高速鐵路站點(diǎn)規(guī)劃和天線選型探究

程昕宇

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京102600）

1 高鐵實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋的技術(shù)難點(diǎn)

1.1 多普勒頻移

在一些情況下，移動(dòng)通信中的終端設(shè)備接收端的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，而這種情況一般被稱為多普勒頻移。當(dāng)用戶的移動(dòng)方向與電磁波的傳播方向一致時(shí)，會(huì)出現(xiàn)最大的多普勒頻移；當(dāng)用戶移動(dòng)的方向與電磁波傳播的方向完全垂直時(shí)，不會(huì)出現(xiàn)多普勒頻移。多普勒頻移會(huì)在一定程度上影響接收機(jī)的接收性能，最明顯的表現(xiàn)是使接收機(jī)的靈敏度與原來(lái)相比會(huì)有比較明顯的下降，從而導(dǎo)致接收端的調(diào)解工作無(wú)法有效進(jìn)行，大幅提升誤碼率。

1.2 頻繁切換引起掉話和脫網(wǎng)

在列車高速移動(dòng)的情況下，網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的衰落速度非?？?，如果衰落到一定程度，用戶的手機(jī)所在的服務(wù)區(qū)會(huì)重新選擇服務(wù)區(qū)，即idle模式或者切換過(guò)程，如果當(dāng)前服務(wù)區(qū)的信號(hào)電平持續(xù)快速衰落直至門限以下，并且沒有切換到新的服務(wù)區(qū)，用戶就會(huì)脫網(wǎng)或者掉話。

2 站點(diǎn)規(guī)劃

從圖1可以明顯地發(fā)現(xiàn)，穿透損耗最高的是龐巴迪列車，高達(dá)24d B。高速列車本身具有較高的信號(hào)屏蔽能力，加上空中損耗的無(wú)線信號(hào)，站與站之間的距離如果太遠(yuǎn)，會(huì)對(duì)高速列車內(nèi)的信號(hào)覆蓋效果產(chǎn)生很大的影響。因此，應(yīng)合理規(guī)劃每2個(gè)站點(diǎn)之間的距離，距離要適當(dāng)，不宜過(guò)大，通常情況下，2個(gè)站點(diǎn)之間的距離不應(yīng)超過(guò)1.5km，但是從經(jīng)濟(jì)角度考慮也不能太過(guò)接近，2個(gè)站點(diǎn)之間的距離不應(yīng)小于1km。

2.1 鏈型覆蓋，交錯(cuò)分布

鏈型覆蓋主要是針對(duì)線性鐵路，在建設(shè)站點(diǎn)的過(guò)程中，應(yīng)盡量在線型鐵路的兩側(cè)進(jìn)行交錯(cuò)分布，這樣布置能夠?qū)η袚Q區(qū)域進(jìn)行完善，使乘坐高速列車的用戶無(wú)論是在車廂的哪一側(cè)都能接收質(zhì)量相對(duì)均勻的信號(hào)。與此同時(shí)，高速鐵路線上形成的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋比較規(guī)則，可以使鄰區(qū)關(guān)系得到有效的簡(jiǎn)化。切換測(cè)量時(shí)間的有效縮能夠快速切換車載終端，從而避免乒乓效應(yīng)[1]。

2.2 站址與鐵路的垂直距離

在選擇站址的過(guò)程中，不能距離高速鐵路過(guò)近，因?yàn)榫嚯x過(guò)近會(huì)導(dǎo)致多普勒頻移過(guò)大以及穿透損耗的入射角太小，因此，挑選站址時(shí)需要注意站址與鐵路的垂直距離，通常情況下，站址與鐵路的垂直距離要在150m以上，并且最遠(yuǎn)不能超過(guò)300m。另外，選擇站址的過(guò)程中，還要對(duì)周圍的地形進(jìn)行充分的了解，盡量避開坑洼以及林地等地區(qū)，這是因?yàn)橐陨?種地形可能會(huì)增加建設(shè)基站的費(fèi)用或者影響網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的傳輸。因此，應(yīng)將站點(diǎn)盡量建在地勢(shì)比較平坦開闊的地方，從而使網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋不會(huì)受地形的影響。

2.3 凹側(cè)選址

在選擇站址的過(guò)程中還應(yīng)注意，位于線路平曲線上的鐵路站點(diǎn)應(yīng)盡量將站址建在凹側(cè)，并且要在鐵路的兩側(cè)交錯(cuò)覆蓋。這也是出于多普勒頻移過(guò)大，同時(shí)，穿透損耗的入射角太小的考慮。

3 天線選型

在選擇天線的過(guò)程中，重點(diǎn)要考慮的是站點(diǎn)與鐵路之間的垂直距離，通常情況下，如果站點(diǎn)和高速鐵路之間的距離小于200m，則應(yīng)選用波瓣寬度為33°，21d Bi高增益雙極化的窄波瓣天線；如果站點(diǎn)和高速鐵路之間的距離超過(guò)200m，可以使用波瓣寬度65°，以天線主瓣來(lái)覆蓋高速鐵路。設(shè)計(jì)天線下傾角和方位角總的原則是，天線的主瓣要指向覆蓋的邊緣。其中，方位角的大概設(shè)計(jì)情況如圖2所示。

圖2 天線方位角設(shè)計(jì)示意圖

圖2 中，d為站點(diǎn)距離鐵路的垂直距離；L為扇區(qū)在高速鐵路上的覆蓋長(zhǎng)度。這樣天線指向與鐵路的夾角即天線的方位角就能夠計(jì)算出來(lái)，計(jì)算公式為：φ=arctan（d/L）。因?yàn)楦咚勹F路的異頻不會(huì)出現(xiàn)導(dǎo)頻污染現(xiàn)象，所以，應(yīng)盡量增加覆蓋的原則設(shè)置站點(diǎn)天線的下傾角，下傾角的具體設(shè)置如圖3所示。

圖3 天線下傾角設(shè)計(jì)示意圖

圖3 中，h為站點(diǎn)天線相對(duì)于鐵路所在地面的掛高；S為扇區(qū)的覆蓋半徑。但是，在實(shí)際設(shè)置過(guò)程中，還應(yīng)充分結(jié)合站點(diǎn)的設(shè)計(jì)情況進(jìn)行，例如，很多站點(diǎn)沿著鐵路的走向建在鐵路旁邊的山坡上。因此，天線掛高應(yīng)為天線相對(duì)于鐵路的高度，不能將其理解為天線相對(duì)于站點(diǎn)所在位置的掛高。由此可以得到計(jì)算天線下傾角的公式：θ=arctan（h/S）+天線垂直波瓣/2，即站點(diǎn)天線實(shí)際的下傾角。如果覆蓋半徑是750m，站點(diǎn)的高度是30m，那么能夠?qū)⒄军c(diǎn)天線的實(shí)際下傾角計(jì)算出來(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算，其下傾角為9.7°，如果站點(diǎn)的高度是20m，且覆蓋半徑仍然是750m，那么計(jì)算得出天線的實(shí)際下傾角為9°。需要特別說(shuō)明的一點(diǎn)是，本文所說(shuō)的天線掛高指的是天線與鐵路平面的相對(duì)高度，因此，對(duì)站點(diǎn)所在地的地形蓋度要進(jìn)行充分的考慮。

4 結(jié)語(yǔ)

近年來(lái)，隨著我國(guó)社會(huì)主義市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，我國(guó)的高速鐵路建設(shè)取得了巨大的成就，目前，我國(guó)的高速鐵路規(guī)模已位于世界第一。相關(guān)研究事實(shí)證明，高速鐵路的運(yùn)行速度在200km以上時(shí)，會(huì)對(duì)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的各項(xiàng)指標(biāo)造成非常嚴(yán)重的干擾，從而對(duì)用戶的體驗(yàn)造成嚴(yán)重的影響。因此，有必要探究網(wǎng)絡(luò)通信站點(diǎn)的選址規(guī)劃以及天線的選型，從而使高速鐵路上的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量能夠得到有效的保證。