基于某型动车组车辆移动通信信号改善的应用及研究

周 汛，汤 诚

(中车株洲电力机车有限公司产品研发中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前，中、高速列车普遍采用了轻量化、强度高的铝合金或碳钢作为车体的主要材料，客室侧窗也全部采用了金属全密封式结构，在给旅客带来安全、舒适乘车环境的同时，也因车辆的金属材料导致移动信号的屏蔽和衰减。另外，列车在高速运行中也会因多谱勒频偏效应而导致通信数据、语音通信质量较差等问题。

由于车辆所运营线路的地面基站非密集型建设，为了解决以上问题，安装一种车载移动中继系统，通过列车车外天线采集无线信号，然后经天线馈线输送至安装在列车内的车载移动中继主机对信号进行滤波、放大；最后通过车内天线实现车厢内无线信号的覆盖，补偿车辆金属材料所导致的信号穿透衰减，为乘客带来高品质的通信信号体验。

1 通信信号差的原因

列车中、高速运行情况下，导致移动通信信号差，主要有以下几点原因。

1.1 车体穿透损耗大

现代中、高速列车普遍采用轻量化、强度高的铝合金或碳钢作为车体的主要材料，客室侧窗也全部采用了金属全密封式结构，车辆的金属材料对移动信号造成了一定屏蔽、衰减，车体穿透损耗可能高达25 dB以上。

1.2 高速运行带来频繁的信号切换

高速运行将使列车内用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，容易引起信令风暴，导致掉话。

1.3 重叠区难以满足切换和重选的需求

移动通信设备在不同基站间切换至少需要6 s，而全速行速的列车通过2个基站切换区时间经常小于6 s，移动通信设备基本往往无法正常完成切换，易引起通信掉话。

1.4 高速带来的多普勒效应

目前移动通信终端的载波频率均采用跟踪下行空口频率机制，车辆运行中终端会带着2倍的瞬时多普勒频偏发射信号，经过基站时，上下行信号会产生强烈变化。

2 设计方案说明

2.1 系统架构

本方案的车载移动中继系统主要由车载移动中继主机、车外信号接收天线、车内信号放大天线、滤波器及相关馈线线缆组成，移动中继系统独立于其他系统设置，独自组网。

本项目列车编组形式为=Mc1+T1+T2+T3+T1+Mc2=，分别在2个T1车、T3车配置一套车载移动中继主机，每两节车为一个单元，整列车共配置3套。

如图1所示，在每个单元两节车中的其中一节列车顶上安装一个全频段的车外信号接收天线，首先将引入的车顶天线信号进行分路，通过滤波器进行滤波处理，滤除频带外的信号，将相应频段的手机信号输送至对应的数字信号处理单元进行处理，然后再经过模数转换、数字信号处理、增益放大之后，再经数模转换，通过射频合路器，将信号发送至车厢内的天线，实现车内信号覆盖。由此将极大地改良通信状态，使乘客能顺畅地通过移动网络进行远程交流。

图1 手机中继单元的电路设计

2.2 频段选择

依据本项目潜在运行国家的运营频段，本移动中继系统方案所采用的频段如表1所示。

表1 频段选择

2.3 主机性能

车载移动中继主机作为车载移动中继系统主要控制单元，可支持不同国家多频段运营需求，当列车跨国运行或运行在不同频段覆盖区时，满足迅速切换频段的要求。

主机包含以下模块:①单元控制模块:用于单元控制，通过CAN总线采集各个子模块的状态。②数字无线模块:用于中继各个频段，实现信号的功控放大功能，每个频段由一个数字无线模块负责。③射频分配模块:用于射频复用，数字滤波及分配功能。④电源模块:用于为所有模块提供电源。

车载移动中继主机内置调制解调器和GPS定位单元，可以将设备的位置信息连同设备内各个模块的状态，发送给远端的网管服务器，从而实现远程管理列车中车载移动中继系统的所有在线设备，支持远程软件升级、告警管理、日志管理等。

2.4 车厢内空间信号衰减计算

由于电磁波在空气中传播时存在能量损耗，车厢内空间信号衰减计算参照按以下公式进行计算:

车内信号放大天线覆盖近端0.5 m(自由空间衰减):20×LOG(半径/km)+20×LOG(频率/MHz)+32.44

车内信号放大天线覆盖远端8 m(办公室空间衰减):20×LOG10(频率/Hz)-147.55+10×3.27×LOG10(半径/m)

参照以上公式，车厢内不同空间在不同频段下的信号衰减如表2所示。

表2 不同频段信号的空间信号衰减情况

3 系统设计功能及特点

上行静噪:依据用户和频带使用情况，尽量减少对基站和地面直放站的干扰。

下行链路自动ALC功能:下行链路根据信号强度或导频时隙功率自动调节增益，使客室内电平保持相对稳定，且保持终端接收电平的需求。

上行链路自动ALC功能:根据下行链路增益调节上行链路增益，保持上行电平的相对稳定。

增益设置功能:上、下行链路可分别设置车厢内外电平差值，以满足不同网络的配置需求。

现场使用中，可按频段、区域、运营商、网络的要求，灵活对增益和输出功率进行设置。

4 系统测试方案及结果

测试采用比对的方法，在保持相同状态的前提下，先记录未运行车载移动中继系统的测试结果，然后运行车载移动中继系统，记录下通过滤波信号放大后的增益测试结果，最后通过计算得出增益值。

如图2所示，以Mc车为例进行测试，测点位置选取为座椅区域接收位置距地板面上方800 mm，过道区域接收位置距离地板面上方1 500 mm。

1)无车载移动中继系统下的幅值记录。记录未安装车载移动中继系统下的接收信号幅值L2。

图2 测点图

2)车载移动中继系统增益下的幅值记录。通过车载移动中继系统，模拟800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz、2 600 MHz增益频段，根据图1相同位置，记录车辆增益后信号幅值L1。进行L2～L1差值运算，记录安装车载移动中继系统下的增益结果。

经过测试，采用车载移动中继系统的车辆，增益效能可提升约10 dB。

5 结语

通常车载移动中继系统的车内信号放大除采用车内天线外，还可以考虑采用车内漏缆方案。车内漏缆方案的优点是可使整列车厢内的信号覆盖均匀、电缆安置隐藏、不影响车内美观，但漏缆需要安装在无金属遮挡的环境下，本项目车内顶部及侧墙均为金属材料，不利于漏缆安装，因此采用车内天线方案。

该方案已运用于中车株洲电力机车出口欧洲的某型动车组项目，后续可应用于类似轨道交通车辆，其目标主要为实现车厢内无线信号的覆盖，补偿车辆金属材料所导致的信号穿透衰减，为乘客带来高品质的通信体验。安装车载移动中继系统的车辆可以降低运营区域基站布置密度，降低基站布置成本。