基于某型動車組車輛移動通信信號改善的應(yīng)用及研究

周 汛，湯 誠

(中車株洲電力機(jī)車有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，湖南 株洲 412000)

0 引言

目前，中、高速列車普遍采用了輕量化、強度高的鋁合金或碳鋼作為車體的主要材料，客室側(cè)窗也全部采用了金屬全密封式結(jié)構(gòu)，在給旅客帶來安全、舒適乘車環(huán)境的同時，也因車輛的金屬材料導(dǎo)致移動信號的屏蔽和衰減。另外，列車在高速運行中也會因多譜勒頻偏效應(yīng)而導(dǎo)致通信數(shù)據(jù)、語音通信質(zhì)量較差等問題。

由于車輛所運營線路的地面基站非密集型建設(shè)，為了解決以上問題，安裝一種車載移動中繼系統(tǒng)，通過列車車外天線采集無線信號，然后經(jīng)天線饋線輸送至安裝在列車內(nèi)的車載移動中繼主機(jī)對信號進(jìn)行濾波、放大；最后通過車內(nèi)天線實現(xiàn)車廂內(nèi)無線信號的覆蓋，補償車輛金屬材料所導(dǎo)致的信號穿透衰減，為乘客帶來高品質(zhì)的通信信號體驗。

1 通信信號差的原因

列車中、高速運行情況下，導(dǎo)致移動通信信號差，主要有以下幾點原因。

1.1 車體穿透損耗大

現(xiàn)代中、高速列車普遍采用輕量化、強度高的鋁合金或碳鋼作為車體的主要材料，客室側(cè)窗也全部采用了金屬全密封式結(jié)構(gòu)，車輛的金屬材料對移動信號造成了一定屏蔽、衰減，車體穿透損耗可能高達(dá)25 dB以上。

1.2 高速運行帶來頻繁的信號切換

高速運行將使列車內(nèi)用戶在非常短的時間內(nèi)穿過多個信號小區(qū)，容易引起信令風(fēng)暴，導(dǎo)致掉話。

1.3 重疊區(qū)難以滿足切換和重選的需求

移動通信設(shè)備在不同基站間切換至少需要6 s，而全速行速的列車通過2個基站切換區(qū)時間經(jīng)常小于6 s，移動通信設(shè)備基本往往無法正常完成切換，易引起通信掉話。

1.4 高速帶來的多普勒效應(yīng)

目前移動通信終端的載波頻率均采用跟蹤下行空口頻率機(jī)制，車輛運行中終端會帶著2倍的瞬時多普勒頻偏發(fā)射信號，經(jīng)過基站時，上下行信號會產(chǎn)生強烈變化。

2 設(shè)計方案說明

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

本方案的車載移動中繼系統(tǒng)主要由車載移動中繼主機(jī)、車外信號接收天線、車內(nèi)信號放大天線、濾波器及相關(guān)饋線線纜組成，移動中繼系統(tǒng)獨立于其他系統(tǒng)設(shè)置，獨自組網(wǎng)。

本項目列車編組形式為=Mc1+T1+T2+T3+T1+Mc2=，分別在2個T1車、T3車配置一套車載移動中繼主機(jī)，每兩節(jié)車為一個單元，整列車共配置3套。

如圖1所示，在每個單元兩節(jié)車中的其中一節(jié)列車頂上安裝一個全頻段的車外信號接收天線，首先將引入的車頂天線信號進(jìn)行分路，通過濾波器進(jìn)行濾波處理，濾除頻帶外的信號，將相應(yīng)頻段的手機(jī)信號輸送至對應(yīng)的數(shù)字信號處理單元進(jìn)行處理，然后再經(jīng)過模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)字信號處理、增益放大之后，再經(jīng)數(shù)模轉(zhuǎn)換，通過射頻合路器，將信號發(fā)送至車廂內(nèi)的天線，實現(xiàn)車內(nèi)信號覆蓋。由此將極大地改良通信狀態(tài)，使乘客能順暢地通過移動網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行遠(yuǎn)程交流。

圖1 手機(jī)中繼單元的電路設(shè)計

2.2 頻段選擇

依據(jù)本項目潛在運行國家的運營頻段，本移動中繼系統(tǒng)方案所采用的頻段如表1所示。

表1 頻段選擇

2.3 主機(jī)性能

車載移動中繼主機(jī)作為車載移動中繼系統(tǒng)主要控制單元，可支持不同國家多頻段運營需求，當(dāng)列車跨國運行或運行在不同頻段覆蓋區(qū)時，滿足迅速切換頻段的要求。

主機(jī)包含以下模塊:①單元控制模塊:用于單元控制，通過CAN總線采集各個子模塊的狀態(tài)。②數(shù)字無線模塊:用于中繼各個頻段，實現(xiàn)信號的功控放大功能，每個頻段由一個數(shù)字無線模塊負(fù)責(zé)。③射頻分配模塊:用于射頻復(fù)用，數(shù)字濾波及分配功能。④電源模塊:用于為所有模塊提供電源。

車載移動中繼主機(jī)內(nèi)置調(diào)制解調(diào)器和GPS定位單元，可以將設(shè)備的位置信息連同設(shè)備內(nèi)各個模塊的狀態(tài)，發(fā)送給遠(yuǎn)端的網(wǎng)管服務(wù)器，從而實現(xiàn)遠(yuǎn)程管理列車中車載移動中繼系統(tǒng)的所有在線設(shè)備，支持遠(yuǎn)程軟件升級、告警管理、日志管理等。

2.4 車廂內(nèi)空間信號衰減計算

由于電磁波在空氣中傳播時存在能量損耗，車廂內(nèi)空間信號衰減計算參照按以下公式進(jìn)行計算:

車內(nèi)信號放大天線覆蓋近端0.5 m(自由空間衰減):20×LOG(半徑/km)+20×LOG(頻率/MHz)+32.44

車內(nèi)信號放大天線覆蓋遠(yuǎn)端8 m(辦公室空間衰減):20×LOG10(頻率/Hz)-147.55+10×3.27×LOG10(半徑/m)

參照以上公式，車廂內(nèi)不同空間在不同頻段下的信號衰減如表2所示。

表2 不同頻段信號的空間信號衰減情況

3 系統(tǒng)設(shè)計功能及特點

上行靜噪:依據(jù)用戶和頻帶使用情況，盡量減少對基站和地面直放站的干擾。

下行鏈路自動ALC功能:下行鏈路根據(jù)信號強度或?qū)ьl時隙功率自動調(diào)節(jié)增益，使客室內(nèi)電平保持相對穩(wěn)定，且保持終端接收電平的需求。

上行鏈路自動ALC功能:根據(jù)下行鏈路增益調(diào)節(jié)上行鏈路增益，保持上行電平的相對穩(wěn)定。

增益設(shè)置功能:上、下行鏈路可分別設(shè)置車廂內(nèi)外電平差值，以滿足不同網(wǎng)絡(luò)的配置需求。

現(xiàn)場使用中，可按頻段、區(qū)域、運營商、網(wǎng)絡(luò)的要求，靈活對增益和輸出功率進(jìn)行設(shè)置。

4 系統(tǒng)測試方案及結(jié)果

測試采用比對的方法，在保持相同狀態(tài)的前提下，先記錄未運行車載移動中繼系統(tǒng)的測試結(jié)果，然后運行車載移動中繼系統(tǒng)，記錄下通過濾波信號放大后的增益測試結(jié)果，最后通過計算得出增益值。

如圖2所示，以Mc車為例進(jìn)行測試，測點位置選取為座椅區(qū)域接收位置距地板面上方800 mm，過道區(qū)域接收位置距離地板面上方1 500 mm。

1)無車載移動中繼系統(tǒng)下的幅值記錄。記錄未安裝車載移動中繼系統(tǒng)下的接收信號幅值L2。

圖2 測點圖

2)車載移動中繼系統(tǒng)增益下的幅值記錄。通過車載移動中繼系統(tǒng)，模擬800 MHz、900 MHz、1 800 MHz、2 100 MHz、2 600 MHz增益頻段，根據(jù)圖1相同位置，記錄車輛增益后信號幅值L1。進(jìn)行L2～L1差值運算，記錄安裝車載移動中繼系統(tǒng)下的增益結(jié)果。

經(jīng)過測試，采用車載移動中繼系統(tǒng)的車輛，增益效能可提升約10 dB。

5 結(jié)語

通常車載移動中繼系統(tǒng)的車內(nèi)信號放大除采用車內(nèi)天線外，還可以考慮采用車內(nèi)漏纜方案。車內(nèi)漏纜方案的優(yōu)點是可使整列車廂內(nèi)的信號覆蓋均勻、電纜安置隱藏、不影響車內(nèi)美觀，但漏纜需要安裝在無金屬遮擋的環(huán)境下，本項目車內(nèi)頂部及側(cè)墻均為金屬材料，不利于漏纜安裝，因此采用車內(nèi)天線方案。

該方案已運用于中車株洲電力機(jī)車出口歐洲的某型動車組項目，后續(xù)可應(yīng)用于類似軌道交通車輛，其目標(biāo)主要為實現(xiàn)車廂內(nèi)無線信號的覆蓋，補償車輛金屬材料所導(dǎo)致的信號穿透衰減，為乘客帶來高品質(zhì)的通信體驗。安裝車載移動中繼系統(tǒng)的車輛可以降低運營區(qū)域基站布置密度，降低基站布置成本。