高鐵無線通信系統穩定性研究

嵇靜嬋

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州 545001）

1 影響無線通信穩定的技術問題

當高鐵時速超過300 km/h時，就需要考慮無線通信系統的穩定性問題。當下高鐵主要面臨著多個技術層面的問題。

1.1 無線通信模型

無線通信模型在高鐵的通信網絡規劃中有著重要的作用，可以為實際規劃提供參考數據，優化網絡布局，提高網絡覆蓋的精度和實用效果。

1.2 多普勒效應

多普勒效應是指當網絡通信信號與接收終端產生相對運動時，會導致終端接收的傳播頻率發生變化。普遍而言，對高鐵通信系統穩定性造成最大影響的便是多普勒效應。行進的高速列車，最大時速可以達到360 km/h，高鐵的切換區域大于100 m，持有手機網絡終端的用戶在高速狀態下以平均3 s左右的速率頻繁切換，在多普勒效應的影響下，信號發射端和信號接收終端之間會產生頻率偏差，影響移動終端的接入成功率和切換成功率，甚至還會造成掉線的情況。

1.3 高鐵高速移動所造成的通信終端頻繁切換問題

對于高鐵而言，速度是其最大的優勢，但是從穩定無線通信信號傳輸的角度來看，當高速列車載滿大量手機移動端用戶從一個通信基站快速切入另一個通信基站時，瞬間涌入的大量手機注冊用戶會給基站帶來巨大的處理壓力，以至于會讓移動終端用戶的手機網速變慢或者直接掉網。

1.4 高鐵制材的特殊性加大了信號穿透的損耗程度

通常高鐵的車廂用料采用的是密閉性比較強的合金材料。這類材料對信號有著較強的阻隔效果，而且不同的車型所使用的合金材料又有所不同，這就造成了信號穿透的損耗程度又因材料而異。所以未來高鐵無線通信系統的覆蓋應該充分考慮到對各個車型的兼容性，以使無線信號能夠有效穿透車體，形成信號覆蓋。

2 高鐵無線信號的覆蓋分析

2.1 無線通信模型分析

在此可以引入COST-231Hata模型建立高鐵環境下的無線通信模型，該模型適用于半徑大于1 000 m的通信系統，應用頻率在1 500～2 000 mHz。通過該模型可以有效地測定出特定頻率下的無線信號傳播損耗程度。其數學應用表現公式如下：

在此公式中，Lb代表了路損，f為中心頻率，hb為基站有效高度，hm為移動臺有效高度，d為通信距離，Cm為校正因子。通過以上數學公式，可以直觀地獲得有效參數。

當然此模型只是特定環境所使用的一種常用模型，環境因素不同，無線通信模型也會有所不同。

2.2 多普勒效應分析

對于行進中的高鐵而言，影響無線通信系統穩定的最大因素便是多普勒效應。多普勒效應是相對運動中的一種常見效應，其主要影響在于移動的高速列車的信號會隨著劇烈的相對運動產生劇烈的變化，這種變化不僅會影響到無線通信信號的傳播效果，還會影響到傳播頻率。高鐵的高速度會使得多普勒效應變得更加明顯，可用以下公式表現。

表2 數學公式中各系數含義

從上式可知，在規劃高鐵通信系統時，需要充分考慮多普勒效應。

2.3 高鐵高速移動所造成的通信終端頻繁切換問題分析

高鐵的速度會因為網絡接入高達360 km/h，100 m/s的速度在多個通信基站之間快速地切入，如此高頻的切入會造成基站的反應速度跟不上、載入壓力瞬間增大等問題。以當前通信基站在各個市區間分布的密度來看，高速行駛中的高鐵，通過單個覆蓋范圍只有數百米的基站只需要數秒的時間，在如此高速下，移動通信終端很容易出現掉網、載入速度慢等問題。因此，多個通信基站必須確保足夠的重疊覆蓋區域，以便高鐵能夠在高頻切換中無縫接入通信系統。

2.4 高鐵制材的特殊性加大了信號穿透的損耗程度分析

一般的高速列車采用的材料多為密閉性較好的合金材料，這種材料大多對無線信號有著較強的阻隔作用，而且根據不同車型所選擇合金材料的不同對信號穿透的損耗也會有所不同。通常而言，全密閉性的高鐵會比普通列車穿透損耗高出6～11 dB，其損耗值最大甚至可以達到25 dB左右。因而，高鐵無線通信系統的設計不僅要兼顧對各個車型材料的兼容性，還要充分地考慮信號損耗環境[1]。

3 高鐵無線通信系統穩定性方案

3.1 自適應偏頻校正算法

從以上分析可以得出，高速行駛中的高鐵其行駛速度越大，所產生的多普勒效應就越明顯，其頻偏也會愈發增大。從通信基站接收移動端用戶通信信號的角度來看，只有正確地預估接收機和發射機之間的頻率誤差，精準校正，且快速跟上并補償迅速變化的偏頻才能保證無線通信信道的穩定性[2]。

自適應偏頻校正算法能夠深度地監測出頻率誤差相關信息并進行修正，提升無線通信系統的穩定性。具體的實施方案為根據所接收的上下行偏頻進行頻率調整，從根本上解決高速移動列車上移動通信終端的信號接收問題。

3.2 基于通信基站的RRU組網方案

就高鐵的通信系統覆蓋而言，為了能夠讓高鐵在快速行進中在數個通信基站之間實現可靠切換，可以通過增擴通信基站信號覆蓋范圍，降低切換頻率的方式實現。RRU是一種能夠在遠端將基帶光信號轉換傳送并放大的設備，此RRU級組網方案可以有效地擴大基站網絡的覆蓋范圍[3]。在上下行網絡頻率中，高鐵中的移動通信用戶可以在RRU網絡覆蓋區域中獲得接收增益，增強信號，使得列車內的信號更加趨于穩定。

3.3 調整通信基站布局

無線通信信號穿透損耗主要存在以下幾個特性：（1）行進中的高鐵與信號入射形成的夾角越小，其信號穿透時所造成的消耗程度越高。（2）通信信號傳入車廂的位置不同，其損耗也會隨之有所不同。（3）通信信號穿透高鐵列車車廂的信號損耗程度最大為26 dB左右，通信信號與車體的入射角度越小，其信號損失程度會越大，入射角度越大，其信號損失程度則會變得越小。

因此，基于以上信號穿透損耗的3個特性，可以通過運營商布局基站時提前針對高鐵進行布局上的調整來減小信號的穿透損耗。如通信基站的選址盡量保持和高鐵軌道的距離，增大列車穿過時與通信信號的夾角，從而降低損耗。

3.4 高鐵組網方案

高鐵組網方案，有別于依托社區通信基站的入網形式，它主要是面向軌道上通行的高速鐵路組建的專網，它獨立于普通的基站網絡，只適用于高鐵內部的網絡通信。基于高鐵的特性，高鐵組網可采用鏈路式設計，沿著鐵路軌道鋪設專網基站，沿途為軌道上的高鐵提供單獨的網絡通信服務[4]。這種組網形式的優點在于網絡通信穩定，通信質量要遠遠高于普通的入網形式。不過這種組網形式相較于入網形式，其所要耗費的人力物力要更大，因而除非是特殊情形，一般使用的場景不多。不過，從服務體驗上來看，高鐵組網能夠最大限度地保障無線通信系統的穩定。