高速火車TD-SCDMA信號穿透性能研究

愛立信(中國)通信有限公司 | 羅賢云 史睿杰 徐斌

自TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)開工建設(shè)以來，各廠家和運營商一起面臨著如何在高速移動區(qū)域（如高速公路、鐵路）內(nèi)進(jìn)行TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和優(yōu)化的問題。

隨著中國鐵路正式實施大面積提速，列車時速將達(dá)到200km/h至350km/h，極大地影響了TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)的性能，優(yōu)化工作顯得十分必要和迫切。因此充分進(jìn)行高速移動方面的研究和方案驗證，從而找到適當(dāng)有效的優(yōu)化方案，成為打造TDSCDMA精品網(wǎng)絡(luò)建的重要前提和必要條件。

CRH1型“和諧號”動車組通常包括兩側(cè)各一個車頭在內(nèi)共的8個車廂。列車為全封閉車廂列車，車身由鋁合金和不銹鋼材料組成，車窗采用特殊材質(zhì)制成，密封性能很好，因此相對于普通列車，列車車廂電波的穿透損耗要高出很多。而車廂的穿透損耗直接會影響車廂內(nèi)的終端的接受信號強度，從而影響到鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。

采用典型的電波傳播模型（如Ericsson9999模型），可以計算出小區(qū)半徑與穿透損耗的關(guān)系，如圖1所示?？梢钥吹?，隨著車廂穿透損耗的增加，小區(qū)覆蓋半徑將會明顯縮小。從中我們可以得到結(jié)論，車廂穿透損耗是影響TD-SCDMA信號在火車車廂內(nèi)覆蓋的重要因素，在進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化時，必須仔細(xì)考慮穿透損耗的取值以及對網(wǎng)絡(luò)性能帶來的影響。

圖1 車廂穿透損耗對小區(qū)覆蓋距離的影響

高速火車車廂的穿透損耗

根據(jù)以往的經(jīng)驗和測試數(shù)據(jù)表明，普通公路上汽車的穿透損耗大致為5~8dB，普通火車列車車廂的穿透損耗大致為10~15dB。本文將給出我們在廣深鐵路上測試得到的CRH1火車車廂穿透損耗數(shù)值。

1.穿透損耗的測試

在廣州到深圳的高速鐵路的一段，緊鄰鐵路邊上有一條公路，這為我們測試創(chuàng)造了良好的條件。首先，我們運用TD-SCDMA Scanner測試動車組內(nèi)的PCCPCH信號強度；然后，又在和鐵路線平行并緊靠鐵路的公路上測量相同小區(qū)的PCCPCH信號強度，運用GPS記錄下測試信號點對應(yīng)的位置，從而記錄下測試的軌跡。通過對比車廂內(nèi)外得到的信號對比，我們便能得到火車的穿透損耗。典型的信號測試對比如圖2所示。

圖2 車廂內(nèi)外的信號強度（RSCP）對比

由圖2可以看出，車廂內(nèi)的信號強度(RSCP-in)明顯低于車廂外的信號強度(RSCP-out)。由于火車運動速度遠(yuǎn)大于測試汽車的速度，火車內(nèi)信號的測量數(shù)據(jù)點數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于車廂外的汽車所得到的測量數(shù)據(jù)點數(shù)。通過對數(shù)據(jù)的插值等數(shù)學(xué)處理，我們可以找到車廂內(nèi)的測試點對應(yīng)的車廂外的數(shù)據(jù)點，從而得到穿透損耗的測量值。

另外，我們還在火車車廂內(nèi)的不同位置，進(jìn)行了測量，以模擬手機在車廂內(nèi)靠近基站和遠(yuǎn)離基站的使用場景，從而反映列車穿透損耗與不同位置的依賴關(guān)系。

根據(jù)基站所處的位置和測試點的位置，我們可以計算得到電波與火車形成的掠射角， 掠射角的定義如圖3所示：

其中，掠射角(Grazing angle)指的是基站信號與列車車體的夾角。

2.測試結(jié)果

經(jīng)過對多組數(shù)據(jù)的平均處理，我們得到了高速火車CRH1車廂的穿透損耗與掠射角的關(guān)系，測試結(jié)果如圖4所示。

圖3 基站與車廂掠射角示意圖

圖4 CRH1動車組列車車廂穿透損耗曲線

通過對于廣深高速公路沿線TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)信號的測試和分析，我們可以得到關(guān)于新型動車組車廂的穿透損耗如下結(jié)論。

（1）隨著掠射角的減小，列車車廂穿透損耗增加幅度增大。從圖4中可以看出，當(dāng)掠射角小于10度時，列車車廂穿透損耗比30度時將額外增加10dB以上，當(dāng)掠射角小于5度時，列車車廂穿透損耗比30度時將額外增加15dB以上。

（2）當(dāng)掠射角在10度以內(nèi)，列車穿透損耗增加幅度明顯加快，所以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計的時候，我們建議實際的掠射角應(yīng)該控制在10度以上。

（3）列車車廂內(nèi)不同位置的穿透損耗相差較大。在掠射角大于10度的情況下，在車廂兩側(cè)(近基站側(cè)和遠(yuǎn)離基站側(cè))得到的車廂穿透損耗差別5dB以上。當(dāng)掠射角較小時，車廂兩側(cè)的穿透損耗略為接近。

（4）根據(jù)測試數(shù)據(jù)，CRH1動車車廂整體穿透損耗平均值在20dB以上。

圖5 普通列車和動車組車內(nèi)接收信號的對比

3.普通列車車廂穿透損耗的測量

我們將普通慢車的測試數(shù)據(jù)和“和諧號”動車組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)掃頻儀信號強度對比，可以計算得到普通列車的車廂穿透損耗和動車組車廂的差別。圖5為普通列車和CRH1車廂內(nèi)信號的對比。

由圖5可見，普通列車車廂內(nèi)信號強度比動車組內(nèi)的信號高約15dB左右。通過多組數(shù)據(jù)的平滑處理，我們也得到動車組穿透損耗與普通列車穿透損耗的差值與掠射角的關(guān)系(如圖6所示)，明確了動車組與普通列車的穿透損耗差隨掠射角的增大而緩慢減小，并再次印證動車組的穿透損耗比普通列車的穿透損耗平均大約15dB。

小結(jié)

通過對廣深鐵路上動車組CRH1車廂以及普通列車穿透損耗的測試，我們得到了穿透損耗的測試結(jié)果。測量揭示了動車組穿透損耗與電波入射列車的角度相關(guān)，隨著射線與火車的掠射角的減小穿透損耗增大而增大的規(guī)律。動車組列車的穿透損耗因其良好的密封特性，比普通列車的穿透損耗大約15dB。

愛立信公司借助GSM和WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化方面的積累的豐富經(jīng)驗，抓住TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計和優(yōu)化中的關(guān)鍵問題，深入分析研究，特別是對于一些具有挑戰(zhàn)性的特殊無線環(huán)境，如高速鐵路的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化，開展了大量卓有成效的研究，并積極利用這些研究結(jié)果指導(dǎo)高速鐵路的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計和優(yōu)化，使高速鐵路TDSCDMA網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了GSM的性能。