高铁场景覆盖问题
高铁是交通运输现代化的重要标志，也是一个国家工业化水平的重要体现。中国高铁经过几代铁路人接续奋斗，实现了从无到有、从追赶到并跑、再到领跑的历史性变化。截至2023年底，全国铁路运营里程达15.9万公里，高铁里程达4.5万公里，在全球各国家中遥遥领先。随着高铁的快速发展，高铁移动通信用户数量也在快速增长，这为沿线地区的通信网络覆盖提出了更高的要求。
高铁场景的覆盖模型如图1所示。一方面，从高铁沿线连续覆盖需求考虑，高铁线路为典型的线型覆盖场景，对于单站覆盖，线路覆盖近点对天线下倾角的需求大于覆盖远点对天线下倾角的需求，天线的波束形态是否能兼顾远近点下倾角之差是影响线路能否连续覆盖的关键因素。另一方面，在传统安装方式下，由于天线下倾角和方位角的调整，其天线主波束在地面投影与高铁线路存在一定的夹角。
图 1 高铁线路三维覆盖模型
为了实现铁路从近点到远点的连续性覆盖，基站天线的垂直半功率波束宽度应该大于远近点下倾角值的差。因此，使用传统的基站天线，70%的站点无法支持对高铁专用网络的连续覆盖。
“比萨天线”姿态调整创新方案
为了解决传统天线无法提供连续覆盖的问题，基于高铁线路三维覆盖模型，提出了天线姿态调整技术，使天线的波束投影能够覆盖高铁的线路面积并兼容所有类型的站点。
波束投影优化技术
为了使天线地面波束投影与高铁线路的夹角减小，可以调整天线的部署姿态，通过下倾角和方位角的调节，使天线的法线方向（此处假设天线法线方向即为最大增益方向）指向高铁线路，天线法线与高铁线路相交的点我们定义为轴点，以此法线方向为轴线，在下倾面内旋转天线，实现波束在地面投影围绕轴点旋转，最终达到与高铁线路重合的效果。通过调整方位角、下倾角和横滚角三个参数来优化基站天线的波束投影，使天线波束与直线轨道线完美对齐。然而，由于安装精度和横滚角调整不便，该方法在实际高铁线路应用中面临重大挑战。
图 2 比萨姿态调整原理
下倾角联动横滚角调整技术
通过下倾角调整方位与方位角调整方位分离技术，实现仅调整下倾角，实现横滚角姿态的联动调整。在该方案中，只需要调整下倾角和方位角即可实现波束地面投影与高铁线路重合。该天线部署方法在实际应用中简化了调整参数，提高了可操作性，实现了效果更好的无缝覆盖。
基于下倾角联动横滚角调整技术，我们设计了集成式“比萨天线”和独立式“比萨天线”。对于集成式“比萨天线”，通过V型反射板将左右两副天线集成在一起，共用一个天线罩。对于独立式“比萨天线”，通过工装组件替换对旧场景进行改造，直接利用现有高铁天线，替换具有比萨姿态调整功能的组件，提升线路覆盖连续性。
“比萨天线”作为线型场景的覆盖优化方案，前期已在河南、江苏、安徽、江西、四川等省公司多条线路实现高铁“比萨天线”外场试点。通过外场测试，比萨天线在大站间距覆盖效果相比传统高铁天线有明显提升，在场地适应性、安装方便性和覆盖效果等方面具有明显的优势。
总结与展望
本文提出了一种高铁线型场景的覆盖优化方案，通过天线姿态调整技术，解决了传统方案覆盖不足的问题，实现了天线波束在地面投影与高铁线路的重合，可兼顾远近点下倾角差异30°，基本涵盖全线路站点。
同时，中国移动已在多个省份多条线路实现高铁“比萨天线”应用，效果突出，即将启动规模部署。比萨天线姿态调整技术结合绿色低损耗高增益天线技术作为线型场景的覆盖优化方案，受到产业的强烈关注，不仅适用于高铁沿线覆盖，还可以向长桥、河道、高速、航线等更多场景延伸应用，预期将在更多“信号升格”重点场景的覆盖发挥价值，助力提升网络质量和优化用户感知。
审稿：李男 | 无线与终端技术研究所
本文作者
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