多种天线在FDD-LTE高速铁路场景下覆盖方案的分析与探讨

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多种天线在FDD-L TE 高速铁路场景下覆盖方案的分析与探讨
李晓伟，卢瑞琦
（中国电信股份有限公司襄阳分公司，湖北襄阳441003）
摘要：伴随着高端人群大规模、长时间乘坐高铁频繁流动以及铁路本身信息化建设的需求，高速铁路列车上的通讯需求
日益强烈。

文章针对高铁覆盖场景进行了专题研究，提出了依据不同的站址资源选择合适的天线类型提高覆盖效果的方法，为FDD-LTE 高铁覆盖规划设计提供参考。

关键词：高速铁路；FDD-LTE ；无线；中图分类号：TN402文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2016）12-0217-05
0引言
伴随着高端人群大规模、长时间乘坐高铁频繁流动以及铁路本身信息化建设的需求，高速铁路列车上的通讯需求日益强烈。

高铁运行速度快、穿透损耗大、业务量集中等问题对FDD-LTE 高铁覆盖提出了更高的要求。

本文结合汉十高铁覆盖场景，分析几种常用天线的特性及应用效果，达到提高覆盖效果、减少基站数量、提升投资效益的目的，为FDD-LTE 高铁覆盖规划设计提供参考。

1高铁场景特点
高铁覆盖场景不同于常规的室内和室外移动通信场景，主要有以下几个特征：
（1）列车运行速度快。

目前我国高速铁路最高营运时速为200~350Km/h ，列车高速移动将会导致接收端接收信号发生多普勒频移，并且这种多普勒频移是时变的，频率的变化会降低终端接收机的解调性能。

此外，由于列车高速运动，还使得切换和小区重选频繁。

（2）列车车体穿透损耗大。

我国高铁列车采用全封闭车厢结构，车厢为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗为加厚钢化玻璃，这导致FDD-LTE 无线信号在高铁列车内的穿透损耗较大。

较高的穿透损耗对于实现无线信号连续覆盖形成了巨大的挑战。

（3）线状覆盖及业务突发特性。

由于铁路线一般呈线型分布，因此高铁无线基站建设和一般的场景部署不同，为沿铁路线呈线型分布。

高速铁路用户集中分布在列车车厢内，随着列车同步运行，一般情况下铁路沿线业务量需求接近于零，但在列车经过时业务量剧增，业务突发特性明显，基站业务量呈现波动趋势。

2高铁覆盖影响因素
（1）多普勒频移影响。

列车高速运动带来的多普勒频移会导致接收端接收到的信号频率发生变化，频率变化的大小和快慢与列车的速度相关，所以对于接收机来讲，相当于有个时变的频率对原有的接收信号进行了调制，如果不能排除该时变频率的影响，必然会导致接收机的解调性能下降。

由于移动终端发送上行信号的载波频率是根据基站发射的同步信号确定的。

基站发射主载频为f c 的信号，终端移动引起的最大多普勒频移为f d ，故移动终端锁定的最佳服务小区的中心频率为f c +f d 。

移动终端以此频率为上行基准频率向基站发送上行信号，多普勒频移使得到达基站的上行信号中心频率为f c +2f d 。

通过计算可得在FDD-LTE 频段下不同速度时的最大频偏如表1所列。

表1FDD-LTE
频段最大频偏表
依据实验室仿真测试，在工程上进行链路预算时考虑3dB 多普勒余量即可消除高铁多普勒频移的影响。

（2）列车穿透损耗影响。

高铁列车车厢为金属密闭箱体构造，屏蔽效果较好，信号穿透损耗大。

当信号进入车厢时，不同的信号入射角对应的穿透损耗也不同。

如图1所示，当信号垂直入射时，穿透损耗最小，随着信号逐步斜向射入，穿透损
耗逐步增大。

图1信号入射角示意图
如图2所示，当入射角小于10°以后，随着入射角度的减小，车厢穿透损耗增加的斜率变大，车厢穿透损耗呈快速上升
趋势。

图2入射角与穿透损耗关系图
一般在工程上可参考北京电信规划设计院2GHz 频率测试，下表为1.8G 频段各车型穿透损耗设计速查表。

表2 1.8G 频段各车型穿透损耗速查表
2016
（Sum.No 168）
信息通信
INFORMATION &COMMUNICATIONS
2016年第12期（总第168期）
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3LTE 常见的天线类型
基站建设常用的天线主要分为全向天线和定向天线。

全向天线，即在水平方向图上表现为360°均匀辐射，一般应用于近距离范围覆盖，价格便宜。

定向天线，即在水平方向图上表现为一定角度范围辐射，也就是平常所说的有方向性，一般应用于通信距离远，目标密度大的环境。

目前FDD-LTE 高速铁路覆盖经常使用的天线主要有65°18dBi 双极化电调天线，32°21dBi 高增益窄波瓣天线以及高增益抛物面天线。

三种天线的主要技术指标如表3所示。

表3LTE
常用天线类型参数表
三种天线水平面方向图分别为：
图365°18dBi
双极化电调天线水平面方向图
图432°21dBi
高增益窄波瓣天线水平面方向图图5高增益抛物面天线水平面方向图如上所示，65°天线信号辐射范围最大，但增益较低，可用于近距离范围覆盖；抛物面天线增益很大，但几乎无副瓣，只能用于超远距离线型覆盖；32°窄波瓣天线介于中间，可用于窄范围中距覆盖。

4高铁覆盖方案研究
高铁覆盖通常为线型，有低话务、重覆盖、省投资的特点，地面宏站是最普遍的应用场景，包括城郊、农村、丘陵、山区等直射径占优场景。

以下我们以地面宏站作为典型的高铁场景进行覆盖方案研究。

（1）
站址布局。

图6站点分布示意图
如图6所示，高铁站点的布局应尽量规则化，站点选择应尽量交错分布于铁路两侧，以助于改善切换区域，并利于车厢内两侧用户接收的信号质量相对均匀。

（2）基站距离铁轨距离。

铁路运营部门出于安全性的考虑，在高铁线路两侧设置了约50米的红线区，除了铁路设施外，禁止其他物理建设。

如果基站与高铁铁轨距离过大，由于空间衰耗，覆盖效果会降低。

一般建议基站与铁路轨道垂直距离保持在50至200米以内。

（3）重叠覆盖区设计。

当终端在服务小区的信号衰落到一定程度时，会触发小区重选或切换，所以必须保证终端在顺利进入新小区之前，服务小区的信号不会衰落到阈值以下，否则终端可能切换失败或脱网，严重影响用户体验。

因此需要重叠覆盖区作为缓冲区，保证小区重选或切换顺利完成。

重叠覆盖区可分为迟滞区和切换区。

如图7所示，迟滞区A 为从主邻小区信号强度相等的位置到满足重选电平需求的位置，在工程上迟滞区距离一般设置为40m 。

B 区域为切换
测量及执行所需的距离。

正常情况下切换所需的时间为终端测量上报时间128ms 和切换执行时间100ms。

图7重叠覆盖区设计示意图
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由于列车是双向行驶，故迟滞区和切换区都要加倍，在不
同速度下重叠需求距离如下表所示：
表4
列车时速与重叠需求距离关系表
合理的重叠覆盖区规划是实现业务连续的基础。

重叠覆盖区过小会导致切换失败，过大则会减小基站间距增加投资。

目前我国高铁时速最高达350Km/h ，考虑适当预留，高铁同频重叠覆盖区可按200m 预留。

（4）链路预算和覆盖模型。

高铁环境下，基站与列车之间一般无遮挡，属于直视径传输，因此传播模型可采用自由空间衰耗模型，其路径损耗Lp (dB )
计算的经验模型公式为：
d 是距离(单位:Km )，f c 是信号频率(单位:MHz )。

在工程上由于电信FDD-LTE 频率为1755-1785MHz 和1850-1880MHz ，f c 一般取值为1800MHz 。

由下行链路预算基本公式
PL_DL=Pout_BS-Lf_BS+Ga_BS+Ga_UE-Mf-MI-MD-Lp-BPL PL_DL ：下行链路最大传播损耗，-105dB Pout_BS ：基站业务信道最大发射功率，15.2dBm Lf_BS ：馈线损耗，1dB Ga_BS ：基站天线增益，21dB （32°高增益窄波瓣天线），另外考虑基站MIMO 增益，2dB
Mf ：阴影衰落余量，8.29dB MI ：干扰余量，3dB MD ：多普勒余量，3dB BPL ：穿透损耗，28dB 可得：-105dBm=15.2dBm-1dB+21dB+2dB-8.29dB-3dB -3dB-32.45-20*log (1800)-20*log (d )-28dB
故基站天线和终端天线之间的最大水平距离为：d (Km )=100.1177=1.311Km
如图8所示使用32°高增益天线时基站最大覆盖距离d 即SA 为1311米，AB 段及CD 段为基站扇区主波瓣覆盖区，BC
段为基站覆盖空白区。

图8基站覆盖示意图
当基站距离铁轨垂直距离r 改变时，基站主覆盖区及覆盖空白区均会改变，通过计算可得基站距铁轨距离r 与覆盖距离
以及扇区与铁轨垂直夹角
由表5可以看出，采用32°高增益窄波瓣天线时，基站距离铁轨垂直距离越远，基站主波瓣覆盖区域AB 及CD 就越短，基站覆盖空白区BC 就越长。

同样通过链路预算可以计算出采用65°18dBi 双极化电调天线及高增益抛物面天线时的覆盖情况。

表665°
天线覆盖距离及扇区夹角关系表
由表6可以看出，使用65°天线时，虽然基站覆盖的最远距离不如32°窄波瓣天线，但基站中心两侧的覆盖空白区长度却很短，只有80m 左右。

表7
抛物面天线覆盖距离及扇区夹角关系表
由表7可以看出，使用高增益抛物面天线时，基站覆盖距离约3Km ，远超前两种天线，但基站的覆盖空白区却很大，塔下黑距离较长。

在基站距离铁轨80m 时塔下黑距离就有1Km 之多。

（5）基站天线方案设计。

高铁沿线一般以空旷区域为主，部分城市、农村村落沿线零星分布，在高铁覆盖规划设计时可在满足高铁沿线覆盖的同时兼顾居民聚集区，以提高基站资源利用率，增加投资收益。

当基站与铁路沿线的垂直距离小于100米时，应优先采用32°高增益窄波瓣天线，由天线水平面方向图可知，在保证覆盖距离的同时，基站中心两侧空白区不到300m ，可通过天线的副瓣进行覆盖。

考虑到重叠覆盖区，使用32°高增益窄波瓣天线时基站间距应小于2.4Km 。

当基站与铁路沿线的垂直距离大于200米时，若采用32°高增益窄波瓣天线则基站中心两侧空白区BC 长度近500米。

由于空间衰落，基站距离铁轨较远，此时无法通过天线的副瓣进行覆盖。

在站间距满足的情况下建议采用65°18dBi 的天线进行覆盖。

此时空白区长度约80米，完全可以通过天线的
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副瓣进行覆盖。

由于65°天线覆盖距离有限，使用时基站间距
应小于1.5Km 。

此外，在高铁沿线村落密集区域宜采用65°天线进行覆盖，其范围覆盖特性可在满足高铁沿线覆盖的同时兼顾居民聚集区。

由于基站受地理条件约束较大，在极端情况下如基站间距超过2.4Km ，此时使用65°天线和32°窄波瓣天线就都显得有些力不从心，这时可以采用增益更高的抛物面天线，通过表7可知，其单扇区覆盖距离为3Km 左右。

抛物面天线可以解决超远距离覆盖问题，由抛物面天线水平面方向图可知，其在90°方向增益约为0dBi ，无法通过副瓣进行覆盖，因此会产生很长距离的塔下黑。

（6）塔下黑的补偿措施。

针对采用抛物面天线解决超远基站覆盖而引起的塔下黑问题，可以采用基站扇区分裂的方式解决。

使用5dB 耦合器从一个扇区耦合一路信号通过65°天线专门覆盖塔下黑区域。

主覆盖方向只产生约2dB 的信号衰减，对覆盖距离影响不大。

劈裂天线接收到的RS 发射功率约为10dBm ，通过链路预算可得：
表8
劈裂天线覆盖距离及扇区夹角关系表
通过表8可知单扇区劈裂天线补偿覆盖距离约为500米。

因此在基站距离铁轨80米以内，通过劈裂天线可解决抛物面天线引起的长距离塔下黑问题。

同样在采用32°高增益窄波瓣天线覆盖时，基站中心两侧的覆盖空白区也可以通过劈裂天线方式进行解决。

依据表5及表8可知，在基站距离铁轨300米以内，通过劈裂天线配合副瓣补充覆盖可解决32°窄波瓣天线引起的塔下黑问题。

通过基站扇区分裂补偿覆盖既解决了远距离覆盖问题又避免了塔下黑的弊端，更好地发挥窄波瓣天线高增益的特性，达到提高覆盖、减少投资、提升效益的目的。

综上所述，高铁沿线覆盖需统筹考虑基站距铁轨距离、覆盖目标类型以及站间距等多种因素，依据不同的站址环境灵活调配，实行多种天线混合组网：
32°窄波瓣天线适合基站距离铁轨较近时的远距离线型覆盖，基站站间距应小于2.4Km 。

65°天线适合基站距离铁轨较远或居民聚集区的范围覆盖，基站间距应小于1.5Km 。

抛物面天线适合站间距较远时的超远距覆盖。

对于抛物面天线和32°窄波瓣天线引起的塔下黑问题可以采用基站扇区分裂的方式进行补偿覆盖。

5襄阳高铁覆盖典型案例
汉十铁路襄阳段是武汉至西安国家高速铁路的重要组成部分，全长180Km ，为保证汉十高铁沿线FDD-LTE 覆盖效果，襄阳电信在汉十铁路沿线共建设LTE 基站100余处，目前通过第一阶段的天线及站址优化，RSRP 优良比达90.02%，平均下载速度为25.84Mbps 。

后期将通过进一步深耕，实现汉十高铁沿线的全覆盖。

（1）琚湾车站覆盖方案。

琚湾车站附近居民居住区较为集中，解决高铁沿线覆盖的同时可兼顾覆盖周边居民聚集区。

因此在实际建设时琚湾车站基站采用3个扇区，使用65°天线进行广域覆盖，其覆盖效果如图9
所示。

图9琚湾车站LTE 覆盖图
（2）马寨覆盖方案。

马寨基站距离铁轨64米，距高寨张庄基站1.75Km ，距南城马王庄基站1.96Km ，基站间距属于中等间距。

因此在实际建设时，马寨基站两扇区均采用32°高增益窄波瓣天线进行覆盖，其覆盖效果如图10所示。

由于基站距离铁轨较近，基站中心两侧可通过副瓣进行覆盖。

实际测试马寨附近高铁沿线覆盖效果良好，
无弱覆盖区域。

图10马寨LTE 覆盖图
（3）南城杨湾二组覆盖方案。

南城杨湾二组基站距离铁轨73米，距离南城水寨子基站2.43Km ，基站间距较远。

由于南城舒庙基站距离铁轨112米，超出抛物面天线补充覆盖极值80米，因此在实际建设时南城杨湾二组2扇区采用抛物面天线，南城舒庙基站1扇区使用32°窄波瓣天线进行覆盖。

为避免使用抛物面天线时造成塔下盲区，我们对南城杨湾二组2扇区使用劈裂天线进行补充覆盖，如图11所示，长远距离覆盖及塔下黑问题均得到较好的解
决。

图11南城杨湾二组LTE 覆盖图
6结语
由于高铁覆盖场景复杂多样，且受基站地理条件限制较大，在实际应用中如何依据现有的基站资源提升覆盖效果，合理的选择天线类型及方位角就显得尤为重要。

本文介绍了高速铁路无线覆盖的特点，根据高速铁路覆盖场景对FDD-LTE 系统产生的影响因素进行分析，提出了依据不同的站址资源选择合适的天线类型提高覆盖效果的方法，以及解决和避免塔下黑的技巧等，并通过汉十高铁实际场景进行验证，为FDD-LTE 无线网络高铁覆盖规划设计提供参考。

该覆盖方案同样也适用于高速公路覆盖。

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基于WIFI 的卫星通信终端的应用与实现
李
鑫，范巨升
（中国电子科技集团公司第54研究所，河北石家庄050081）
摘要：WIFI 技术对解决便携站终端接入方式单一性具有很大的吸引力，文章提出了一种应用WIFI 技术的卫星通信终
端实现方案。

该方案中卫星通信终端由WIFI 单元、调制解调单元和IP 接入单元组成，并应用了小型化调制解调、TCP/IP 加速和LDPC 纠错编码等技术，具有业务接入方式灵活、带宽利用率高、通信频率可变、传输速率可变等特点，有效地提高了了地震、水灾等应急情况下卫星通信时的灵活接入问题。

关键词：TCP 改进；调制解调小型化；LDPC ；接入控制中图分类号：TP927+.21文献标识码：A 文章编号：1673-1131（2016）12-0221-02
0引言
卫星通信具有不受地理条件限制、远距离通信成本低、覆盖范围比一般无线通信方式大的特点，可以解决地震、水灾等自然灾难发生后，地面通信遭到严重破坏后的紧急通信保障任务。

便携式卫星通信地面站具有移动灵活，架设快速的特点，非常适应应急通信需求。

但是以往便携站业务接入方式大多采用有线接入方式，接入方式单一，无法满足应急现场灵活、多变的要求。

WIFI 具有信道稳定、带宽较宽的特点，通常被用来为用户提供最后一段距离的无线IP 接入工作。

利用WIFI 技术可以很好解决卫星便携站的接入方式单一问题。

本文提出的基于WIFI 接入方式的便携式卫星通信终端解决方案，内部包含调制解调单元、WIFI 接入单元、IP 处理单元等模块，实现了视频、话音等多类型业务的WIFI 接入，并对IP 数据传输方式进行了适应性改造，提升了卫星信道中的IP 数据传输效率。

1终端设计方案
1.1终端组成原理
基于WIFI 的卫星通信终端利用WIFI 接入单元建立了
WIFI 接入热点，为视频、电话等业务提供WIFI 接入通道，实现了视频、电话等业务WIFI 接入，并利用内部的调制解调器建立与后方的卫星信道。

该终端实现了现场与后方的双向通信，其原理如图1所示：
与后方指挥中心建立的卫星信道实现现场与后方指挥中心之间的双向通信，其实现原理如图1
所示。

图1终端组成框图
1.2终端内部的设计
基于WIFI 的卫星通信终端内部包括调制解调单元、IP 接
入单元、WIFI 单元，其中调制解调单元完成信号的调制解调功能；IP 接入单元完成IP 信号的加速、路由等功能；WIFI 单元完成构成WIFI 热点实现无线终端接入的功能。

（1）调制解调单元。

调制解调单元主要完成数据的调制和解调工作，从功能分为信道纠错、数字调制、数字解调、中频收发组合等模块，在设计上将采用了中频带通采样技术，在保证设计指标的前提下，降低了电路尺寸和功耗。

信道纠错主要实现数据的纠错编码和纠错译码，本终端采用的LDPC 纠错码技术具有纠错能力强，译码延时小、译码器简单的特点。

数字调制技术，将DA 转换的频率提升至800MHz ，并将成型滤波、数字重采样、调制映射、上变频等功能都在FPGA 中通过数字实现，提高了电路可靠性，降低了电路实现的难度。

数字解调主要在FPGA 中实现了数字下变频、定时恢复、载波恢复等功能，完成调制后信号的相干解调功能。

中频收发组合主要用于调制信号的上变频以及下变频处理工作，为保证模块可靠工作还增加了功率控制及AGC 等功能。

（2）IP 接入单元。

由于卫星通信中存在的长延时、高误码率的特点，导致IP 数据传输存在传输效率低的问题。

IP 接入单元实现了IP 数据的汇聚，接口转换以及IP 协议改造等功能，保证IP 数据在卫星通信系统中高效传输。

IP 接入单元采用内部集成ARM 核的FPGA 实现，IP 加速、接口转换等功能，并采用88E6083扩展出8个10/100MLAN 接口，满足多种业务数据的汇接功能。

2关键技术
2.1高集成度调制解调技术
小型化、高集成度始终是硬件电路实现的目标。

为提高
调制解调技术的基成度，本终端设计方案中将DA
输出频率提。