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高铁场景下高增益天线的应用分析摘要：由于用户行为的关系，高铁场景下的 4G 覆盖显得尤为重要，然而由于多普勒频移现象严重、穿透损耗大、切换带设置困难等因素，使得高铁覆盖成为 4G 建设、优化工作的难点本文选取六安合武高铁 8 个站点进行高增益天线替换，在理论分析的基础上对测试结果进行评估，最后给出高增益天线的一般适用场景，对日后高速、高铁的优化工作具有一定借鉴意义关键字：高铁；穿透损耗；高增益天线；【故障现象】：在合武高铁测试过程中发现，六安 8 个站点覆盖不理想，功率已达最大，射频参数无优化空间，拟通过替换高增益天线改善覆盖，减少建设投资各站点路测情况如下图所示： 图 1 天线替换前各站点路测情况如上图所示，红圈位置存在明显弱覆盖区域，需加强覆盖，提升用户感知原因分析】：一、 高增益天线简介高增益天线又叫窄波瓣天线，它的特点是水平波瓣宽度小，增益高，覆盖面积集中且容易控制普通定向天线水平波瓣角大，覆盖面积广，增益较低两类天线参数对比如下：图 2 两类天线参数对比由上图可以看出，高增益天线水平波瓣角为 32 度，增益比 65度定向天线高 3db，垂直半功率角为 6 度，比普通定向天线少 1 度。

二、 确定高增益天线射频工参合武高铁 8 个沿线站点信息如下表所示：图 3 高铁沿线站点信息1. 确定方位角结合前期省公司高铁规划的经验，这里将切换带设置为 200 米，如下所示：图 4 高铁切换带示意图方位角确定的准则：将水平波瓣的外旁瓣对准边缘覆盖位置如下图所示：小 区 名 称 站 轨 距 相 邻 站 间 距 海 拔 高 度 天 线 挂 高LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-50 80 2000 76 35LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-51 80 1750 76 35LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-50 60 1270 72 38LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-51 60 2200 72 38LA-六 安 -独 山 淠 联 村 -NFTA-450448-51 60 2000 66 30LA-六 安 -六 安 界 牌 石 村 01F机 房 -NFTA-437331-52 90 2000 81 40LA-六 安 -合 武 线 8-NFTA-450441-50 85 2000 72 40LA-六 安 -六 安 刁 台 子 -NFTA-450425-50 300 2400 67 40图 5 方位角确定准则2. 确定下倾角下倾角确定的准则：将垂直波瓣的上旁瓣对准边缘覆盖位置，综合考虑海拔相对高度以及天线挂高，确定天线下倾角，如下图所示：图 6 下倾角确定准则如上图所示，下倾角其中 H 为天线相对挂高，D 为基站到切换边缘点的水平距离，B 为垂直波瓣宽度。

按照上述规则，各站点射频工参设置如下：1arctn2HBD图 7 各站点射频工参对照表三、 链路预算确定边缘场强1. 自由空间损耗采用 Cost231-Hata 模型进行链路预算，公式如下：图 8 链路预算模型其中，终端高度统一设置为 1.5 米，天线高度为两者海拔差值加上天线挂高，高铁 CM 设置为-15db，中心频率为 1867.5MHz，简化后的公式如下：按照上述公式，各站点自由空间损耗计算如下：小 区 名 称 站 轨 距 相 邻 站 间 距 海 拔 高 度 边 缘 点 海 拔 天 线 挂 高 方 位 角 下 倾 角LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-50 80 2000 76 73 35 60度 5度LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-51 80 1270 76 72 35 278度 6度LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-50 60 1270 72 67 38 55度 6.3度LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-51 60 2200 72 72 38 275度 4.8度LA-六 安 -独 山 淠 联 村 -NFTA-450448-51 60 2000 66 64 30 240度 4.6度LA-六 安 -六 安 界 牌 石 村 01F机 房 -NFTA-437331-52 90 2000 81 71 40 285度 5.5度LA-六 安 -合 武 线 8-NFTA-450441-50 85 2000 72 59 40 100度 5.7度LA-六 安 -六 安 刁 台 子 -NFTA-450425-50 300 2400 67 66 40 245度 4.7度142.7.96.5lgl13.82lgBSBSPathLosHdH图 9 各站点自由空间损耗如果只考虑自由空间损耗，3dB 的增益提升可以使得覆盖范围增大多少？这里假设更换天线前后的覆盖范围分别为 d 和 d1，计算公式如下： 14.96.5lgl3BSHd如果天线相对挂高为 40 米，则 ，即更换高增益天线后，1.2覆盖范围是更换前的 1.22 倍。

2. 高铁穿透损耗高铁列车材质一般为不锈钢或者铝合金，密闭性较高，不同列车的车型及材质相异，导致穿透损耗相差较大，一般为 10-30dB穿透损耗、频偏均与掠射角 θ 相关，如下图所示：图 10 高铁掠射角示意图掠射角越大，多普勒频移和穿透损耗越小；掠射角越小，多普小 区 名 称 站 轨 距 相 邻 站 间 距 铁 轨 覆 盖 距 离 基 站 覆 盖 范 围 天 线 相 对 挂 高 自 由 空 间 损 耗LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-50 80 2000 1100 1102.81 38 121.91LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-51 80 1270 735 740.75 39 115.79LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-50 60 1270 735 736.95 43 115.16LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-51 60 2200 1200 1202.51 38 123.20LA-六 安 -独 山 淠 联 村 -NFTA-450448-51 60 2000 1100 1102.39 32 122.95LA-六 安 -六 安 界 牌 石 村 01F机 房 -NFTA-437331-52 90 2000 1100 1105.42 50 120.26LA-六 安 -合 武 线 8-NFTA-450441-50 85 2000 1100 1102.94 53 119.87LA-六 安 -六 安 刁 台 子 -NFTA-450425-50 300 2400 1300 1333.62 41 124.27勒频移和穿透损耗越大，下图给出了掠射角和穿透损耗的变化趋势图：图 11 掠射角与穿透损耗变化趋势由上图可以看出，高速列车穿透损耗随着掠射角的减小而增大，并且这种趋势并不平缓，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时，需要特别注意掠射角对高速列车穿透损耗的影响结合各站点位置信息，边缘位置的掠射角和穿透损耗计算如下：图 12 各站点掠射角和穿透损耗3. 边缘场强计算功率分别以 40W、60W、80W 为例，PA&PB 设置为(-3,1)，下表给出了高增益天线的边缘场强，65 度波瓣宽度天线在此基础上减小 区 名 称 站 轨 距 相 邻 站 间 距 铁 轨 覆 盖 距 离 基 站 覆 盖 范 围 天 线 相 对 挂 高 铁 轨 掠 射 角 穿 透 损 耗LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-50 80 2000 1100 1102.81 38 4.16 27.58LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-51 80 1270 735 740.75 39 6.2 26.09LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-50 60 1270 735 736.95 43 4.67 27.23LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-51 60 2200 1200 1202.51 38 2.86 28.41LA-六 安 -独 山 淠 联 村 -NFTA-450448-51 60 2000 1100 1102.39 32 3.12 28.25LA-六 安 -六 安 界 牌 石 村 01F机 房 -NFTA-437331-52 90 2000 1100 1105.42 50 4.67 27.23LA-六 安 -合 武 线 8-NFTA-450441-50 85 2000 1100 1102.94 53 4.42 27.41LA-六 安 -六 安 刁 台 子 -NFTA-450425-50 300 2400 1300 1333.62 41 13 16.803db：图 13 各站点边缘场强四、 高增益天线适用场景分析1. 高增益天线覆盖效果分析由于水平波瓣宽度减少，因此当外旁瓣位置对准同一个边缘覆盖点时，相对于 65 度天线，高增益天线的铁轨覆盖距离会有所减少，尤其是基站正下方的位置，如下图所示：图 14 两种天线的覆盖距离对比当然，由于 32 度波瓣天线增益要高，因此铁轨中间位置处的覆盖会有所改善，但基站下方形成了一段空洞区域，覆盖变弱。

2. 高增益天线规划分析以上分析得出的结论，是在站间距和站轨距已知的条件下，那小 区 名 称 穿 透 损 耗 自 由 空 间 损 耗 40W边 缘 场 强 60W边 缘 场 强 80W边 缘 场 强LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-50 27.58 121.91 -109.59 -107.79 -106.59LA-六 安 -六 安 狮 子 岗 乡 -NFTA-437333-51 26.09 115.79 -101.98 -100.18 -98.98LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-50 27.23 115.16 -102.50 -100.70 -99.50LA-六 安 -六 安 405乡 道 与 合 武 铁 路 交 口 -NFTA-450440-51 28.41 123.20 -111.72 -109.92 -108.72LA-六 安 -独 山 淠 联 村 -NFTA-450448-51 28.25 122.95 -111.30 -109.50 -108.30LA-六 安 -六 安 界 牌 石 村 01F机 房 -NFTA-437331-52 27.23 120.26 -107.59 -105.79 -104.59LA-六 安 -合 武 线 8-NFTA-450441-50 27.41 119.87 -107.38 -105.58 -104.38LA-六 安 -六 安 刁 台 子 -NFTA-450425-50 16.80 124.27 -101.17 -99.37 -98.17么究竟什么样的站间距和站轨距适合使用高增益天线呢？首先来看站轨距，如下图所示：图 15 站轨距对高增益天线的影响由上图可以看出，当边缘覆盖点相同时（即站间距相同），距离铁轨越近，铁路覆盖范围越大，站下空洞区域越小。

如果站间距过大，情况又会如何呢？如下图所示：图 16 站间距对高增益天线的影响由上图可以看出，当站轨距相同时，站间距。