２１７多种天线在FDD-L TE 高速铁路场景下覆盖方案的分析与探讨李晓伟，卢瑞琦（中国电信股份有限公司襄阳分公司，湖北襄阳441003）摘要：伴随着高端人群大规模、长时间乘坐高铁频繁流动以及铁路本身信息化建设的需求，高速铁路列车上的通讯需求日益强烈。

文章针对高铁覆盖场景进行了专题研究，提出了依据不同的站址资源选择合适的天线类型提高覆盖效果的方法，为FDD-LTE 高铁覆盖规划设计提供参考。

关键词：高速铁路；FDD-LTE ；无线；中图分类号：TN402文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2016）12-0217-050引言伴随着高端人群大规模、长时间乘坐高铁频繁流动以及铁路本身信息化建设的需求，高速铁路列车上的通讯需求日益强烈。

高铁运行速度快、穿透损耗大、业务量集中等问题对FDD-LTE 高铁覆盖提出了更高的要求。

本文结合汉十高铁覆盖场景，分析几种常用天线的特性及应用效果，达到提高覆盖效果、减少基站数量、提升投资效益的目的，为FDD-LTE 高铁覆盖规划设计提供参考。

1高铁场景特点高铁覆盖场景不同于常规的室内和室外移动通信场景，主要有以下几个特征：（1）列车运行速度快。

目前我国高速铁路最高营运时速为200~350Km/h ，列车高速移动将会导致接收端接收信号发生多普勒频移，并且这种多普勒频移是时变的，频率的变化会降低终端接收机的解调性能。

此外，由于列车高速运动，还使得切换和小区重选频繁。

（2）列车车体穿透损耗大。

我国高铁列车采用全封闭车厢结构，车厢为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗为加厚钢化玻璃，这导致FDD-LTE 无线信号在高铁列车内的穿透损耗较大。

较高的穿透损耗对于实现无线信号连续覆盖形成了巨大的挑战。

（3）线状覆盖及业务突发特性。

由于铁路线一般呈线型分布，因此高铁无线基站建设和一般的场景部署不同，为沿铁路线呈线型分布。

高速铁路用户集中分布在列车车厢内，随着列车同步运行，一般情况下铁路沿线业务量需求接近于零，但在列车经过时业务量剧增，业务突发特性明显，基站业务量呈现波动趋势。

2高铁覆盖影响因素（1）多普勒频移影响。

列车高速运动带来的多普勒频移会导致接收端接收到的信号频率发生变化，频率变化的大小和快慢与列车的速度相关，所以对于接收机来讲，相当于有个时变的频率对原有的接收信号进行了调制，如果不能排除该时变频率的影响，必然会导致接收机的解调性能下降。

由于移动终端发送上行信号的载波频率是根据基站发射的同步信号确定的。

基站发射主载频为f c 的信号，终端移动引起的最大多普勒频移为f d ，故移动终端锁定的最佳服务小区的中心频率为f c +f d 。

移动终端以此频率为上行基准频率向基站发送上行信号，多普勒频移使得到达基站的上行信号中心频率为f c +2f d 。

通过计算可得在FDD-LTE 频段下不同速度时的最大频偏如表1所列。

表1FDD-LTE频段最大频偏表依据实验室仿真测试，在工程上进行链路预算时考虑3dB 多普勒余量即可消除高铁多普勒频移的影响。

（2）列车穿透损耗影响。

高铁列车车厢为金属密闭箱体构造，屏蔽效果较好，信号穿透损耗大。

当信号进入车厢时，不同的信号入射角对应的穿透损耗也不同。

如图1所示，当信号垂直入射时，穿透损耗最小，随着信号逐步斜向射入，穿透损耗逐步增大。

图1信号入射角示意图如图2所示，当入射角小于10°以后，随着入射角度的减小，车厢穿透损耗增加的斜率变大，车厢穿透损耗呈快速上升趋势。

图2入射角与穿透损耗关系图一般在工程上可参考北京电信规划设计院2GHz 频率测试，下表为1.8G 频段各车型穿透损耗设计速查表。

表2 1.8G 频段各车型穿透损耗速查表2016（Sum.No 168）信息通信INFORMATION &COMMUNICATIONS2016年第12期（总第168期）２１８3LTE 常见的天线类型基站建设常用的天线主要分为全向天线和定向天线。

全向天线，即在水平方向图上表现为360°均匀辐射，一般应用于近距离范围覆盖，价格便宜。

定向天线，即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，一般应用于通信距离远，目标密度大的环境。

目前FDD-LTE 高速铁路覆盖经常使用的天线主要有65°18dBi 双极化电调天线，32°21dBi 高增益窄波瓣天线以及高增益抛物面天线。

三种天线的主要技术指标如表3所示。

表3LTE常用天线类型参数表三种天线水平面方向图分别为：图365°18dBi双极化电调天线水平面方向图图432°21dBi高增益窄波瓣天线水平面方向图图5高增益抛物面天线水平面方向图如上所示，65°天线信号辐射范围最大，但增益较低，可用于近距离范围覆盖；抛物面天线增益很大，但几乎无副瓣，只能用于超远距离线型覆盖；32°窄波瓣天线介于中间，可用于窄范围中距覆盖。

4高铁覆盖方案研究高铁覆盖通常为线型，有低话务、重覆盖、省投资的特点，地面宏站是最普遍的应用场景，包括城郊、农村、丘陵、山区等直射径占优场景。

以下我们以地面宏站作为典型的高铁场景进行覆盖方案研究。

（1）站址布局。

图6站点分布示意图如图6所示，高铁站点的布局应尽量规则化，站点选择应尽量交错分布于铁路两侧，以助于改善切换区域，并利于车厢内两侧用户接收的信号质量相对均匀。

（2）基站距离铁轨距离。

铁路运营部门出于安全性的考虑，在高铁线路两侧设置了约50米的红线区，除了铁路设施外，禁止其他物理建设。

如果基站与高铁铁轨距离过大，由于空间衰耗，覆盖效果会降低。

一般建议基站与铁路轨道垂直距离保持在50至200米以内。

（3）重叠覆盖区设计。

当终端在服务小区的信号衰落到一定程度时，会触发小区重选或切换，所以必须保证终端在顺利进入新小区之前，服务小区的信号不会衰落到阈值以下，否则终端可能切换失败或脱网，严重影响用户体验。

因此需要重叠覆盖区作为缓冲区，保证小区重选或切换顺利完成。

重叠覆盖区可分为迟滞区和切换区。

如图7所示，迟滞区A 为从主邻小区信号强度相等的位置到满足重选电平需求的位置，在工程上迟滞区距离一般设置为40m 。

B 区域为切换测量及执行所需的距离。

正常情况下切换所需的时间为终端测量上报时间128ms 和切换执行时间100ms。

图7重叠覆盖区设计示意图２１９由于列车是双向行驶，故迟滞区和切换区都要加倍，在不同速度下重叠需求距离如下表所示：表4列车时速与重叠需求距离关系表合理的重叠覆盖区规划是实现业务连续的基础。

重叠覆盖区过小会导致切换失败，过大则会减小基站间距增加投资。

目前我国高铁时速最高达350Km/h ，考虑适当预留，高铁同频重叠覆盖区可按200m 预留。

（4）链路预算和覆盖模型。

高铁环境下，基站与列车之间一般无遮挡，属于直视径传输，因此传播模型可采用自由空间衰耗模型，其路径损耗Lp (dB )计算的经验模型公式为：d 是距离(单位:Km )，f c 是信号频率(单位:MHz )。

在工程上由于电信FDD-LTE 频率为1755-1785MHz 和1850-1880MHz ，f c 一般取值为1800MHz 。

由下行链路预算基本公式PL_DL=Pout_BS-Lf_BS+Ga_BS+Ga_UE-Mf-MI-MD-Lp-BPL PL_DL ：下行链路最大传播损耗，-105dB Pout_BS ：基站业务信道最大发射功率，15.2dBm Lf_BS ：馈线损耗，1dB Ga_BS ：基站天线增益，21dB （32°高增益窄波瓣天线），另外考虑基站MIMO 增益，2dBMf ：阴影衰落余量，8.29dB MI ：干扰余量，3dB MD ：多普勒余量，3dB BPL ：穿透损耗，28dB 可得：-105dBm=15.2dBm-1dB+21dB+2dB-8.29dB-3dB -3dB-32.45-20*log (1800)-20*log (d )-28dB故基站天线和终端天线之间的最大水平距离为：d (Km )=100.1177=1.311Km如图8所示使用32°高增益天线时基站最大覆盖距离d 即SA 为1311米，AB 段及CD 段为基站扇区主波瓣覆盖区，BC段为基站覆盖空白区。

图8基站覆盖示意图当基站距离铁轨垂直距离r 改变时，基站主覆盖区及覆盖空白区均会改变，通过计算可得基站距铁轨距离r 与覆盖距离以及扇区与铁轨垂直夹角由表5可以看出，采用32°高增益窄波瓣天线时，基站距离铁轨垂直距离越远，基站主波瓣覆盖区域AB 及CD 就越短，基站覆盖空白区BC 就越长。

同样通过链路预算可以计算出采用65°18dBi 双极化电调天线及高增益抛物面天线时的覆盖情况。

表665°天线覆盖距离及扇区夹角关系表由表6可以看出，使用65°天线时，虽然基站覆盖的最远距离不如32°窄波瓣天线，但基站中心两侧的覆盖空白区长度却很短，只有80m 左右。

表7抛物面天线覆盖距离及扇区夹角关系表由表7可以看出，使用高增益抛物面天线时，基站覆盖距离约3Km ，远超前两种天线，但基站的覆盖空白区却很大，塔下黑距离较长。

在基站距离铁轨80m 时塔下黑距离就有1Km 之多。

（5）基站天线方案设计。

高铁沿线一般以空旷区域为主，部分城市、农村村落沿线零星分布，在高铁覆盖规划设计时可在满足高铁沿线覆盖的同时兼顾居民聚集区，以提高基站资源利用率，增加投资收益。

当基站与铁路沿线的垂直距离小于100米时，应优先采用32°高增益窄波瓣天线，由天线水平面方向图可知，在保证覆盖距离的同时，基站中心两侧空白区不到300m ，可通过天线的副瓣进行覆盖。

考虑到重叠覆盖区，使用32°高增益窄波瓣天线时基站间距应小于2.4Km 。

当基站与铁路沿线的垂直距离大于200米时，若采用32°高增益窄波瓣天线则基站中心两侧空白区BC 长度近500米。

由于空间衰落，基站距离铁轨较远，此时无法通过天线的副瓣进行覆盖。

在站间距满足的情况下建议采用65°18dBi 的天线进行覆盖。

此时空白区长度约80米，完全可以通过天线的２２０副瓣进行覆盖。

由于65°天线覆盖距离有限，使用时基站间距应小于1.5Km 。

此外，在高铁沿线村落密集区域宜采用65°天线进行覆盖，其范围覆盖特性可在满足高铁沿线覆盖的同时兼顾居民聚集区。

由于基站受地理条件约束较大，在极端情况下如基站间距超过2.4Km ，此时使用65°天线和32°窄波瓣天线就都显得有些力不从心，这时可以采用增益更高的抛物面天线，通过表7可知，其单扇区覆盖距离为3Km 左右。

抛物面天线可以解决超远距离覆盖问题，由抛物面天线水平面方向图可知，其在90°方向增益约为0dBi ，无法通过副瓣进行覆盖，因此会产生很长距离的塔下黑。