LTE高铁站址规划方法研究

李琦，肖耀高，陈开仁，田艳中

(1 湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126；2 中国电信股份有限公司湖南分公司，长沙 410001）

随着我国高速铁路的不断建设，高铁、城际快车成为越来越多商务人士的出行选择，用户对网络覆盖、质量提出了更高的要求，打造良好的铁路覆盖成为运营商品牌的标志。

1 信号预测模型及参数分析

针对高铁覆盖存在问题，改进高铁沿线站点规划选址方法，在Cost231-Hata传播模型的基础上建立信号预测模型，然后列举站址数据对高铁沿线进行信号预测，得出RSRP预测值与目标RSRP值（-105 dBm）进行比较，剔除不满足要求的站址数据参数，最后得出合理的站间距、站轨距、小区方位夹角等站址规划数据值。

本文以高铁沿线专网覆盖建设方案为研究对象，以1.8 GHz站点农村（准开阔地）场景为例，建立如下信号预测模型：

其中Pt表示天线输入口功率（dBm），Gt表示天线增益在实际角度下的能量集中能力值（dBi），f表示LTE载波中心频率（MHz）， hb表示基站天线高度（m），hm表示用户移动台天线高度（m），d表示天线到移动台的距离（km），Lp表示穿透损耗（dB）。预测模型关键因子取定值分析如下：

（1） Pt分析：首先来计算RRU设备的RE级别功率，其计算公式如下：Pre=10lg(P/1 200)。

其中P表示RRU设备单通道功率，Pre表示RE级别功率，1 200为20 MHz带宽上的子载波数量。以华为RRU设备单通道功率为40 W为例，经计算Pre=15.2 dBm。Pt为RRU设备的RE级别功率经过跳线损耗之后的功率值，RRU与天线之间的跳线及接头损耗按2.2 dB考虑，即华为设备天线输入口功率Pt值为13 dBm。

（2）Lp分析：Lp表示室外至车体内隔断穿透损耗，以高铁列车CRH3级别（300 km/h）为例的穿透损耗值与信号入射角的关系如图1所示。

图1 CRH3高铁列车穿透损耗趋势图

可以看出车体穿透损耗跟信号入射角有关，且信号入射角小于10°时急剧增大，所以模型中根据信号入射角大于10°的列举不同，Lp对应于5～24 dB设置。

（3）d分析：d表示天线到用户移动台的距离，其车体覆盖立体示意如图2所示。

从图2（左）分析可知：

根据图2（右），信号在高铁轨道上覆盖距离按3 dB半功率角远点时的要求，得出3 dB波瓣信号入射角θ 。如按65°水平波瓣天线计算，则主瓣信号中点入射角为：θ+32.5°。

2 高铁覆盖站址规划方法

2.1 站点布局分析

现网实验数据显示，分别坐在车厢两侧进行测试时，平均信号强度相差3～5 dB，为了避免单侧覆盖所产生的障碍物盲点效应，高铁站址的选择尽量交错分布于铁路轨道两侧，采用双侧覆盖车厢的方法，呈“之”字形理想模型布站。如在光缆布放困难等特殊原因无法实现“之”字形布站的情况，按实际情况选择站址。另外高铁轨道沿线存在弯道、桥梁等场景，站点布局会略有不同，弯道场景：站址应选在轨道弯曲曲线弧的内侧，不但可以保证站点对轨道的覆盖，同时能起到减小多普勒频移的作用。桥梁场景：在桥的两端架设基站天线进行覆盖的方式。

2.2 站轨距分析

根据高铁无线信号覆盖评估方法，需要预测该车体内RSRP值，通过列举不同的站轨距、挂高及对应的频率。现将模型公式（1）写入Excel表中，预测得到符合要求的RSRP值。

以下分析均取定站点天线挂高30 m，用户手机天线高度1.5 m，天线输入口功率13 dBm，天线增益16 dBi， 1.8 GHz信号频率取 1867.5 MHz，CRH3列车上用户速度300 km/h，考虑车内信号电平RSRP为-105 dBm为目标值。根据信号模型的分析，得出1.8 GHz站轨距与3dB衰落远点信号入射角变量简化关系表如图3（上）所示。

通过预测出来的结果可以看出站轨矩S相同时，随着入射角的增大，车体内的RSRP变好。入射角相同时，随着站轨距S的增大，车体内的RSRP变差。为了保证3 dB信号远点衰落能有效覆盖，1.8 GHz站点的站轨距S设置在500 m以内较为合理，最小站轨距S则综合考虑实际塔高时的距离设置。

图2 射灯天线覆盖立体示意图

图3 站间距、站间距和3 dB波瓣信号入射角关系示意图

2.3 站间距分析

高铁在运行中，移动台成功切换需要满足要求的重叠覆盖距离，LTE重叠距离= 2×(电平迟滞对应距离+切换触发时间对应距离+切换执行距离)，增加200 m作为冗余距离，算出重叠覆盖距离约350 m，结合图1模型分析，LTE 1.8 GHz规划基站在3 dB衰落远点信号RSRP满足极限值-105 dBm下，站间距和信号入射角变量关系如图3（下）所示。

通过预测出来的结果可以看出，基站站轨距越小，站点间距对应越小，LTE 1.8 GHz理想的站间距S一般对应小于1 400 m设置。在应用中，根据如上站间距和站轨距的对应关系合理选择站址。

2.4 方位夹角分析

计算满足3 dB衰落信号主瓣信号入射角θ值在42°～90°变化，列举500 m以内不同站轨距S，进一步推导出方位夹角V值对应如表1所示，以便于勘察时方位角的设置。

表1 典型站点天线主瓣信号入射角与方位角变量关系

为了保证3 dB衰落信号覆盖远点和近点的重叠覆盖距离及对高铁的利用率，方位夹角V应该在38°～52°范围内设置。同一基站的覆盖方位角夹角，即相同基站相邻小区夹角应保证在76°～104°之间。

3 高铁现网站址案例效果分析

案例1：F_Z_长沙市雨花区环保科技园模块局BBU4(新世纪小学_WL)基站，经度：113.049 17°，纬度：28.057 11°，挂高为25 m，方位角0°/120°/240°，下倾角5°/5°/5°，站轨距S约为45 m；F_Z_长沙市雨花区环保科技园模块局BBU18(比亚迪路京广_WL)基站，经度：113.047 28°，纬度：28.052 88°，挂高为 35 m，方位角为 0°/90°/190°，下倾角为5°/3°/5°，站轨距为55 m；F_Z_长沙市长沙县田心桥机房BBU1(暮云昌塘坪_WL)，经度：113.047 493°，纬度：28.046 573°，挂高为38 m，方位角15°/105°/220°，下倾角4°/4°/4°，站轨距S约为50 m。

3个相邻的高铁沿线基站，体现了“之”字型理想布局，且相邻站间距均在650 m左右，站轨距在50 m左右，均处在上节研究的结论区间内，观察RSRP测试效果，可以看出连续性覆盖方面效果良好。不足之处是方位角夹角V设置存在不合理，在规划中建议根据实际，有效结合站点布局和站点工参来设置基站工参，保证高铁信号覆盖和质量双提升。

案例2：F_Z_长沙市雨花区边山小金坡基站，经度：113.066 94°，纬度：28.109 44°，挂高为30 m，方位角 0°/120°/240°，下倾角 5°/5°/5°，站轨距 S约为650 m；F_Z_长沙市雨花区栗塘小区基站，经度：113.062 55°，纬度：28.098 18°，挂高为37 m，方位角为 30°/120°/200°，下倾角为 5°/5°/5°，站轨距为590 m。

相邻两站站轨距S均大于500 m，且栗塘小区基站第一扇区方位夹角将近100°，第三扇区方位夹角将近80°，以上参数均处在上节研究的结论区间以外，观察RSRP测试效果，该路段信号覆盖弱，说明合适的站轨距S和方位夹角的设置对高铁覆盖非常重要，在实际规划站点布局时应该充分考虑。

4 结论

高铁轨道呈带状延伸，并且列车移动速度快，使得高铁的LTE网络覆盖与通常的室外网络覆盖有较大的差别。本文主要基于建立高铁场景信号预测模型，从站点的规划与布局、站轨距、站间距设置、方位角等方面的设置，对LTE高铁站址规划进行理论方法推算和分析，最后得出适合高铁LTE站址规划的设置方法。综合高铁沿线的测试数据和覆盖效果，以当前现网站点作为分析对象，具体找出站点了案例，进行布局、站轨距、站间距、方位角设置等方面论证，进一步证实了理论研究结果与实际相吻合的结论。研究结论给高速高铁规划、设计提供了有力的参考依据，同时为建设成本控制提供了计算依据，实现高铁规划工程中的覆盖、成本的最佳组合。

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