嵇靜嬋

（柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西 柳州 545001）

1 影響無線通信穩(wěn)定的技術(shù)問題

當(dāng)高鐵時速超過300 km/h時，就需要考慮無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。當(dāng)下高鐵主要面臨著多個技術(shù)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(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中有著重要的作用，可以為實(shí)際規(guī)劃提供參考數(shù)據(jù)，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)布局，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋的精度和實(shí)用效果。

1.2 多普勒效應(yīng)

多普勒效應(yīng)是指當(dāng)網(wǎng)絡(luò)通信信號與接收終端產(chǎn)生相對運(yùn)動時，會導(dǎo)致終端接收的傳播頻率發(fā)生變化。普遍而言，對高鐵通信系統(tǒng)穩(wěn)定性造成最大影響的便是多普勒效應(yīng)。行進(jìn)的高速列車，最大時速可以達(dá)到360 km/h，高鐵的切換區(qū)域大于100 m，持有手機(jī)網(wǎng)絡(luò)終端的用戶在高速狀態(tài)下以平均3 s左右的速率頻繁切換，在多普勒效應(yīng)的影響下，信號發(fā)射端和信號接收終端之間會產(chǎn)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(yōu)勢，但是從穩(wěn)定無線通信信號傳輸?shù)慕嵌葋砜?，?dāng)高速列車載滿大量手機(jī)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(jī)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(jī)網(wǎng)速變慢或者直接掉網(wǎng)。

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(qiáng)的合金材料。這類材料對信號有著較強(qiáng)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(tǒng)的覆蓋應(yīng)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(huán)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(tǒng)，應(yīng)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(shù)學(xué)應(yīng)用表現(xiàn)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(shù)學(xué)公式，可以直觀地獲得有效參數(shù)。

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

2.2 多普勒效應(yīng)分析

對于行進(jìn)中的高鐵而言，影響無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定的最大因素便是多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)是相對運(yùn)動中的一種常見效應(yīng)，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(yùn)動產(chǎn)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(yīng)變得更加明顯，可用以下公式表現(xiàn)。

表2 數(shù)學(xué)公式中各系數(shù)含義

從上式可知，在規(guī)劃高鐵通信系統(tǒng)時，需要充分考慮多普勒效應(yīng)。

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(wǎng)絡(luò)接入高達(dá)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(yīng)速度跟不上、載入壓力瞬間增大等問題。以當(dāng)前通信基站在各個市區(qū)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(shù)百米的基站只需要數(shù)秒的時間，在如此高速下，移動通信終端很容易出現(xiàn)掉網(wǎng)、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(qū)域，以便高鐵能夠在高頻切換中無縫接入通信系統(tǒng)。

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(qiáng)的阻隔作用，而且根據(jù)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(dá)到25 dB左右。因而，高鐵無線通信系統(tǒng)的設(shè)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(huán)境[1]。

3 高鐵無線通信系統(tǒng)穩(wěn)定性方案

3.1 自適應(yīng)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(chǎn)生的多普勒效應(yīng)就越明顯，其頻偏也會愈發(fā)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(yù)估接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差，精準(zhǔn)校正，且快速跟上并補(bǔ)償迅速變化的偏頻才能保證無線通信信道的穩(wěn)定性[2]。

自適應(yīng)偏頻校正算法能夠深度地監(jiān)測出頻率誤差相關(guān)信息并進(jìn)行修正，提升無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定性。具體的實(shí)施方案為根據(jù)所接收的上下行偏頻進(jìn)行頻率調(diào)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(wǎng)方案

就高鐵的通信系統(tǒng)覆蓋而言，為了能夠讓高鐵在快速行進(jìn)中在數(shù)個通信基站之間實(shí)現(xiàn)可靠切換，可以通過增擴(kuò)通信基站信號覆蓋范圍，降低切換頻率的方式實(shí)現(xiàn)。RRU是一種能夠在遠(yuǎn)端將基帶光信號轉(zhuǎn)換傳送并放大的設(shè)備，此RRU級組網(wǎng)方案可以有效地擴(kuò)大基站網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍[3]。在上下行網(wǎng)絡(luò)頻率中，高鐵中的移動通信用戶可以在RRU網(wǎng)絡(luò)覆蓋區(qū)域中獲得接收增益，增強(qiáng)信號，使得列車內(nèi)的信號更加趨于穩(wěn)定。

3.3 調(diào)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(jìn)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(yùn)營商布局基站時提前針對高鐵進(jìn)行布局上的調(diào)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(wǎng)方案

高鐵組網(wǎng)方案，有別于依托社區(qū)通信基站的入網(wǎng)形式，它主要是面向軌道上通行的高速鐵路組建的專網(wǎng)，它獨(dú)立于普通的基站網(wǎng)絡(luò)，只適用于高鐵內(nèi)部的網(wǎng)絡(luò)通信?；诟哞F的特性，高鐵組網(wǎng)可采用鏈路式設(shè)計，沿著鐵路軌道鋪設(shè)專網(wǎng)基站，沿途為軌道上的高鐵提供單獨(dú)的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)[4]。這種組網(wǎng)形式的優(yōu)點(diǎn)在于網(wǎng)絡(luò)通信穩(wěn)定，通信質(zhì)量要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于普通的入網(wǎng)形式。不過這種組網(wǎng)形式相較于入網(wǎng)形式，其所要耗費(fèi)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(wù)體驗上來看，高鐵組網(wǎng)能夠最大限度地保障無線通信系統(tǒng)的穩(wěn)定。