此，在对高铁进行网络规划时，可使用LTE 技术增强其网络覆盖率，为乘客提供一个更加畅通的信息传输路径，提升移动运营商的服务质量。