一、概述

在高铁覆盖中，一般都是采用高增益定向天线进行覆盖，高增益天线虽然增益大，对远端的覆盖好，但同时高增益天线也存在主波瓣角度小，对副波瓣抑制度大的缺点，而高铁动车组车体损耗大、速度快，对于副波瓣覆盖路段能否覆盖好需要做详尽研究分析，特别是对LTE网络这样频段较高的网络更是如此。

二、LTE高铁覆盖链路预算

2.1 平地模型

当动车内2.1GHz LTE信号强度需-105dBm以COST-231 HATA模型为参考：Lp（dB）=[15+33.9lgf-13.82lghb-α(hm)] + [44.9-6.55lghb] lgd +Cm

可得出不同的天线高度的最远覆盖距离如下表所示：

表1：高铁覆盖不同场景时最远覆盖距离

可见，在同样的LTE RRU情况下，使用23dBi的天线只要25米高的铁塔就能覆盖750米，使用21dBi的天线铁塔的高度需要为35米。

2.2 高架桥模型

COST-231Hata模型和Okumura-Hata模型是主要用于的宏小区传播模型，对于高铁高架等无遮挡情况需要采用参考模型，入射角损耗参考模型。郊区要求车厢内边缘信号强度大于-105dBm，此时进行模型计算：RxL ≤（Pout +Gant）－LK－β－Lc

可以算出下表其他情况的覆盖距离：

表2：高架桥场景不同增益和不同天线高度最远覆盖距离

天线高出列车窗口、能直视的情况下（天线杆距铁路垂直距离50m或100m，比铁路高架高出5~6米，天线与铁路之间没有树木、建筑物遮挡）。

三、LTE高铁覆盖副波瓣覆盖预算

3.1 LTE高铁覆盖副波瓣覆盖预算原理

由于上述的覆盖预算都是以主波瓣增益进行预算的，因此主波瓣（即半功率角范围）覆盖范围是没有问题的，如下图所示的线D1和D2所包围的覆盖路段S2。

图1：副波瓣覆盖高铁示意图

而副波瓣覆盖路段S1虽然距离天线路径损耗小，但由于不知道这个范围内天线的实际增益，因此要得出副波瓣各方向上的三维增益，并根据该方向上的路径损耗进行综合评估，得出是否能完成覆盖的结论。

由于现在天线准确的方向图只有水平面和垂直面两个平面方向图，而无法给出天线任意方向的三维方向图，进而根据该方向的路径损耗进行链路预算，要计算出高增益定向天线副波瓣的覆盖性能需要经过以下步骤：

1、根据覆盖距离、天线增益、天线挂高和与铁道的垂直距离计算出主、副波瓣的覆盖路段，因为有多个要素因此有多种结果；

2、依次选取天线伤多个覆盖铁道的水平面和垂直面的副波瓣组成的三维方向角度，根据这些角度计算该方向上的增益；

3、根据该天线覆盖铁道方向的增益及路径损耗，看是否能达到覆盖要求。

因此根据参考文献【1】的计算方法在已知的水平面和垂直面两个平面方向图得出任意方向的方向图，计算方法摘录如下：

根据这个方法进行方向图的预测，与天线各方向实际的增益误差不会超过5dB，精度较高，由此得出的方向图是可以信赖的。

3.2 LTE高增益天线副波瓣覆盖链路预算

高铁水平波瓣和垂直波瓣覆盖角度示意图如下面两个图所示：

根据各采用的21dBi×32°×6°和23dBi×16°×6°的2GHz天线的水平和垂直波瓣图，估算出水平面和垂直面任意角度的增益下降dB数，由于天线的方向图中有些很深的陷波，这些陷波占据的角度宽度都非常小，因此对覆盖不会造成很严重的后果，所以需要将其进行均化处理，因此可根据方向图拟定任意方向角上的增益：

表3：21dBi和23dBi板状天线水平垂直任意角度估算

以3°为角度宽度单位列举增益下降dB数，，除个别深度陷波由于角度宽度很小，对覆盖影响不大，因此做了均化处理外，除此之外误差最大不超过2dB。根据上面两个算式及增益衰减表可以得出某种情形的覆盖预算，具体如下表：

表4：平地模型情形之1副波瓣覆盖电平计算

表中：S为任意选取的水平或垂直副波瓣覆盖的铁轨长度；

d为站址距离铁轨的垂直距离；

H为覆盖天线与MS的高度差；

φ为覆盖距离为s的天线水平偏离角度，φ=φ1/2 +φ1’- arctan(S/d)；

GH₍φ₎ 为水平方向偏离φ时增益下降dB数，通过查表6得出；

θ为覆盖距离为s的天线垂直偏离角度，θ=θ1/2 +θ1’- arctan(S/H) ；

Gv₍_θ₎ 为垂直方向偏离θ时增益下降dB数，通过查表3得出；

G₍φ_θ)为水平方向偏离φ、垂直方向偏离θ时的天线增益下降dB数，通过文献【1】的计算方法得出；

L_s为覆盖天线与铁轨距离为s位置的路径损耗，由于距离较短，采用自由空间损耗加上车辆损耗及衰落储备得出，即 L_s= 32.5+20Log（2.17GHz）+20Log(（s^2+d^2+H^2）^0.5) + 21 + 8,其中32.5为自由空间损耗常数，2.17GHz 为LTE系统工作频率，21为车辆损耗，8为衰落储备。

L_L为最大覆盖距离时的路径损耗值，L_L=129+24=153dB；

R_XL为距离为s的覆盖电平，R_XL= -95+L_L- L_s+G₍φ_θ)。

同理按照上面的计算方法，可以得平地模型和高架桥模型各种情形的副波瓣覆盖情况，集结为下表：

注1：32°×50×9表示天线增益为21dBi，距离铁轨距离50米，天线相对MS挂高9米的情形。表5：平地模型情形1副波瓣覆盖电平计算

由于是采样进行计算，因此实际范围可能会超出上表所列范围3dB左右。但以上所有情形下最小覆盖电平为-91dBm，即使减去3dB误差也有-93dB的覆盖电平，不影响覆盖。在大量的数据分析中得到以下有用的结论：

1、接收电平小于-80dBm的区域都是在覆盖距离为小于50米的范围，而天线对这段距离覆盖由于入射角度大，车辆损耗小，因此实际覆盖电平要大于本文预算的覆盖电平。

2、23dBi天线副波瓣覆盖路段平均接收电平要小，这是增益大的能量更为集中，天线副波瓣抑制度大有关。

3、23dBi天线虽然副波瓣覆盖铁轨距离大，但最低覆盖电平要好于21dBi天线，而其覆盖距离又明显强于21dBi天线，说明23dBi的板状定向天线比21dBi的板状定向天线用于线状覆盖时更有优势。

4、目前考虑设备的导频功率为38dBm，是一个相对较大的值，当导频功率降低时，由于副波瓣覆盖距离缩短，副波瓣是可以更好的完成覆盖的。

5、由于天线增益越高，主波瓣角度越小，因此在实际工程应用中调校天线覆盖方向时要特别注意方向要准确，要根据天线挂高和天线距离铁轨的距离计算天线的水平下倾角和与铁路的夹角，否则很容易造成部分区域覆盖不足的问题出现。

四、总结

通过前文大量的计算和分析，可以得出的结论是采用21dBi和23dBi天线进行高铁覆盖时副波瓣覆盖范围的接收电平完全可以达到设计要求，且增益大的天线副波瓣覆盖最低电平要好于增益低的天线。当然以上的计算完全是通过理论的方法得到，可以通过实际路测进行验证。