高速火車TD-SCDMA信號(hào)穿透性能研究

    本文通過(guò)展示系統(tǒng)的測(cè)試結(jié)果, 對(duì)2GHz頻段下TD-SCDMA信號(hào)對(duì)高速火車(CRH1)的穿透性能予以分析， 揭示出穿透損耗隨電波相對(duì)于火車的掠射角減小而增大的規(guī)律，特別是對(duì)于小掠射角(小于10度)時(shí),損耗隨掠射角的減小而迅速增大。測(cè)試結(jié)果表明，高速火車(CRH1)相對(duì)于普通火車,其穿透損耗會(huì)高出約15 dB左右。這些研究結(jié)果為高速鐵路的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供了重要依據(jù)。

　　1 引言

　　自TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)開(kāi)工建設(shè)以來(lái)，各廠家和運(yùn)營(yíng)商一起面臨著如何在高速移動(dòng)區(qū)域(如高速公路、鐵路)內(nèi)進(jìn)行TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和優(yōu)化的問(wèn)題。隨著中國(guó)鐵路正式實(shí)施大面積提速，列車時(shí)速將達(dá)到200Km/h以上350Km/h，極大程度影響了TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的性能，優(yōu)化工作顯得十分必要和迫切。因此充分進(jìn)行高速移動(dòng)方面的研究和方案驗(yàn)證，從而找到適當(dāng)有效的優(yōu)化方案，成為打造TD-SCDMA精品網(wǎng)絡(luò)建的重要前提和必要條件。

　　CRH1型“和諧號(hào)”動(dòng)車組通常包括兩側(cè)各一個(gè)車頭在內(nèi)共的8個(gè)車廂。列車為全封閉車廂列車，車身由鋁合金和不銹鋼材料組成，車窗采用特殊材質(zhì)制成,密封性能很好，因此相對(duì)于普通列車，列車車廂電波的穿透損耗要高出很多。而車廂的穿透損耗直接會(huì)影響車廂內(nèi)的終端的接受信號(hào)強(qiáng)度，從而影響到鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。 采用典型的電波傳播模型(如Ericsson9999模型)，可以計(jì)算出小區(qū)半徑與穿透損耗的關(guān)系。如圖1所示。 我們可以看到， 隨著車廂穿透損耗的增加， 小區(qū)覆蓋半徑將會(huì)明顯的縮小。從中我們可以得到結(jié)論，車廂穿透損耗是影響TD-SCDMA信號(hào)在火車車廂內(nèi)覆蓋的重要因素，在進(jìn)行無(wú)線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化時(shí)，必須仔細(xì)考慮穿透損耗的取值以及對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能帶來(lái)的影響。

Figure 1 車廂穿透損耗對(duì)小區(qū)覆蓋距離的影響

　　2 高速火車車廂的穿透損耗

　　根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和測(cè)試數(shù)據(jù)表明, 普通公路上汽車的穿透損耗大致在5~8dB, 普通火車列車車廂的穿透損耗大致在10~15dB左右.本文將給出我們?cè)趶V深鐵路上測(cè)試得到的CRH1火車車廂穿透損耗數(shù)值。

　　2.1 穿透損耗的測(cè)試

　　在廣州到深圳的高速鐵路的一段, 緊鄰鐵路邊上有一條公路,這為我們測(cè)試創(chuàng)造了良好的條件。首先， 我們運(yùn)用TD-SCDMA Scanner測(cè)試動(dòng)車組內(nèi)的PCCPCH信號(hào)強(qiáng)度。然后，又在和鐵路線平行并緊靠鐵路的公路上測(cè)量相同小區(qū)的PCCPCH信號(hào)強(qiáng)度。運(yùn)用GPS記錄下測(cè)試信號(hào)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的位置，從而記錄下測(cè)試的軌跡。 通過(guò)對(duì)比車廂內(nèi)外得到的信號(hào)的對(duì)比，我們便能得到火車的穿透損耗。典型的信號(hào)測(cè)試對(duì)比如圖2所示。

圖2 車廂內(nèi)外的信號(hào)強(qiáng)度(RSCP)對(duì)比

　　由圖二可以看出，車廂內(nèi)的信號(hào)強(qiáng)度(RSCP-in)明顯低于車廂外的信號(hào)強(qiáng)度(RSCP-out)。由于火車運(yùn)動(dòng)速度遠(yuǎn)大于測(cè)試汽車的速度，火車內(nèi)信號(hào)的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于車廂外的汽車所得到的測(cè)量數(shù)據(jù)點(diǎn)數(shù)。通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的插值等數(shù)學(xué)處理，我們可以找到車廂內(nèi)的測(cè)試點(diǎn)對(duì)應(yīng)的車廂外的數(shù)據(jù)點(diǎn)，從而得到穿透損耗的測(cè)量值。

　　另外，我們還在火車車廂內(nèi)的不同位置，進(jìn)行了測(cè)量，以模擬手機(jī)在車廂內(nèi)靠近基站和 遠(yuǎn)離基站的使用場(chǎng)景，從而反映列車穿透損耗與不同位置的依賴關(guān)系。

　　根據(jù)基站所處的位置和測(cè)試點(diǎn)的位置，我們可以計(jì)算得到電波與火車形成的掠射角， 掠射角的定義如圖3所示：

圖 3 基站與車廂掠射角示意圖

　　2.2 測(cè)試結(jié)果

　　經(jīng)過(guò)對(duì)多組數(shù)據(jù)的平均處理，我們得到了高速火車CRH1車廂的穿透損耗與掠射角的關(guān)系，測(cè)試結(jié)果如圖4所示：

圖 4 CRH1動(dòng)車組列車車廂穿透損耗曲線

　　其中，掠射角(Grazing angle)指的是基站信號(hào)與列車車體的夾角。

　　通過(guò)對(duì)于廣深高速公路沿線TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的測(cè)試和分析,我們可以得到關(guān)于新型動(dòng)車組車廂的穿透損耗如下結(jié)論。

　　1) 隨著掠射角的減小，列車車廂穿透損耗增加幅度增大。從圖4中可以看出，當(dāng)掠射角小于10度時(shí)， 列車車廂穿透損耗比30度時(shí)將額外增加10dB以上，當(dāng)掠射角小于5度時(shí)，列車車廂穿透損耗比30度時(shí)將額外增加15dB以上。

　　2) 當(dāng)掠射角在10度以內(nèi)，列車穿透損耗增加幅度明顯加快，所以在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)的時(shí)候，我們建議實(shí)際的掠射角應(yīng)該控制在10度以上。

　　3) 列車車廂內(nèi)不同位置的穿透損耗相差較大。在掠射角大于10度的情況下，在車廂兩側(cè)(近基站側(cè)和遠(yuǎn)離基站側(cè))得到的車廂穿透損耗差別5dB以上。當(dāng)掠射角較小時(shí)，車廂兩側(cè)的穿透損耗略為接近。

　　4) 根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)，CRH1動(dòng)車車廂整體穿透損耗平均值在20dB以上。

　　2.3 普通列車車廂穿透損耗的測(cè)量

　　我們將普通慢車的測(cè)試數(shù)據(jù)和“和諧號(hào)”動(dòng)車組數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，根據(jù)掃頻儀信號(hào)強(qiáng)度對(duì)比，我們可以計(jì)算得到普通列車的車廂穿透損耗和動(dòng)車組車廂的差別。圖5為普通列車和CRH1車廂內(nèi)信號(hào)的對(duì)比。

圖5 普通列車和動(dòng)車組車內(nèi)接收信號(hào)的對(duì)比

　　由圖5可見(jiàn)，普通列車車廂內(nèi)信號(hào)強(qiáng)度比動(dòng)車組內(nèi)的信號(hào)高約15dB左右。通過(guò)多組數(shù)據(jù)的平滑處理，我們也得到動(dòng)車組穿透損耗與普通列車穿透損耗的差值與掠射角的關(guān)系(如圖6所示),明確了動(dòng)車組與普通列車的穿透損耗差隨掠射角的增大而緩慢減小，并再次印證動(dòng)車組的穿透損耗比普通列車的穿透損耗平均大約15dB。

圖6 動(dòng)車組與普通列車車廂穿透損耗差值與掠射角關(guān)系

　　3 小結(jié)

　　通過(guò)對(duì)廣深鐵路上動(dòng)車組CRH1車廂以及普通列車穿透損耗的測(cè)試，得到了穿透損耗的測(cè)試結(jié)果。測(cè)量揭示了動(dòng)車組穿透損耗與電波入射列車的角度相關(guān)，隨著射線與火車的掠射角的減小穿透損耗增大而增大的規(guī)律。動(dòng)車組列車的穿透損耗因其良好的密封特性，比普通列車的穿透損耗大約15dB。

　　愛(ài)立信公司借助GSM和WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化方面的積累的豐富經(jīng)驗(yàn)，抓住TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和優(yōu)化中的關(guān)鍵問(wèn)題，深入分析研究，特別是對(duì)于一些具有挑戰(zhàn)性的特殊無(wú)線環(huán)境， 如高速鐵路的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化，開(kāi)展了大量卓有成效的研究，并積極利用這些研究結(jié)果指導(dǎo)高速鐵路的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，使高速鐵路TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)性能達(dá)到了GSM的性能。

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