高速铁路列车车厢穿透损耗应用探析

【摘要】文章介绍了高速列车动态穿透损耗测试实验方法及结果，通过对武广高铁高速列车车厢穿透损耗大量实测数据进行分析，并结合目前业内最新的研究成果，探讨了高速列车车厢穿透损耗规律及其对网络规划优化的影响，提出了高铁场景下的网规网优思路。

【关键词】高速铁路 穿透损耗 覆盖半径 掠射角 无线网络

火车是我国最主要的交通工具，预计在2020年前国内建设高速铁路里程将超过1.2万公里，目前已开通京津、武广、郑西3条高速客运专线，列车时速达到350km/h。新型高速列车的采用，极大程度影响了无线网络的性能。自3G网络开工建设以来，各厂家和运营商都面临着如何在高速移动区域内进行无线网络的建设和优化的问题。因此，充分进行高速移动方面的研究和方案验证，从而找到有效的规划优化方案，成为打造精品网络的重要前提和必要条件。

1 高铁穿透损耗

1.1 穿透损耗与覆盖半径的关系

在研究传播时，关注的主要特性是特定收信机接收信号的电平强度。由于传播路径和地形的干扰，传播信号强度减小，这种信号强度减小的大小称为传播损耗。

在自由空间（各向同性、无吸收、电导率为零的均匀介质）中，电波的传播规律服从下式：

（1）

其中，PLOSS(dB)：传播路径上的功率损耗；Pt：发射功率；Pr：接收功率；Gt：发射天线增益；Gr：接收天线增益；λ：电波的波长；d：发射天线与接收天线之间的距离。

从式（1）可以看出，在自由空间，电波传播的损耗与电波波长的平方成正比，与传播距离的平方成反比。当不考虑发射与接收设备的增益/损耗，只从电波传播的空间环境方面来考虑时，上式可以简化为：

其中，c为光速，频率f(MHz)=106f’，距离d(km)=103d’。

假设允许的传播损耗是一定的，如频率800MHz时为120dB，引入穿透损耗Pc，则

1.2 高铁车厢的穿透损耗

高速铁路列车为全封闭车厢列车，车身由铝合金和不锈钢材料组成，车窗采用特殊材质制成，密封性能很好；因此相对于普通列车，高铁列车车厢电波的穿透损耗要高出很多。而车厢的穿透损耗会直接影响车厢内终端的接收信号强度，从而影响到铁路沿线小区的覆盖范围（图1）。车厢穿透损耗同时也是影响无线信号在火车车厢内覆盖的重要因素。在进行无线网络设计和优化时，必须仔细考虑穿透损耗的取值及其对网络性能带来的影响。

2 高速列车静止垂直穿透损耗

高速铁路都为CRH列车，不同类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。根据相关资料，各类型车厢的静止垂直穿透损耗的测试结果如表1：

在进行覆盖设计时，必须以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。以上测试为列车静态下的测试结果，列车在运行途中衰减会更大，如果要确保车内的正常通话，需按最高24dB损耗来算，即要确保车外信号强度为-70dBm以上。

3 高速列车动态穿透损耗测试

为了研究高速列车穿透损耗在高速运行情况下的变化及其规律，笔者分别在长沙、衡阳选取2段高铁进行了多次测试。长沙、衡阳测试均是在武广高铁上进行，测试到的穿透损耗值仅针对当次测试武广高铁上运行的高速列车车型CRH2-C。

3.1 武广高铁长沙段测试

在距武广高铁长沙南站出口2km空旷路段，有一栋27层高楼，高楼与所选取高铁中间无阻挡。将800MHz CDMA信号源设置于此，采用全向天线在119频点上发射功率2w的CW信号，119频点在中国电信现网中尚未启用。

首先，运用珠海鼎利的路测软件PIONEER+鸟牌CDMA Scanner测试武广高铁高速列车内的RSSI NARROW信号强度；然后，在铁路边上测量该信源的RSSI NARROW信号强度。通过鼎利路测软件记录下测试信号点对应的位置，从而记录下测试的轨迹。通过对比车厢内外得到的信号，从而得到高速列车的穿透损耗。

根据基站所处的位置和测试点的位置，可以计算得到电波与火车形成的掠射角。掠射角的定义如图2所示：

由于列车运动速度远大于测试汽车的速度，列车内信号的测量数据点数远远少于车厢外的汽车所得到的测量数据点数。以列车内信号为基准，查找列车外离车内相应信号最近的采样点，通过对数据进行插值等数学处理，从而得到穿透损耗的测量值。

由于高速列车外的测试轨迹靠近基站，列车外测试相比于列车内测试还存在空口衰减的影响，因而实际穿透损耗值会比测量值略小。根据无线传播理论，空口衰减与距离倍数有关，离信号源的测试距离如相差2倍将会有6dB的空口衰减差距。通过计算空口衰减后修正穿透损耗测试值，结果如图4所示。

3.2 武广高铁衡阳段测试

在武广高铁衡阳东站出口不远的空旷路段，紧挨着有一段240m道路位于基站侧。在衡阳东站基站1扇区新开了一个78号空频点，该频点在该区域内尚未启用。

首先，运用珠海鼎利的路测软件PIONEER+鸟牌CDMA Scanner测试武广高铁高速列车内的RSSI NARROW信号强度；然后，在铁路边上测量该信源的RSSI NARROW信号强度，如图5所示。通过鼎利路测软件记录下测试信号点对应的位置，从而记录下测试的轨迹。通过对比车厢内外得到的信号，从而得到高速列车的穿透损耗，如图6所示。

3.3 测试结论

综合武广高铁长沙段和衡阳段的测试结果，可以得到武广高铁高速列车CRH2-C穿透损耗趋势图（掠射角8～90度）如图7所示：

由于实际环境很复杂，信号波动幅度较大，总体来看在8～90度范围内高速列车CRH2-C穿透损耗处于10dB～30dB区间，且重心随着掠射角的减小而增大。

此次组织的武广高铁高速列车CRH2-C动态穿透损耗测试缺少0～8度小角度测试数据，中国电信集团公司《2009年中国电信高速铁路CDMA网络建设指导意见（试行）》对CRH1型“和谐号”动车组给出了其穿透损耗与掠射角关系，如图8所示。

综上所述，高速列车穿透损耗随着掠射角的减小而增大，且掠射角越小穿透损耗越是急剧增长。由于穿透损耗对无线覆盖能力影响很大，所以在进行无线网络规划设计时需要特别注意掠射角对高速列车穿透损耗的影响。

4 高速列车车厢穿透损耗应用分析

4.1 站间距与基站距铁路垂直距离范围的关系

如前所述，高速列车穿透损耗在掠射角为10度左右时会明显增大，现在不妨将临界掠射角定为10度。根据确定的临界掠射角、基站的建议站间距，即可确定基站距铁轨的垂直距离范围，其具体计算方式如下：

已知基站站间距：S，设基站距铁轨最小垂直距离：H，则

H=（S/2）*tg(临界掠射角)=（S/2）*tg10（5）

如当S=3km，则H=264m。也就是说，实际选择或者新建的基站距铁轨垂直距离至少是264米。

由此可知，基站距铁轨垂直距离可以在（H，S/2）之间，如表2所示：

在实际网络规划设计时，可能不得不允许更高的穿透损耗，从而需要将临界掠射角降低到5度。那么同样可以得到站间距与基站距铁路垂直距离范围关系，如表3所示。

从高速列车穿透损耗的角度来考虑无线网络规划时，在理想的没有障碍物的空间，站址选择应当与铁轨保持一定的距离，距离越大高速列车穿透损耗越小；同时也需要考虑空间传播损耗的影响，距离不能太远。根据前面所述，理想情况下控制临界掠射角在10度左右，而在实际无线网络规划设计时需根据穿透损耗的值灵活设置临界掠射角。

在无线网络规划、优化中，要平衡考虑各种因素的影响。这里仅介绍了武广高铁运行的CRH2-C高速列车在无线电波空间传播路径中遇到的穿透损耗（至少为10dB，一般在20dB左右），实际无线环境中会有多种因素影响覆盖，如障碍物造成的绕射损耗、大气折射、多径衰落、设备终端灵敏度等。

4.2网规网优思路

从穿透损耗角度，针对高速铁路场景提出网络规划优化思路如下：

（1）平原地区较符合本文所述理想的无障碍物传播传播环境，新建基站和铁路垂直距离尽量控制覆盖远端掠射角不小于10度，以减少高速列车穿透损耗。一般站间距为4km～5km，故垂直距离应控制在400m～2000m。但丘陵、山区等地形环境复杂，不符合本文假设的理想无障碍物传播环境，不适用于本文分析结果。

（2）对于直线轨道，相邻站点建设宜交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，有利于车厢内两侧信号质量的均衡。但更应注意根据实际地形地貌灵活规划。

（3）对于铁路弯道，在理想环境下（比如平原地区），站址宜设置在弯道的内侧，可提高入射角，降低列车穿透损耗，提高覆盖能力。

（4）在无线网络优化评估工作中，可根据高铁列车穿透损耗规律从高速列车车厢外测试信号推测高速列车车厢内信号质量。

在复杂多变的实际环境中，应综合考量列车穿透损耗及其它诸多因素对覆盖能力的影响从而来选择具体方案。

5 结束语

中国已进入高速铁路时代，各省均已迎来高速铁路的建设高峰。高速铁路的无线网络覆盖是一个全新的课题，需要深入研究其中的新问题，权衡各种因素，综合考虑多种网规网优手段，探索更好的规划优化策略，打造一张优质的高速铁路移动覆盖精品网络。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文