LTE高鐵站址規(guī)劃方法研究

李琦，肖耀高，陳開仁，田艷中

(1 湖南省郵電規(guī)劃設(shè)計院有限公司，長沙 410126；2 中國電信股份有限公司湖南分公司，長沙 410001）

隨著我國高速鐵路的不斷建設(shè)，高鐵、城際快車成為越來越多商務(wù)人士的出行選擇，用戶對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、質(zhì)量提出了更高的要求，打造良好的鐵路覆蓋成為運營商品牌的標(biāo)志。

1 信號預(yù)測模型及參數(shù)分析

針對高鐵覆蓋存在問題，改進(jìn)高鐵沿線站點規(guī)劃選址方法，在Cost231-Hata傳播模型的基礎(chǔ)上建立信號預(yù)測模型，然后列舉站址數(shù)據(jù)對高鐵沿線進(jìn)行信號預(yù)測，得出RSRP預(yù)測值與目標(biāo)RSRP值（-105 dBm）進(jìn)行比較，剔除不滿足要求的站址數(shù)據(jù)參數(shù)，最后得出合理的站間距、站軌距、小區(qū)方位夾角等站址規(guī)劃數(shù)據(jù)值。

本文以高鐵沿線專網(wǎng)覆蓋建設(shè)方案為研究對象，以1.8 GHz站點農(nóng)村（準(zhǔn)開闊地）場景為例，建立如下信號預(yù)測模型：

其中Pt表示天線輸入口功率（dBm），Gt表示天線增益在實際角度下的能量集中能力值（dBi），f表示LTE載波中心頻率（MHz）， hb表示基站天線高度（m），hm表示用戶移動臺天線高度（m），d表示天線到移動臺的距離（km），Lp表示穿透損耗（dB）。預(yù)測模型關(guān)鍵因子取定值分析如下：

（1） Pt分析：首先來計算RRU設(shè)備的RE級別功率，其計算公式如下：Pre=10lg(P/1 200)。

其中P表示RRU設(shè)備單通道功率，Pre表示RE級別功率，1 200為20 MHz帶寬上的子載波數(shù)量。以華為RRU設(shè)備單通道功率為40 W為例，經(jīng)計算Pre=15.2 dBm。Pt為RRU設(shè)備的RE級別功率經(jīng)過跳線損耗之后的功率值，RRU與天線之間的跳線及接頭損耗按2.2 dB考慮，即華為設(shè)備天線輸入口功率Pt值為13 dBm。

（2）Lp分析：Lp表示室外至車體內(nèi)隔斷穿透損耗，以高鐵列車CRH3級別（300 km/h）為例的穿透損耗值與信號入射角的關(guān)系如圖1所示。

圖1 CRH3高鐵列車穿透損耗趨勢圖

可以看出車體穿透損耗跟信號入射角有關(guān)，且信號入射角小于10°時急劇增大，所以模型中根據(jù)信號入射角大于10°的列舉不同，Lp對應(yīng)于5～24 dB設(shè)置。

（3）d分析：d表示天線到用戶移動臺的距離，其車體覆蓋立體示意如圖2所示。

從圖2（左）分析可知：

根據(jù)圖2（右），信號在高鐵軌道上覆蓋距離按3 dB半功率角遠(yuǎn)點時的要求，得出3 dB波瓣信號入射角θ 。如按65°水平波瓣天線計算，則主瓣信號中點入射角為：θ+32.5°。

2 高鐵覆蓋站址規(guī)劃方法

2.1 站點布局分析

現(xiàn)網(wǎng)實驗數(shù)據(jù)顯示，分別坐在車廂兩側(cè)進(jìn)行測試時，平均信號強(qiáng)度相差3～5 dB，為了避免單側(cè)覆蓋所產(chǎn)生的障礙物盲點效應(yīng)，高鐵站址的選擇盡量交錯分布于鐵路軌道兩側(cè)，采用雙側(cè)覆蓋車廂的方法，呈“之”字形理想模型布站。如在光纜布放困難等特殊原因無法實現(xiàn)“之”字形布站的情況，按實際情況選擇站址。另外高鐵軌道沿線存在彎道、橋梁等場景，站點布局會略有不同，彎道場景：站址應(yīng)選在軌道彎曲曲線弧的內(nèi)側(cè)，不但可以保證站點對軌道的覆蓋，同時能起到減小多普勒頻移的作用。橋梁場景：在橋的兩端架設(shè)基站天線進(jìn)行覆蓋的方式。

2.2 站軌距分析

根據(jù)高鐵無線信號覆蓋評估方法，需要預(yù)測該車體內(nèi)RSRP值，通過列舉不同的站軌距、掛高及對應(yīng)的頻率。現(xiàn)將模型公式（1）寫入Excel表中，預(yù)測得到符合要求的RSRP值。

以下分析均取定站點天線掛高30 m，用戶手機(jī)天線高度1.5 m，天線輸入口功率13 dBm，天線增益16 dBi， 1.8 GHz信號頻率取 1867.5 MHz，CRH3列車上用戶速度300 km/h，考慮車內(nèi)信號電平RSRP為-105 dBm為目標(biāo)值。根據(jù)信號模型的分析，得出1.8 GHz站軌距與3dB衰落遠(yuǎn)點信號入射角變量簡化關(guān)系表如圖3（上）所示。

通過預(yù)測出來的結(jié)果可以看出站軌矩S相同時，隨著入射角的增大，車體內(nèi)的RSRP變好。入射角相同時，隨著站軌距S的增大，車體內(nèi)的RSRP變差。為了保證3 dB信號遠(yuǎn)點衰落能有效覆蓋，1.8 GHz站點的站軌距S設(shè)置在500 m以內(nèi)較為合理，最小站軌距S則綜合考慮實際塔高時的距離設(shè)置。

圖2 射燈天線覆蓋立體示意圖

圖3 站間距、站間距和3 dB波瓣信號入射角關(guān)系示意圖

2.3 站間距分析

高鐵在運行中，移動臺成功切換需要滿足要求的重疊覆蓋距離，LTE重疊距離= 2×(電平遲滯對應(yīng)距離+切換觸發(fā)時間對應(yīng)距離+切換執(zhí)行距離)，增加200 m作為冗余距離，算出重疊覆蓋距離約350 m，結(jié)合圖1模型分析，LTE 1.8 GHz規(guī)劃基站在3 dB衰落遠(yuǎn)點信號RSRP滿足極限值-105 dBm下，站間距和信號入射角變量關(guān)系如圖3（下）所示。

通過預(yù)測出來的結(jié)果可以看出，基站站軌距越小，站點間距對應(yīng)越小，LTE 1.8 GHz理想的站間距S一般對應(yīng)小于1 400 m設(shè)置。在應(yīng)用中，根據(jù)如上站間距和站軌距的對應(yīng)關(guān)系合理選擇站址。

2.4 方位夾角分析

計算滿足3 dB衰落信號主瓣信號入射角θ值在42°～90°變化，列舉500 m以內(nèi)不同站軌距S，進(jìn)一步推導(dǎo)出方位夾角V值對應(yīng)如表1所示，以便于勘察時方位角的設(shè)置。

表1 典型站點天線主瓣信號入射角與方位角變量關(guān)系

為了保證3 dB衰落信號覆蓋遠(yuǎn)點和近點的重疊覆蓋距離及對高鐵的利用率，方位夾角V應(yīng)該在38°～52°范圍內(nèi)設(shè)置。同一基站的覆蓋方位角夾角，即相同基站相鄰小區(qū)夾角應(yīng)保證在76°～104°之間。

3 高鐵現(xiàn)網(wǎng)站址案例效果分析

案例1：F_Z_長沙市雨花區(qū)環(huán)?？萍紙@模塊局BBU4(新世紀(jì)小學(xué)_WL)基站，經(jīng)度：113.049 17°，緯度：28.057 11°，掛高為25 m，方位角0°/120°/240°，下傾角5°/5°/5°，站軌距S約為45 m；F_Z_長沙市雨花區(qū)環(huán)保科技園模塊局BBU18(比亞迪路京廣_WL)基站，經(jīng)度：113.047 28°，緯度：28.052 88°，掛高為 35 m，方位角為 0°/90°/190°，下傾角為5°/3°/5°，站軌距為55 m；F_Z_長沙市長沙縣田心橋機(jī)房BBU1(暮云昌塘坪_WL)，經(jīng)度：113.047 493°，緯度：28.046 573°，掛高為38 m，方位角15°/105°/220°，下傾角4°/4°/4°，站軌距S約為50 m。

3個相鄰的高鐵沿線基站，體現(xiàn)了“之”字型理想布局，且相鄰站間距均在650 m左右，站軌距在50 m左右，均處在上節(jié)研究的結(jié)論區(qū)間內(nèi)，觀察RSRP測試效果，可以看出連續(xù)性覆蓋方面效果良好。不足之處是方位角夾角V設(shè)置存在不合理，在規(guī)劃中建議根據(jù)實際，有效結(jié)合站點布局和站點工參來設(shè)置基站工參，保證高鐵信號覆蓋和質(zhì)量雙提升。

案例2：F_Z_長沙市雨花區(qū)邊山小金坡基站，經(jīng)度：113.066 94°，緯度：28.109 44°，掛高為30 m，方位角 0°/120°/240°，下傾角 5°/5°/5°，站軌距 S約為650 m；F_Z_長沙市雨花區(qū)栗塘小區(qū)基站，經(jīng)度：113.062 55°，緯度：28.098 18°，掛高為37 m，方位角為 30°/120°/200°，下傾角為 5°/5°/5°，站軌距為590 m。

相鄰兩站站軌距S均大于500 m，且栗塘小區(qū)基站第一扇區(qū)方位夾角將近100°，第三扇區(qū)方位夾角將近80°，以上參數(shù)均處在上節(jié)研究的結(jié)論區(qū)間以外，觀察RSRP測試效果，該路段信號覆蓋弱，說明合適的站軌距S和方位夾角的設(shè)置對高鐵覆蓋非常重要，在實際規(guī)劃站點布局時應(yīng)該充分考慮。

4 結(jié)論

高鐵軌道呈帶狀延伸，并且列車移動速度快，使得高鐵的LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋與通常的室外網(wǎng)絡(luò)覆蓋有較大的差別。本文主要基于建立高鐵場景信號預(yù)測模型，從站點的規(guī)劃與布局、站軌距、站間距設(shè)置、方位角等方面的設(shè)置，對LTE高鐵站址規(guī)劃進(jìn)行理論方法推算和分析，最后得出適合高鐵LTE站址規(guī)劃的設(shè)置方法。綜合高鐵沿線的測試數(shù)據(jù)和覆蓋效果，以當(dāng)前現(xiàn)網(wǎng)站點作為分析對象，具體找出站點了案例，進(jìn)行布局、站軌距、站間距、方位角設(shè)置等方面論證，進(jìn)一步證實了理論研究結(jié)果與實際相吻合的結(jié)論。研究結(jié)論給高速高鐵規(guī)劃、設(shè)計提供了有力的參考依據(jù)，同時為建設(shè)成本控制提供了計算依據(jù)，實現(xiàn)高鐵規(guī)劃工程中的覆蓋、成本的最佳組合。

[1] 啜鋼，王文博, 等. 移動通信原理與系統(tǒng)[M]. 北京：北京郵電學(xué)院出版社，2015.

[2] 田艷中，胡小球，李兵，等. 射燈天線在LTE網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋中的應(yīng)用模型研究[J]. 電信技術(shù), 2016(12).

[3] 樊學(xué)寶, 何春霞. 高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究[J]. 移動通信,2016,40(1):84-90.

[4] 劉方森, 李壽鵬, 李方村, 等. TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試[J]. 電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化, 2015(1).

[5] 方旭明, 崔亞平, 閆莉, 等. 高速鐵路移動通信系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)的演進(jìn)與發(fā)展[J]. 電子信息學(xué)報, 2015(1).

[6] 張敏，李毅，舒培煉. 高速鐵路列車車廂穿透損耗探析[J].移動通信, 2011,21(2).

[7] 唐艷超. LTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]. 郵電設(shè)計技術(shù),2014(12):26-29.