高鐵無線網(wǎng)絡特殊場景覆蓋解決方案

田桂賓，許勇，石朗昱

（中國移動通信集團設計院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830011）

1 前言

隨著高速鐵路（簡稱高鐵）在全國范圍的迅速建設，火車時速由120km提升至250km，由于受到高速移動過程中的快衰落、多普勒效應、列車材質(zhì)對無線信號衰減以及無主導覆蓋小區(qū)的影響，在高速列車上將會出現(xiàn)切換混亂，接通率低，掉話率高等現(xiàn)象。如何確保高鐵覆蓋質(zhì)量，為用戶提供高可靠的通話質(zhì)量是移動通信網(wǎng)絡建設面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2 高鐵建設難點分析

2.1 多普勒頻移影響分析

多普勒效應是指因波源或觀察者相對于傳播介質(zhì)的運動而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。在移動通信系統(tǒng)高速場景下，多普勒效應尤其明顯，由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移：

按火車時速250km/h計算GSM 900/1800MHz網(wǎng)絡頻率偏差為：

根據(jù)相關參考文獻，話音差錯率要求為10-3～10-4，多普勒頻移量級為0.01Bw～0.02Bw，即數(shù)據(jù)速率應超過衰落速率的100～200倍。由此可知GSM最大可以抗多普勒頻移1.3kHz，417/833Hz的頻偏，處于接收機接收允許范圍。目前高速鐵路給GSM網(wǎng)絡帶來的影響中，多普勒頻移不是主要因素。

2.2 高速環(huán)境對GSM網(wǎng)絡切換的影響

GSM切換時間主要包括：

（1）測量時間。按照GSM規(guī)范規(guī)定，通話模式下，MS在一個SACCH測量周期內(nèi)（480ms），向BTS上報一次6個最佳相鄰小區(qū)。

（2）BSIC碼解調(diào)時間。為區(qū)分不同小區(qū)，MS至少每10s解調(diào)1次小區(qū)列表中的BSIC（基站識別碼），在新出現(xiàn)小區(qū)的情況下，需要在5s內(nèi)解調(diào)出BSIC。

（3）BSC及MSC切換處理時間。通過對切換消息的跟蹤分析，從切換請求發(fā)起到切換完成釋放源小區(qū)資源。

根據(jù)切換時間可算計算出不同列車時速所需要的切換帶距離長度，如表1所示。

表1 不同車速小區(qū)間所需切換帶距離表

2.3 網(wǎng)絡結(jié)構分析

在進行高鐵建設時，我們將高鐵和鐵路附近區(qū)域的網(wǎng)絡稱為為大網(wǎng)和將僅覆蓋高鐵帶狀區(qū)域的稱為專網(wǎng)，兩種方式優(yōu)缺點比較如表2所示。

充分考慮網(wǎng)絡質(zhì)量、后期網(wǎng)絡維護及優(yōu)化，建議網(wǎng)絡結(jié)構采用專網(wǎng)方式建設。

表2 兩種方式優(yōu)缺點比較

2.4 穿透損耗影響分析

在中國鐵路提速使用的車型為CRH1或CRH2型動車組，該車組最高運營速度為200～250km/h，車體采用不銹鋼或鋁合金材料，屏蔽性比普通列車高，對網(wǎng)絡質(zhì)量影響很大。表3為車體運行速度、車體材料及穿透損耗值。

3 高鐵無線網(wǎng)絡特殊場景覆蓋解決方案

3.1 隧道及防風明洞環(huán)境下無線網(wǎng)覆蓋解決方案

隧道及防風明洞覆蓋具有如下特性：

（1）屏蔽性強。隧道一般都位于山體內(nèi)部，而防風明洞多為鋼筋混凝土結(jié)構，對無線信號有40dB以上的衰減，室外宏蜂窩基站信無法滿足隧道內(nèi)基本通話需求。

表3 車體運行速度、車體材料及穿透損耗表

（2）火車填充效應明顯。當火車經(jīng)過隧道（或防風明洞）時，車體基本填滿了切面空間，無線信號在隧道（或防風明洞）內(nèi)的傳播受到很大的阻礙。

（3）話務量低。在隧道（或防風明洞）內(nèi)，用戶多為列車上用戶，非列車用戶一般很少進入覆蓋區(qū)域，話務量較低，網(wǎng)絡建設應以解決覆蓋，滿足列車上用戶接入為主。

（4）對網(wǎng)絡指標影響大。通過現(xiàn)網(wǎng)測試發(fā)現(xiàn)，因隧道（或防風明洞）覆蓋不足造成的掉話、接入失敗等問題，對影響網(wǎng)絡指標影響最為突出。

3.1.1 傳播模型的選取

在隧道內(nèi)，無線電波傳播與開闊空間傳播環(huán)境明顯不同。由于車體填充效應及墻壁發(fā)射與直射的影響，在隧道內(nèi)無線電波以直射徑為主。根據(jù)ITU-R建議，針對隧道環(huán)境提出如下傳播模型：

3.1.2 信源+GRRU+室內(nèi)分布系統(tǒng)

GRRU是基于采用數(shù)字中頻技術的光纖傳輸，能夠克服模擬光纖傳輸時信號的信噪比惡化，具有大動態(tài)、低噪聲的優(yōu)點，具有較高的可靠性。每個GRRU近端機可級聯(lián)24臺遠端機，最大傳輸距離20km，可有效減少小區(qū)數(shù)量，降低切換次數(shù)。

由于隧道及防風明洞穿透損耗較大，在該類區(qū)域主要采用小功率多天線的設計理念進行建設。為保證信號均勻分布，且實現(xiàn)對覆蓋范圍的有效控制，降低干擾，提高系統(tǒng)容量。

根據(jù)式（2），GRRU設備發(fā)射功率按60W計算，每站配置6載頻，依據(jù)無線鏈路預算，以室外宏蜂窩+GRRU做信源，單個GRRU+天饋系統(tǒng)能夠滿足1200m范圍的覆蓋，單個扇區(qū)最覆蓋范圍為20km。

建設方案：以室外宏蜂窩為信源，每1200m安裝GRRU設備1部，從GRRU引13/8＂饋線沿隧道邊沿安裝，通過耦合器將信號饋入八木天線，實現(xiàn)隧道內(nèi)信號均勻覆蓋。

3.1.3 方案分析

（1）該方案具有上行噪聲抑制特性，能夠保證良好的網(wǎng)絡質(zhì)量。

（2）采用分級饋入方式建設，信號分布均勻。無線信號通過13/8＂饋纜由耦合器分級饋入天線。通過合理調(diào)整耦合器耦合度，從而確保信號在各個天線點信號分布均勻，有效保證車廂內(nèi)用戶接收電平平坦一致。

（3）后期網(wǎng)絡維護量小。室內(nèi)分布系統(tǒng)采用13/8＂饋纜，沿隧道或防風明洞邊沿安裝并加子管保護，除定期檢測及特殊故障處理外，一般不需要特殊維護。

（4）減少了中間鏈路損耗。由于GRRU采用光纖級聯(lián)，降低了中間鏈路損耗，減少小區(qū)數(shù)量，降低了跨小區(qū)切換次數(shù)，能夠有效提高網(wǎng)絡性能。

3.2 廣域場景下無線網(wǎng)覆蓋解決方案

3.2.1 傳播模型的選擇

在廣域場景下，傳播模型采用——COST 231修正模型。

3.2.2 信源的選?。菏彝夂攴涓C

宏蜂窩基站發(fā)射功率高，承載話務量較大，能夠有效保證網(wǎng)絡覆蓋及網(wǎng)絡容量，是提高網(wǎng)絡覆蓋能力的有效解決方案。進行設備選取時，充分考慮設備工作范圍，要求設備工作適應溫度范圍較大，建議選用室外型基站。

3.2.3 分布式天饋線的選取：信源+GRRU+光纜

為有效提高無線覆蓋能力，建議選用高增益、賦型、寬頻。

（1）與其他區(qū)域不同的是，高鐵區(qū)域為線狀區(qū)域。在進行天線選型時，應滿足鐵塔配重風荷的要求，并盡可能選用高增益天線，一般建議采用18dB和21dB天線。

（2）利用賦型天線能夠?qū)Ω哞F區(qū)域形成有效條狀覆蓋。一方面能夠有效控制覆蓋范圍，減少大網(wǎng)用戶切入專網(wǎng)的概率，保證大網(wǎng)容量，另一方面能夠提高網(wǎng)絡覆蓋能力。

（3）為保證今后其他系統(tǒng)(如LTE系統(tǒng)等)的有效接入，應選取寬頻（900MHz～2500MHz)天線進行建設。

3.3 橋梁上無線網(wǎng)覆蓋解決方案

在高鐵沿線由于部分區(qū)域為常年有水的河床或有水區(qū)。高鐵工程多采用高架橋進行建設。在此類區(qū)域鐵塔建設難度較高，后期維護難度大，且存在極大安全隱患。尤其高鐵高架橋距地面高度超過40m的區(qū)域，如何安裝天線是工程建設的難點。

針對于該類區(qū)域，分為兩種方式進行建設：

（1）距地高度低于20m的橋梁。

對高度較低的橋梁，建議采用鐵塔方式建設。鐵塔高度=橋梁高度+25m。其建設方案同廣域場景。

（2）距地高度高于20m的橋梁。

對于高于20m的橋梁，如果繼續(xù)采用拉線塔建設，工程造價極高。為降低工程投資，無線建設方案：室外宏蜂窩+GRRU+室外分布系統(tǒng)。

以室外宏蜂窩+GRRU為信源，從GRRU引13/8＂饋線沿橋梁邊沿安裝，建設室外分布系統(tǒng)，實現(xiàn)橋梁上信號均勻覆蓋。

室外分布系統(tǒng)是利用光纖、饋線、功分器、耦合器等無源器件和干放等有源器件將信號源的信號分布到室外覆蓋目標區(qū)域的各個天線點，從而達到對室外目標區(qū)域覆蓋的一種移動通信覆蓋系統(tǒng)。其優(yōu)點是可以將信號分布到目標區(qū)域的每個角落，且每個天線口的功率較小，滿足環(huán)評要求。室外分布系統(tǒng)其結(jié)構組成與室內(nèi)分布系統(tǒng)相似分區(qū)覆蓋，滿足覆蓋和容量需求。為滿足高鐵安全性要求，天線抱桿應安裝斜撐，抱桿距離鐵軌應大于抱桿高度。

3.4 高鐵車站無線網(wǎng)覆蓋解決方案

火車站是重要的專網(wǎng)出入口，且在該類區(qū)域，用戶集中，話務量高。如果不能良好控制專網(wǎng)與大網(wǎng)的有效覆蓋范圍，合理設置鄰區(qū)關系，極易產(chǎn)生大網(wǎng)用戶無法有效進入專網(wǎng)，而造成掉話。

在火車站用戶分布區(qū)域主要包括火車站前廣場、火車站內(nèi)候車廳、站臺及火車車廂內(nèi)。如果不對網(wǎng)絡做特殊處理，大網(wǎng)和專網(wǎng)之間覆蓋區(qū)域相互重疊，為確保用戶上車后能順利進入專網(wǎng)，則火車站周邊的大網(wǎng)基站都要和覆蓋火車站的專網(wǎng)小區(qū)做鄰區(qū)關系，專網(wǎng)小區(qū)則很容易吸收非列車用戶而擁塞。為保證大型火車站專網(wǎng)用戶與大網(wǎng)用戶相對隔離，必須建設過渡小區(qū)。從而保證用戶上、下車能正常進、出專網(wǎng)。

專網(wǎng)僅負責高鐵沿線及站臺區(qū)域的覆蓋，在站臺區(qū)域與過渡小區(qū)重疊覆蓋，此時專網(wǎng)與過渡小區(qū)建立雙向鄰區(qū)關系，用戶通過過渡小區(qū)出入專網(wǎng)。而大網(wǎng)和專網(wǎng)之間不設置鄰區(qū)關系。這樣就能夠有效避免大網(wǎng)用戶被專網(wǎng)吸收，同時也為用戶從大網(wǎng)進出專網(wǎng)設置了專門的出入口，有效保證了網(wǎng)絡切換的成功率和網(wǎng)絡容量。

4 高速鐵路專網(wǎng)關鍵參數(shù)設置

4.1 頻率規(guī)劃

考慮到高鐵車廂穿透損耗大等因素，高鐵專網(wǎng)在郊區(qū)或空曠區(qū)域應選擇900MHz頻段組網(wǎng)。在特殊情況下（如密集城區(qū)高鐵沿線），由于無法提供高鐵專用900MHz頻點，可以采用1800MHz進行組網(wǎng)，但應合理設置站間距。

4.2 BCCH及TCH規(guī)劃

作為專網(wǎng)覆蓋，BCCH應當單獨規(guī)劃。從現(xiàn)有頻點中，預留10個頻點專用于鐵路專網(wǎng)小區(qū)BCCH。

專網(wǎng)TCH頻點盡可能單獨規(guī)劃，與大網(wǎng)隔離。

4.3 各層優(yōu)先級

由于高鐵專線途徑市區(qū)、郊區(qū)及空曠區(qū)等各類場景。在市區(qū)，存在900MHz大網(wǎng)及1800MHz網(wǎng)絡及高鐵覆蓋專網(wǎng)的情況，為保證用戶接通率，應當合理設置鐵路沿線各層的優(yōu)先級：

（1）專網(wǎng)設置為層1，優(yōu)先級最高。

（2）1800MHz一般為層2，優(yōu)先級較低。

（3）900MHz大網(wǎng)一般為層3，優(yōu)先級最低。

4.4 鄰區(qū)配置

為保證用戶上車后順利進入專網(wǎng)、全程占用專網(wǎng)、下車后順利離開專網(wǎng)，高鐵專網(wǎng)鄰區(qū)關系設置設置如下：

（1）專網(wǎng)入口：大網(wǎng)添加至專網(wǎng)的單向鄰區(qū)關系；

（2）專網(wǎng)出口：專網(wǎng)添加至大網(wǎng)的單向鄰區(qū)關系；

（3）非專網(wǎng)出入口：專網(wǎng)只添加至專網(wǎng)的雙向鄰區(qū)關系，不做與大網(wǎng)的鄰區(qū)關系。

4.5 切換參數(shù)

基本原則是減小切換判決門限及時間，加快專網(wǎng)小區(qū)之間的切換。表4為小區(qū)切換參數(shù)設置表。

表4 小區(qū)切換參數(shù)設置表

4.6 重選參數(shù)(建議著重說明與大網(wǎng)參數(shù)設置的差別)

（1）CBQ（Cell Bar Qualify，小區(qū)禁止限制），表5為CBQ與CBA組成小區(qū)的優(yōu)先級狀態(tài)。

表5 CBQ與CBA組成小區(qū)的優(yōu)先級狀態(tài)

（2）ACCMIN（接入最小電平值），建議設置為-95dBm。

（3）CRO（小區(qū)重選參數(shù)）：建議設置為5（10dB）。

（4）CRH：建議設置為2。

CRH只在地市邊界或從大網(wǎng)向入口專網(wǎng)重選時才起作用，類似于切換中的HO MARGIN和KHYST，因為高鐵車速快，所以CRH應盡可能小。

5 結(jié)論

針對高速運動對無線網(wǎng)絡影響關鍵因素以及高鐵車廂穿透損耗對網(wǎng)絡的影響進行詳細分析，本文提出了廣域場景、橋梁、隧道及防風明洞4種場景無線網(wǎng)絡覆蓋解決方案，希望能夠?qū)窈蟾哞F無線網(wǎng)絡的建設起到指導作用。

[1]中國移動通信集團公司.高速場景下TD-SCDMA覆蓋解決方案研究[z].2007.

[2]張長鋼,李保紅,李猛等.WCDMA無線網(wǎng)絡規(guī)劃原理與實踐[M].北京：人民郵電出版社，2005.

[3][美]William C Y Lee著，邱兆詳譯.移動通信設計原理[M].北京：科學技術文獻出版社，1990.

[4]軒黎明,楊大成.基于導頻信道進行傳播模型校正的方法.無線電工程,2004,34(5):13-14.