嵇静婵

（柳州铁道职业技术学院，广西 柳州 545001）

1 影响无线通信稳定的技术问题

当高铁时速超过300 km/h时，就需要考虑无线通信系统的稳定性问题。当下高铁主要面临着多个技术层面的问题。

1.1 无线通信模型

无线通信模型在高铁的通信网络规划中有着重要的作用，可以为实际规划提供参考数据，优化网络布局，提高网络覆盖的精度和实用效果。

1.2 多普勒效应

多普勒效应是指当网络通信信号与接收终端产生相对运动时，会导致终端接收的传播频率发生变化。普遍而言，对高铁通信系统稳定性造成最大影响的便是多普勒效应。行进的高速列车，最大时速可以达到360 km/h，高铁的切换区域大于100 m，持有手机网络终端的用户在高速状态下以平均3 s左右的速率频繁切换，在多普勒效应的影响下，信号发射端和信号接收终端之间会产生频率偏差，影响移动终端的接入成功率和切换成功率，甚至还会造成掉线的情况。

1.3 高铁高速移动所造成的通信终端频繁切换问题

对于高铁而言，速度是其最大的优势，但是从稳定无线通信信号传输的角度来看，当高速列车载满大量手机移动端用户从一个通信基站快速切入另一个通信基站时，瞬间涌入的大量手机注册用户会给基站带来巨大的处理压力，以至于会让移动终端用户的手机网速变慢或者直接掉网。

1.4 高铁制材的特殊性加大了信号穿透的损耗程度

通常高铁的车厢用料采用的是密闭性比较强的合金材料。这类材料对信号有着较强的阻隔效果，而且不同的车型所使用的合金材料又有所不同，这就造成了信号穿透的损耗程度又因材料而异。所以未来高铁无线通信系统的覆盖应该充分考虑到对各个车型的兼容性，以使无线信号能够有效穿透车体，形成信号覆盖。

2 高铁无线信号的覆盖分析

2.1 无线通信模型分析

在此可以引入COST-231Hata模型建立高铁环境下的无线通信模型，该模型适用于半径大于1 000 m的通信系统，应用频率在1 500～2 000 mHz。通过该模型可以有效地测定出特定频率下的无线信号传播损耗程度。其数学应用表现公式如下：

在此公式中，Lb代表了路损，f为中心频率，hb为基站有效高度，hm为移动台有效高度，d为通信距离，Cm为校正因子。通过以上数学公式，可以直观地获得有效参数。

当然此模型只是特定环境所使用的一种常用模型，环境因素不同，无线通信模型也会有所不同。

2.2 多普勒效应分析

对于行进中的高铁而言，影响无线通信系统稳定的最大因素便是多普勒效应。多普勒效应是相对运动中的一种常见效应，其主要影响在于移动的高速列车的信号会随着剧烈的相对运动产生剧烈的变化，这种变化不仅会影响到无线通信信号的传播效果，还会影响到传播频率。高铁的高速度会使得多普勒效应变得更加明显，可用以下公式表现。

表2 数学公式中各系数含义

从上式可知，在规划高铁通信系统时，需要充分考虑多普勒效应。

2.3 高铁高速移动所造成的通信终端频繁切换问题分析

高铁的速度会因为网络接入高达360 km/h，100 m/s的速度在多个通信基站之间快速地切入，如此高频的切入会造成基站的反应速度跟不上、载入压力瞬间增大等问题。以当前通信基站在各个市区间分布的密度来看，高速行驶中的高铁，通过单个覆盖范围只有数百米的基站只需要数秒的时间，在如此高速下，移动通信终端很容易出现掉网、载入速度慢等问题。因此，多个通信基站必须确保足够的重叠覆盖区域，以便高铁能够在高频切换中无缝接入通信系统。

2.4 高铁制材的特殊性加大了信号穿透的损耗程度分析

一般的高速列车采用的材料多为密闭性较好的合金材料，这种材料大多对无线信号有着较强的阻隔作用，而且根据不同车型所选择合金材料的不同对信号穿透的损耗也会有所不同。通常而言，全密闭性的高铁会比普通列车穿透损耗高出6～11 dB，其损耗值最大甚至可以达到25 dB左右。因而，高铁无线通信系统的设计不仅要兼顾对各个车型材料的兼容性，还要充分地考虑信号损耗环境[1]。

3 高铁无线通信系统稳定性方案

3.1 自适应偏频校正算法

从以上分析可以得出，高速行驶中的高铁其行驶速度越大，所产生的多普勒效应就越明显，其频偏也会愈发增大。从通信基站接收移动端用户通信信号的角度来看，只有正确地预估接收机和发射机之间的频率误差，精准校正，且快速跟上并补偿迅速变化的偏频才能保证无线通信信道的稳定性[2]。

自适应偏频校正算法能够深度地监测出频率误差相关信息并进行修正，提升无线通信系统的稳定性。具体的实施方案为根据所接收的上下行偏频进行频率调整，从根本上解决高速移动列车上移动通信终端的信号接收问题。

3.2 基于通信基站的RRU组网方案

就高铁的通信系统覆盖而言，为了能够让高铁在快速行进中在数个通信基站之间实现可靠切换，可以通过增扩通信基站信号覆盖范围，降低切换频率的方式实现。RRU是一种能够在远端将基带光信号转换传送并放大的设备，此RRU级组网方案可以有效地扩大基站网络的覆盖范围[3]。在上下行网络频率中，高铁中的移动通信用户可以在RRU网络覆盖区域中获得接收增益，增强信号，使得列车内的信号更加趋于稳定。

3.3 调整通信基站布局

无线通信信号穿透损耗主要存在以下几个特性：（1）行进中的高铁与信号入射形成的夹角越小，其信号穿透时所造成的消耗程度越高。（2）通信信号传入车厢的位置不同，其损耗也会随之有所不同。（3）通信信号穿透高铁列车车厢的信号损耗程度最大为26 dB左右，通信信号与车体的入射角度越小，其信号损失程度会越大，入射角度越大，其信号损失程度则会变得越小。

因此，基于以上信号穿透损耗的3个特性，可以通过运营商布局基站时提前针对高铁进行布局上的调整来减小信号的穿透损耗。如通信基站的选址尽量保持和高铁轨道的距离，增大列车穿过时与通信信号的夹角，从而降低损耗。

3.4 高铁组网方案

高铁组网方案，有别于依托社区通信基站的入网形式，它主要是面向轨道上通行的高速铁路组建的专网，它独立于普通的基站网络，只适用于高铁内部的网络通信。基于高铁的特性，高铁组网可采用链路式设计，沿着铁路轨道铺设专网基站，沿途为轨道上的高铁提供单独的网络通信服务[4]。这种组网形式的优点在于网络通信稳定，通信质量要远远高于普通的入网形式。不过这种组网形式相较于入网形式，其所要耗费的人力物力要更大，因而除非是特殊情形，一般使用的场景不多。不过，从服务体验上来看，高铁组网能够最大限度地保障无线通信系统的稳定。