高铁4G网络远距离覆盖技术研究

◆李太平

高铁4G网络远距离覆盖技术研究

◆李太平

（山西省邮电建设工程有限公司 山西 030012）

在高铁环境当中，介于高铁运行安全要求，其周边不能建设4G信号站，因此在4G应用早期，如何实现高铁网络覆盖一直是难以解决的问题，针对这一问题现代已经有了有效的解决方法，即高铁4G网络远距离覆盖技术，本文对该项技术进行了研究，阐述了其技术要求、应用方案以及优化方法，供相关读者参考。

高铁；4G远距离覆盖技术；信息化时代

4G移动网络的覆盖依赖于信号基站，通过信号辐射原理实现覆盖，在多数情况下，信号基站可以进行建设，但在高铁基础上，考虑到高铁运行安全要求，信号基站不能建设在其附近，因此只能通过远距离覆盖的方案来实现通网，且高铁作为快速移动物体，通过常规方法进行覆盖，会出现多普勒频移等问题，使网络信号质量不佳，同时车厢外壳以及隧道等情况，会阻碍信号穿透，这些问题都是以往4G网络远距离覆盖高铁的技术难点。而本文研究课题正是一种可以解决所存在的技术难点，并实现高质量高铁4G网络远距离覆盖的技术。

1 技术要求

1.1 配置要求

结合现代高铁网络要求，4G网络覆盖可以分为两类，即公网、专网，其中公网可以采用常规的宏蜂窝组网模式实现覆盖，配置较为普及，本文就不多加赘述，而专网具有多项技术要求，因此将着重对专网的配置要求进行分析[1]。

1.2 组网要求

同样以公网、专网为例，对两者组网要求进行分析，统一要求指标包括：组网覆盖区域、业务量要求、网络性能要求、工程成本要求。具体内容见下文。

（1）公网组网要求

公网基础上：组网覆盖区域应当覆盖高铁与周边区域，两个覆盖区域统一宏观调控；业务量要求应当得到重视，因公网接入用户较多，代表其数据传输量较大，所以组网业务量要求为较大数据容量；网络性能要求应当兼顾高铁用户以及周边用户；工程成本要求较低，因其结构简单，所以建设难度较小。

（2）专网组网要求

专网基础上：组网覆盖区域只包括高铁沿线区域；业务量要求因为覆盖区域较小，代表用户量少，所以数据容量要求较小；网络性能要求因为只需要给高铁用户提供网络服务，所以性能要求较高，要实现高质量数据传输；工程成本要求较高，因为配置要求较高、所以减速难度较大。

2 应用方案分析与设计

2.1 方案基础选择

采用对比法进行方案基础选择，即将公网、专网的技术要求进行比较，更具优势者将作为本文方案设计的基础。通过比较可见，专网较于公网在技术质量、性能水平上更具优势，但存在工程成本较高的问题，而公网的技术质量、性能水平并不满足高铁环境对4G网络的要求，因此即使其成本再低也不能作为方案设计基础，在这一基础上，本文将以专业视角进行方案设计。

2.2 常见方案分析

在常规技术条件下，可以实现远距离覆盖，且保证信号质量的技术方案有三，即天馈调整和天馈工程改造、参数优化、新增站址，各方案具体内容见下文。

（1）天馈调整和天馈工程改造

面对高铁4G网络远距离覆盖要求，常规技术主要存在覆盖质量较差的问题，因此在本文思路下，要实现高质量覆盖，首要目标就是解决此项问题，解决方法上通过天馈调整、天馈工程改造措施，对原有技术进行调整可以实现目的。天馈调整、和天馈工程改造两项措施即为对信号天线的角度、位置进行调整，即首先对天线的下倾角、方位角进行调整，使得天线主瓣方向与覆盖较差的区域保持直线关系，此时信号传输强度最强，理论上可以对覆盖质量差的问题进行优化，如果情况不严重此举可以直接解决问题，但如果该项措施无法解决问题，可以对RS的发射功率进行调整，增强信号发射强度，同时对天线的安装位置进行规划。该方案在实际工作中已有应用，解决了大部分覆盖质量较差的问题，但小部分问题因为环境等因素的影响依旧无法解决，说明该方法的应用需要结合实际情况慎重选择[2]。

（2）参数优化

参数优化是一种在上述方案基础上，进一步对信号发射强度进行优化，以解决覆盖质量较差问题的措施。该措施因为信号发生强度的相关参数较多，所以有多种应用形式，具体内容见表1。

表1 参数优化常见方案优劣势比较

（3）新增站址

新增站址措施同样需要建立在天馈调整和天馈工程改造基础上，即在天馈调整和天馈工程改造无法解决问题，或者覆盖目标存在干扰因素时，可以通过新增站址来实现改善。此外，该方法除了可以增加站址以外，还可以结合新增RRU来实现。

2.3 方案设计

综合上述分析可见，各类方案均存在优劣点，需要根据实际情况来进行选择，而本文考虑到普遍情况，将结合各方案设计出一种具有通用性的方案，即RRU双拼+上下行平衡算法+高增益电调天线方案。其主要采用两个型号一致的RRU来实现双拼结构，其基带接口可以同时支持两个RRU的级联，同时在设计细节上，为了降低传输要求，对RRU双拼的基带光口进行了统一设计，即两个RRU只有一个基带光口，此举可以避免RRU传输出现信号无法叠加的问题；上下行平衡算法是一种同时对4G网络的上下行进行计算，使两者始终保持平衡的计算方法，其中上行是指RRU双拼、下行是指小区合并联合调度，前者具有4个通道信号，后者主要作为小区合并多个RRU共同占用的频带资源发射，当上行受限，在算法条件下会进行最大比合并处理，同时对下行进行调度，使其时隙对齐、功率叠加，由此即可提高重点信号功率，扩大下行覆盖面积；高增益天线是指高增益宽频独立电调天线，直接安装在基站当中，借助其性能可以将方案效果提升至最佳。

3 方案优化方法

通过上述设计方案可以实现高铁远距离4G覆盖，但在专网视角上，其较高成本的问题始终存在，因此出于经济性考虑，本文将通过高增益天线来进行优化，旨在扩大每个基站的信号覆盖面积，减少基站建设数量要求，间接降低成本。

高增益天线对信号发射强度的增益原理在于：水平波瓣宽度越小，则天线增益越高，在这一原理上，针对方案进行优化的首要目的就是找到天线最佳水平波瓣宽度。本文以普通定向天线作为对比，对其与高增益天线的水平波瓣宽度进行调整，根据调整后的增益效果来确认高增益天线的最佳水平波瓣宽度。

通过对比可见高增益天线随着水平波瓣角的不断增大，其穿透损耗越低，代表其信号强度随着角度下降而增加，同样在普通定向天线当中这一表现也存在，但在数值对比上可见，其穿透损耗降低差值较低，同时各角度数值远大于高增益天线，说明高增益天线应用更具优势，同时根据高增益天线的数值表现可见，其水平波瓣角32°时表现最佳。因此，在方案应用当中，将高增益天线的水平波瓣角调整至32°，可以保障网络信号充分穿透高铁车厢或者隧道，同时保障信号质量。

4 结语

本文对高铁4G网络远距离覆盖技术进行了研究，研究共分为3个步骤，即技术要求、方案设计、方案优化。在技术要求部分，主要对高铁的公网、专网进行了分析，阐述了两者的配置要求以及特点，结果显示专网性能更优，公网成本较低；在方案设计上，考虑到高铁网络覆盖要求，选择专网作为设计基础，通过设计得到了高铁4G网络远距离覆盖方案；在方案优化中，考虑到方案经济性，对方案中高增益天线的最佳配置进行了测试，根据其增益原理得出最佳水平波瓣角为32°。

[1]冯博，彭亮.高铁4G网络远距离覆盖技术设计与实现[J].石家庄铁路职业技术学院学报，2018，v.17；No.69（2）：90-95.

[2]曾鸣.高铁4G专网质量提升研究[J].电信工程技术与标准化，2017，30（6）：89-92.