淺析高速鐵路3G通信覆蓋及切換技術(shù)

青麗

【摘要】 本文首先介紹了高速鐵路移動通信基本情況，分享了高速鐵路通信系統(tǒng)建設(shè)中無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)存在的問題，并提出了具有可行性、有效性的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案以及快速切換技術(shù)，以優(yōu)化高速鐵路無線移動通信服務(wù)。

【關(guān)鍵詞】 高速鐵路 3G通信 切換技術(shù)

目前由我國聯(lián)通運營的WCDMA、電信公司運營的CDMA2000以及移動公司運營的TD-SCDMA是國際上應用比較成熟的3G通信技術(shù)三大標準。高速鐵路環(huán)境的特殊性以及越區(qū)切換的頻繁導致車載用戶經(jīng)常出現(xiàn)掉話現(xiàn)象以及語音斷續(xù)和無法接通的情況。為了提高高速鐵路無線移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，應進一步優(yōu)化高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案、優(yōu)化切換技術(shù)，從多個方面提高切換切換成功率和較低的掉話率。

一、高速鐵路移動通信基本情況

我國鐵路自2007年經(jīng)過6次提速后。高速鐵路列車速度到達200km/h以上，這也意味高速鐵路時代的到來。隨著移動通信技術(shù)的發(fā)展，高速鐵路實現(xiàn)移動通信網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋以及提高移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量是當前的一個重要發(fā)展目標。分析高速鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，通信網(wǎng)絡(luò)主要是沿著鐵路線呈線狀分布。高速鐵路無線通信信號受到的影響主要有兩個方面，一是多普勒頻移效應，即列車沿鐵路高速運行過程中由于快速移動引起的接收機信號頻移；二是車體對無線通信信號的消耗，主要是高速鐵路新型列車造成的消耗。同時，越區(qū)切換問題也會對高速鐵路無線通信信號造成一定影響。

1.1多普勒頻移效應的影響

無線信道容易受到環(huán)境影響，在列車高速行駛的情況下，鐵路無線信道的沖擊響應也會隨著發(fā)生快速變化，無線信號中心頻率會在多普勒頻移效應的影響在發(fā)生明顯偏移，對無線信道環(huán)境造成嚴重負面影響，進而造成系統(tǒng)信息傳輸誤碼率提高，影響移動通訊性能。列車沿鐵路高速運行時產(chǎn)生的多普勒頻移效應與列車行駛的速度成正比關(guān)系，所以列車行駛速度越快，其產(chǎn)生的多普勒頻移效應越明顯。另外，列車行駛方向與基站信號方向之間的夾角大小對多普勒頻移效應的強弱也用一定影響。在實際情況當中，為了增強無線信號的穿透能力，

基站往往被設(shè)置在距離軌道較近的位置，這樣可以有效增強無線信號的穿透能力，然而這種情況下行駛方向與基站信號方向之間的夾角較小，可導致多普勒頻移效應加劇。

1.2車體的影響

車體對無線信號的損壞體現(xiàn)在兩個方面，一是列車結(jié)構(gòu)特點，二是車廂入射面與信號的夾角。為了加強車體的穩(wěn)固性，高鐵列車都是全封閉式結(jié)構(gòu)，而且部分高鐵列車還采用金屬鍍膜玻璃，列車的高度密閉性以及材質(zhì)的特殊性就可以導致無線信號穿透列車時產(chǎn)生極大的損耗，相比其他普通列車對無線信號的損耗，高鐵列車對無線信號的減弱要高出10dB以上，而且對手機信號產(chǎn)生的屏蔽效果超過24dB，對用戶的正常通訊造成極大影響。下面是幾種列車對無線信號的損耗情況：

另外，車體對無線信號的損耗同時也受到車廂入射面與信號之間夾角大小的影響，夾角越小，損耗越大。

1.3越區(qū)切換的影響

除了多普勒頻移效應以及車體的影響以外，高鐵列車的越區(qū)切換也會對無線信號造成一定影響。對于小區(qū)間的切換區(qū)，列車可以快速穿過，車速與列車經(jīng)過切換區(qū)的時間成反比，移動速度越快，駐留時間越短，當列車速度在切換區(qū)的駐留時間足夠短，并且小于系統(tǒng)最小切換時間時，切換流程就無法完成，，進而導致切換失敗，出現(xiàn)掉話現(xiàn)象。

二、高速鐵路的移動通信無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋

為了減小掉話率，提高切換率，設(shè)計合理、有效的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案非常關(guān)鍵。在鐵路交會區(qū)域內(nèi)，移動通信網(wǎng)絡(luò)多呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而其他鐵路沿線大部分多為鏈狀結(jié)構(gòu)。在高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的設(shè)計中，主要內(nèi)容包括三個方面一是建網(wǎng)，二是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)的選擇和應用，三是基站的選址，其中鐵路沿線各基站的相關(guān)部署是非常重要的環(huán)節(jié)。

2.1建網(wǎng)

移動、聯(lián)通以及電信三個運營商均采用大網(wǎng)架構(gòu)的組網(wǎng)方式，與一般的建網(wǎng)相比，高速鐵路基站的建立沒有什么區(qū)別，也在大網(wǎng)架構(gòu)之內(nèi)，所以高速鐵路的建網(wǎng)只需要對原來的通信網(wǎng)絡(luò)進行有效補充。一方面對現(xiàn)有的大網(wǎng)基站進行進一步優(yōu)化，另一方面在鐵路沿線的盲點建立新的基站，通過對有效資源的優(yōu)化以及基站補盲，不僅使周邊各區(qū)域均能實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時也滿足了高速鐵路沿線的無線網(wǎng)絡(luò)通信需求。移動網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展和優(yōu)化，高速鐵路沿線基本上完全實現(xiàn)了移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋，只有一些較特殊的區(qū)域路段，例如長隧道、隧道群等的移動網(wǎng)絡(luò)覆還比較欠缺，此時可采用局部補盲的方式解決，這種方法雖然成本少、見效快，但適用范圍有限，比較適合用于無線信號損耗較小的列車線路，例如合武鐵路湖北段的建設(shè)就是采用這種方法。另外，高速鐵路沿線附近很多小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋因為不是專門針對高速鐵路進行的覆蓋，所以多存在覆蓋不均勻、覆蓋重疊等情況，很容易造成切換失敗，所以有必要針對高速鐵路的特殊環(huán)境建設(shè)專門的移動通信網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)投入使用的移動通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法有地面專網(wǎng)建設(shè)（例如溫福鐵路、甬臺溫鐵路）、車地結(jié)合專網(wǎng)建設(shè)等。

2.2無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

建網(wǎng)完成后就需要設(shè)計無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，在有效的建網(wǎng)策略基礎(chǔ)上，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的設(shè)計可以根據(jù)實際需要盡量體現(xiàn)出靈活性、多樣化。例如基站與普通直放站結(jié)合、列車綜合接入、基帶處理單元+射頻拉遠模塊擴展小區(qū)等都是比較常用的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，其他還有數(shù)字直放站擴展小區(qū)、列車中繼轉(zhuǎn)發(fā)等方案。高速鐵路不同路段可以結(jié)合具體條件和實際需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。例如京津城際、滬寧高鐵主要采用的是基帶處理單元+射頻拉遠模塊擴展小區(qū)方案，另外通過設(shè)置直放站對部分路段進行輔助?；鶐幚韱卧枰蟹胖茫饕撠熖幚砘鶐зY源，實現(xiàn)基帶資源共享，并通過光纖與射頻拉遠模塊連接。射頻拉遠模塊的位置設(shè)置比較靈活，利用射頻拉遠模塊可以拉遠基站，使多小區(qū)的合并，進而擴大覆蓋范圍，減少切換頻率。在切換區(qū)的設(shè)置過程中，要注意切換區(qū)的大小要設(shè)計合理，如果切換區(qū)太小，就會因為列車駐留時間太短，還沒來不及切換就已經(jīng)穿過切換區(qū)，容易引起掉話現(xiàn)象。切換區(qū)的大小可以根據(jù)列車移動速度以及距離來確定，同時，預留適當?shù)挠嗔恳彩潜仨氁紤]到的問題。

2.3基站選址的優(yōu)化

基站選址優(yōu)化是指通過對高速鐵路沿線基站數(shù)量以及基站位置的優(yōu)化以達到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的目的，基站的優(yōu)化過程應遵循經(jīng)濟性、實用性、有效性原則，盡可能以較低的成本實現(xiàn)獲得高性能的網(wǎng)絡(luò)。蜂窩小區(qū)作為移動通信系統(tǒng)的基本單元，其幾何特性對信號同頻干擾有一定關(guān)系，同時也會影響越區(qū)切換，因此在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，基站選址優(yōu)化是最重要的內(nèi)容，同時也是最為復雜的環(huán)節(jié)。近年來隨著3G技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多種關(guān)于3G基站選址的方案，例如基于仿生學算法的方案、基于免疫計算的方案、基于遺傳算法的方案等，各種基站選址優(yōu)化方案對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)的發(fā)展都有著重要意義。

三、切換技術(shù)

處于通話狀態(tài)的用戶與基站之間的都存在一定的通信鏈路，在通訊終端高速移動的過程中，用戶與當前基站之間的通信鏈路要轉(zhuǎn)移奧下一個基站并保證通話不被中斷，該過程就是切換過程。通常情況下，切換主要有硬切換和軟切換兩種，通訊終端與舊基站的連接終端后再建立與新基站的連接稱為硬切換；通訊終端高速移動并經(jīng)過多個蜂窩時通話不發(fā)生中斷，此時通訊終端可以與多個基站相連接，此為軟切換。硬切換方式不涉及移動交換中心，只是發(fā)生于蜂窩內(nèi)部。在列車沿高速鐵路運行過程中，由于環(huán)境因素的影響，可能會發(fā)生多種不同的切換，不僅會發(fā)生硬切換、軟切換，另外還可能發(fā)生虛擬軟切換和更軟切換。CDMA系統(tǒng)采用的是軟切換和更軟切換，WCDMA系統(tǒng)采用的切換方式主要是硬切換、軟切換，虛擬軟切換是一種接力切換方式，介于硬切換和軟切換之間，TD-SCDMA采用的就是這種切換方式。相比其他切換方式，接力切換方式結(jié)合了硬切換和軟切換兩種方式具備的優(yōu)點，同時又彌補了兩者的缺點，這種切換方式切換成功率高，掉話率低。

切換成功與否主要取決于兩個方面，一是切換距離，二是覆蓋小區(qū)的重疊距離，兩個因素值與切換時間以及通訊終端的移動速度成正比關(guān)系。由于小區(qū)雙向切換的影響，切換距離與覆蓋小區(qū)重疊距離之間應該是1比2的關(guān)系。從原理上分析，越區(qū)切換的性能與蜂窩小區(qū)的幾何特點有著密切聯(lián)系，所以無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的合理性設(shè)計非常重要，需要針對實際情況進行優(yōu)化，并選擇高效、快速的切換算法，減少掉話率，提高切換成功率。

四、結(jié)論

無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)是高速鐵路3G通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，加強對移動通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究對促進高速鐵路發(fā)展有著重要意義。目前，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)仍處于發(fā)展階段，還需要進行不斷研究、探索以進一步提高網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)性能以及高速鐵路無線移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。

參 考 文 獻

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