高铁沿线移动网络组网原则及方案探讨

FrankMarch

摘  要： 随着我国经济和高铁建设事业的高速发展，未来几年高速铁路将成为我国地面铁路客运的主流，旅客对旅途中移动语音和高速上网的通信需求也将日益迫切。就高铁场景下对移动网络组网的特殊要求进行分析，从组网原则和覆盖方案两方面对如何提高高铁环境下移动网络通信质量提出参考建议。
关键词： 高铁；多普勒频移；移动网络
中图分类号：TN929.5  文献标识码：A  文章编号：1671－7597（2012）0220030－02
近年来我国高速铁路建设事业飞速发展，多条城际快速铁路和高速客运专线开通运营，还有多条客运专线正在建设或列入今后的规划，可以预见，未来几年高速铁路将成为我国地面铁路客运的主流。随着3G移动网络的建成和日益普及，高速铁路旅客对旅行途中的话音和高速上网需求非常迫切，因此，改善高铁覆盖质量，对于提高客户满意度、提升运营商品牌形象至关重要。
高铁移动通信具有终端移动速度快、车体密封性能好、地形地貌复杂等特点。因此，面临的技术难题远比普通场景复杂。事实上，高铁场景下的移动网络通信质量与普通场景相比，也的确存在着不小的差距。
1 高铁覆盖面临的问题
高速列车车体密封性能好，运行速度快，车内网络质量较差，高速列车网络覆盖具有以下的特点：
1）列车高速运行中，多普勒频移影响明显。如图1所示，多普勒频移原理公式可写为：
式中：
：多普勒频移
V：列车速率
C：光速
C：载波频率
频移大小和运动速度及运动方向相关，速度越快频偏越大。因信号入射角度关系，频移具有时变特性，合成频率在中心频率上下偏移。当列出驶向基站时，频偏为正，当列出驶离基站时，频偏为负。另外，手机终端以下行频率为基准发送上行信号，因此基站接收机将承受2倍于终端的多普勒频移。
以350km/h的时速为例，在GSM 900Mhz频段，多普勒频移能够达到近300hz；在WCDMA 2000Mhz频段，多普勒频移最高能够达到650hz。
2）高速列车穿透损耗大，车体损耗最大达到24dB左右（各种高铁车型穿透损耗参考值如表1所示）。为了保证车内覆盖信号强度达到-95dBm，车体外信号至少需要达到-65～-70dBm左右。
注：以上数据供参考，实际值与入射角、多径等多种因素有关。
3）高速列车运行速度快，按照现行CRH3车型最高时速380km/h计算（上海磁悬浮列车最高运行速度更是高达432km/h），每秒列车运行约105.6米。以WCDMA制式为例，根据切换算法时间的估算，完成2次快速切换的时间为5～6秒，设计考虑为7～8秒。为了保证切换的顺利完成，需要足够大的小区重叠覆盖距离（切换带）。表2列出了各种速率下对重叠覆盖距离的需求。
4）高铁线路上经过的桥梁隧道等特殊场景较多，沿线及周边的交叉覆盖导致组网复杂，特别是车站、市区等地方公网与专网交错覆盖导致接入困难。
2 高铁覆盖难题的解决方案
1）多普勒频移。根据第三代移动通信系统的要求，移动终端应具有从静止环境到500km/h移动环境的适应能力。移动通信信道通常为多径时变衰落信道，也就是说，接收信号的幅度和相位会随时间发生随机变化。一般情况下，接收机都是通过接收导频（pilot）信号，估计出多径信号的幅度和相位信息，并最终实现所需的相干接收。多普勒频移的估计方法主要包括基于信道相关特性的估计、基于电平通过率（LCR）的估计和基于开关分集的估计等。在实际应用中，这些方法的估计误差受信噪比和车速影响较大，因此可以利用信噪比估计技术进行修正，进而大大扩展这些估计方法的应用范围。
2）重叠覆盖距离。移动台在服务小区的信号强度衰落到一定程度，会触发小区重选（idle模式）或者切换（Active模式）过程。为确保重选或者切换顺利完成，我们必须保证在手机顺利进入新小区之前，当前小区的信号不会衰落到门限值以下，否则空闲的手机可能脱网（No Service Mode）、或者通话中的手机掉话（切换失败）。因此，相邻小区间重叠覆盖区域的大小的设计就非常重要。
系统在判断是否要进行越区切换时，可以遵循不同的准则，一般包括：接收信号强度、载干比、业务负载和移动台距离等。实际应用中，测量信号载干比有一定的困难，网络负载做为判决依据时其适用范围有限，计算移动台距离也难以保证精度，因此，多数移动通信系统都以接收信号强度做为切换判决的依据。
GSM系统中，小区重选与小区切换需要一定的时间来完成接续工作。小区重选规则中，当移动台测量到邻小区C2值高于服务小区C2值且维持5秒钟，将发起小区重选。如果是跨位置区重选，则邻小区C2值必须高于服务小区C2与CRH（小区重选滞后值）的和且维持5秒钟，再发起小区重选和位置更新。切换则由网络和移动台共同完成，在切换规则中，当邻小区信号强于服务小区，网络即可发出切换命令，不需要额外等待5秒钟，切换过程大约3秒内完成。所以，工程应用时对相邻小区重叠覆盖距离的设计要优先满足小区重选的时间要求，即10-12秒左右。
WCDMA系统中，有两种状态的切换：通话和起呼。通话状态的切换所需时间大约为0.7秒，起呼状态的切换大约为2.4秒。考虑到切换的可靠性，各厂家设备参数的异同性，及基站设置周边的传播环境，重叠覆盖距离和切换参数的设置要根据具体情况分析确定。
3）多径快衰落及高铁车厢穿透损耗大。快衰落变化速度与UE行进速度、工作频率有关（衰落平均速度2v/λ），对于2.1GHz，350km/h的高铁列车，快衰落变化速度约为1360Hz，变化幅度高达几十dB。当UE速度大于150km/h时，WCDMA/GSM功控失效，快衰落影响系统性能。对此，通常可采取的办法有：基站天线接收分集；提高覆盖设计指标，使高铁沿线保持较高的主服务小区覆盖电平，留一定余量抵抗快衰落；选用可以有效克服多普勒频移的基站设备，对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。
对于高铁车厢穿透损耗大的问题，可以采取技术手段，增强上下行信号，穿透车体，扩大基站覆盖范围；同时在高铁沿线的基站选址时，要考虑掠射角不能过小（覆盖边缘≥10度），保证基站与铁轨有一定距离；另外，也可采用车载直放站方式，在高铁列车顶部设置天线集中接收，通过分布系统覆盖车厢内部。
3 组网及参数优化原则
3.1 基站站址及参数设置
基于上述对高铁沿线覆盖难题解决方案的分析，要较好地解决高铁环境下的通信问题，在高铁沿线基站建设及参数的设置和优化中应满足“三快、两慢、两大、一准”的原则，即：接入快、重选快、切换快；链路删除慢、压缩模式启动慢；LAC区范围大、RAC区范围大；邻区配置要准，不可过多，也不可缺失。相关参数的调整还应结合各厂家之间的差异性以及现场实际情况（如站间距）等因素综合考虑。
3.2 组网方式的选择
针对高铁沿线的移动网络覆盖，目前有两种典型的组网方式：公网方式和专网方式。公网方式是把高铁沿线的覆盖融入周边大网统一规划和考虑，专网方式与公网方式有明显不同，它采取的是高铁沿线单独组网的模式，因此高铁专网和周边的大网相对独立，除高铁车站区域外，高铁专网基站和周边大网基站不设邻区关系，或者说高铁沿线的专网与周边大网不会发生切换。表3列出了公网方式和专网方式的比较。
工程实际中，应该考虑高铁所处的地理位置、地貌、容量需求、现网站址等因素，因地制宜地选取组网方式。一般来说，在高铁沿线用户较多、且列车运行速度小于200km/h的市区范围内，可采用公网方式。而在列车运行时速较高的郊区和农村，以专网方式组网为宜。
3.3 覆盖策略
高速铁路呈狭长带状分布，区域跨度大，沿途经过车站、地面、高架桥、地堑、隧道和桥梁等多种地形、地貌。在明确具体的覆盖方案之前，需要结合地形场景、覆盖质量指标、列车速度、基站与轨道距离，进行链路预算，确定站距要求。
由于天线入射角更多的影响车体穿透损耗，车体穿透损耗与入射角的大小有关，垂直入射时损耗最小，因此尽量使基站与铁路保持一定距离，具有一定的入射角。一般来说，掠射角应大于10度，建议基站与铁路距离在50米以上，最佳间距100-500米。天线挂高设置应考虑铁轨高度，宜高出轨面15米以上，保证天线与轨面视通。
天馈选择上，站点与铁轨距离较近时（小于100米），选用窄波束高增益天线，如33度21dBi天线；站点与铁路距离较大时（大于100米，小于500米）可选用65度18dBi天线；在城区站距较近条件下，天线增益建议为16dBi，在郊区宜采用单极化双天线，城区宜采用双极化单天线，实现接收分集。若建设铁塔站，应考虑铁塔安装位置与投资，可采用双极化单天线。
在高铁车站，由于人流量较大，应该确保车站内部和站台的良好覆盖，大中型车站原则上要考虑建设室内分布系统进行覆盖，小型车站则可根据实际情况，优先选择室外宏基站覆盖。在高铁途经的城区和站台区域，车速较慢，一般都低于200公里/小时，按常规方式进行覆盖即可。在郊区和野外开阔地带，车速较高，在确保同一物理站址的情况下，可采用双RRU小区合并或单RRU功分方式，扩展单小区覆盖能力，减少切换。在直线轨道路段，相邻站点宜交错分布于轨道的两侧，呈“之”字状分布；在铁路弯道路段，站点宜设置在弯道的内侧，提高入射角，保证覆盖的均衡性。在隧道场景中，主要采用BBU+RRU或光纤直放站方式进行覆盖，尽量避免切换区处于隧道口位置。短隧道可通过隧道口的天线向隧道内定向辐射进行覆盖；长隧道可采用泄漏电缆进行隧道内覆盖，其高度一般应保持和高铁列车中部窗口平齐，隧道外可以采用窄波束、高增益天线应用隧道内信号对隧道外进行延伸覆盖。桥梁场景的覆盖原则等同于开阔地带，如果桥梁长度较长，可通过RRU拉远方式覆盖，另外就是要根据桥梁的高度合理设置天线的挂高。
4 总结
本文对高铁场景下移动通信组网面临的技术难题、解决方案进行了分析，并对工程应用中网络规划和参数设置原则、组网方式的选择及覆盖策略作了进一步探讨，对高铁沿线移动网络建设提供了一些参考。随着高铁开通里程的逐年增加以及人们需求的日益迫切，各家电信运营商也必将更加重视，加大在高铁沿线移网规划和建设的投入，最终实现高铁场景下同样能享受高质量移动通信服务的目标。
参考文献：
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