京广铁路基站入射角专项优化

京广铁路基站入射角专项优化一、问题描述目前火车作为交通第一选择，无线信号的优化也愈发的重要。各厂家和运营商一起面临着如何在高速移动区域内进行WCDMA网络的建设和优化的问题。而随着中国铁路正式实施大面积提速，列车时速将达到200Km/h～350Km/h，极大程度影响了WCDMA网络的性能，优化工作显得十分必要和迫切。因此充分进行高速移动方面的研究和方案验证，从而找到适当有效的优化方案，成为打造精品网络的重要前提和必要条件。我们以现在国内动车“和谐号”为例，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。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。本文通过对入射角方面深入分析，重点研究其对铁路的覆盖，得出优化手段。我们定义研究的角度如下图1所示：图1二、问题定位分析（一）损耗测试基站掠射角和地势地形、站点与铁路间距、塔高、障碍物等因素关系非常密切，各种因素都可能对铁路干线的信号覆盖产生较大的影响。这其中站点与铁路间距尤为突出，本文将重点将此类因素融入到掠射角分析中。我们选取保定京广铁路保定段D车进行分析验证。首先我们针对列车内外做了对比测试，通过107国道和铁路进行覆盖情况对比，得出列车内外的穿透损耗如下图2所示：图2从上图我们看出，车厢内的信号强度明显低于车厢外的信号强度，相差大约10～26dB左右。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倍将会大约有6dB的空口衰减差距。排除这些我们给出了列车穿透损耗趋势图3所示：图3随着掠射角的减小，列车车厢穿透损耗增加幅度增大。当掠射角小于10度时，列车车厢穿透损耗比在30度时将额外增加10dB以上，当掠射角小于5度时，列车车厢穿透损耗比30度时将额外增加15dB以上。当掠射角大于70度时，因为基站明显高于列车，此时信号大多直接辐射到车顶被反射，将额外增加15dB以上。如图4图4（二）京广铁路保定段优化分析通过测试，在京广铁路沿线找了部分由于掠射角过小导致覆盖较差的区域如下图：1、京广动车-保定定兴北河店基站，如下图5、图6图5图6京广动车由北向南行驶，列车经过定兴河北店小区基站覆盖区域时，在距离基站南1950米左右的位置出现一段弱覆盖区域，电平值为-100dB，以基站和问题点为斜边做直角三角形，求出入射角为5.87度，低于10度，损耗过大导致该区域产生弱覆盖现象。优化方案：通过调整天馈系统，将入射角从5.87度提升到12度，最大限度提升了覆盖，但是效果不甚明显，加之距离定兴十五极较远，需要新建基站加强该路段的覆盖。2、京广动车-保定定兴水榭康度小区基站，如图7所示图7京广动车由北向南行驶，列车经过定兴水榭康度小区基站覆盖区域时，在距离基站南900米左右的位置出现一段弱覆盖区域，电平值为-104dB，以基站和问题点为斜边做直角三角形，求出入射角为9.16度，低于10度，损耗过大导致该区域产生弱覆盖现象。优化方案：通过调整天馈系统，已经最大限度提升了覆盖，需要新建基站加强该路段的覆盖。目前保定全网存在这种问题的基站如下表所示，这些站点已经优化到位，需要新建基站加强该路段的覆盖，如表一所示：表1基站名称覆盖区域定兴两合庄京广铁路定兴固粮支局京广铁路望都赵村京广铁路定州沟里京广铁路徐水豆村京昆高速3、站间距、基站与铁路距离对入射角的影响从上面的分析我们了解到，当入射角小于10度时，信号穿透损耗会明显增大。而掠射角为何会小于10度，这就跟基站和铁路间距有直接关系。为了避免掠射角小于10度而造成信号损耗增大，我们需要给出基站和铁路垂直距离多少时才能让入射角大于10度。我们选取临界掠射角为10度，根据临界掠射角、基站的站间距，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：已知基站站间距设为：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如当S=1km，则H=88m。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88米。如表2所示表2以保定市定兴县水榭康度基站为例，与南侧最近相邻站点为2.3km左右，而该站垂直铁路的距离仅为83m，与表中所给的有一定差距，故造成掠射角小于10度。如图8所示：图84、入射角穿透介质后的信号分布理论无线电，和光波一样都是电磁波，是电场和磁场相互叠加，简单说就是电流的周围可以形成磁场，之后所形成的磁场的中线再形成电流，这样成周期性交替，将信号向空间中的某一方向传播出去，这样我们就应该知道电磁波传播的媒介就应该是电场和磁场，而与空气无关，即使在真空中电磁波也可以传播.。但是，需要我们注意的是：（1）电磁波在不同介质中的传播速度是不相同的，那么当空气中含量不同(比如湿度等等)时，就会影响电磁波的传播；（2）介质对电磁波的吸收、反射和折射作用的强弱都和介质的成分有关，比如当两地的空气介质不均匀时，在其界面上就会产生一定程度的反射和折射，这也当然会影响电磁波的传播。在任何时刻，我们都可以把入射波、反射波和折射波的电矢量分成两个分量一个平行于入射面,另一个垂直于入射面。有关各量的平行分量与垂直分量依次用指标p和s来表示。由于用户在火车内部，收到的信号大部分是通过信号透射和衍射而来。如图9所示：图9我们通过菲涅耳公式给出无线信号穿透介质时的计算公式如图10所示：图10其中r和t分别代表的是反射系数和透射系数。n1为入射前介质折射率，n2为入射后介质折射率。我们以火车某个车窗为参照面，下图是入射角变化对应的反射透射变化曲线。通过图形我们看到，随着入射角的变化，水平和垂直矢量在角度小于30度（掠射角对应为90度减去入射角）时几乎相等。也即在信号穿透介质后的信号强度对于垂直和水平上的矢量是近似相等的。而在30～60゜时，垂直矢量要略高于水平矢量。如图11所示：图115、切换区域对入射角的影响测试过程中我们也注意到，当相邻两个站点相聚较远时，也容易造成其中一个站点的掠射角小于10度，损耗衰减太快，从而进一步造成掉话掉线的风险。图12如图12，当基站间距离d较大，同时h1和h2偏小时，图中θ1和θ2都有可能同时小于10度，从而造成信号衰减较大，如果通过调整切换区域h，将会适当减小信号的衰减。h变大，软切换的增益就变大，同时如果其中一个站点（基站B1）信号一直较强的话，也能牺牲其掠射角而保证相邻基站（基站B2）的掠射角大于10度。增大切换区域的参数包括增大1areportingrange增大1breportingrange增大timeToTrigger三、优化方案统过调整天线方位角来加大入射角，从而改善覆盖。四、优化效果1、保定定兴两合庄基站——调整方位、下倾角该站点通过调整3小区方位角由190度至220度，入射角从5度调整到12度，下倾角1度后有一定改善。2、保定定兴固城粮库基站——调整方位、下倾角同时对固城粮库和定兴肖金庄站点进行方位角和下倾角的调整后，两站切换重叠区域覆盖不佳。定兴肖金庄3小区由210度调整为225度，入射角从8度调整到14度，下倾角1度，固城粮库1小区由70度调整为50度，入射角从12度调整到16度，下倾角为1度，复测效果如下图。从覆盖来分析，经过调整入射角后，大约提升3-5dBm，有一定改善。五、经验总结针对由于掠射角导致的损耗影响，有以下几点建议：1、调整基站下倾角，覆盖距离较远区域，现网采用下倾角1～2度的设置。入射角的调整对部分站点有一定的效果，部分站点效果不明显。2、增大基站小区导频发射功率，增强覆盖，减小穿透损耗值。3、尽量控制新建基站和铁路垂直距离覆盖以保证掠射角不小于10度，同时不大于70度，减少高速列车穿透损耗。4、对于道路拐角处，站址宜建在弯道的内侧，可提高入射角，降低列车穿透损耗，提高覆盖能力。5、调整切换参数，保证切换区域。6、新建基站的选址，需要尽可能满足入射角度。