淺析基于分布式基站覆蓋高鐵網(wǎng)絡(luò)的細(xì)節(jié)問題

安剛，王旭

（江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，南京 210006）

1 引言

目前，為了有效克服高鐵覆蓋存在的車體損耗大、頻繁的小區(qū)切換、重疊區(qū)域小、強(qiáng)烈的多普勒頻移等難題，高速鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋已有多種技術(shù)方案。基于分布式基站的高鐵覆蓋技術(shù)、基于GSM-R的高鐵覆蓋技術(shù)、基站射頻拉遠(yuǎn)覆蓋技術(shù)、光纖直放站覆蓋技術(shù)等多種方法都一直在被廣泛探討中。上述多種技術(shù)方案在解決高鐵覆蓋問題上都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)。在實(shí)際建設(shè)過程中，一些細(xì)節(jié)性的問題是我們?cè)谝?guī)劃和設(shè)計(jì)時(shí)必須要提前考慮和分析的。本文針對(duì)在實(shí)際規(guī)劃建設(shè)中基于分布式基站覆蓋高鐵技術(shù)方案里遇到的細(xì)節(jié)問題進(jìn)行分析和討論，以求起到一定的指導(dǎo)和幫助作用。

2 高鐵覆蓋難點(diǎn)

高鐵通信不同于普通公網(wǎng)通信究其原因，其信號(hào)覆蓋存在一些難點(diǎn)。

2.1 高鐵車體穿透損耗大

高速列車為了適應(yīng)高速運(yùn)行的要求，在密封性和車廂材質(zhì)方面都有了新的變化，對(duì)穿透損耗有很大的影響。高鐵列車采用全封閉式車體結(jié)構(gòu)，且部分車型采用金屬鍍膜玻璃，車體穿透損耗高達(dá)25dB以上。

目前幾種常見的高速列車車廂的穿透損耗如圖1所示。

圖1 常見高速列車穿透損耗

目前在滬寧城際運(yùn)行的高鐵基本都是CRH3車型，列車的車體穿透損耗為25dB左右。即將在京滬高鐵上運(yùn)行的車型為CRH380A和CRH380B，它們的車體穿透損耗也都是25dB左右。如果考慮在實(shí)際覆蓋場(chǎng)景中，由于基站的入射角度和列車有一定的夾角，實(shí)際的穿透損耗會(huì)比上述測(cè)試值還偏大。

為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號(hào)發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，要求更高的基站接收機(jī)靈敏度或者要求用戶終端(UE)的發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)。

2.2 高鐵高速帶來頻繁的切換

目前高鐵車速設(shè)計(jì)要達(dá)到350 km/h。在這個(gè)速度下，按照原有的普通公網(wǎng)設(shè)計(jì)（如站間距在1.5km），高鐵列車將每15s通過一個(gè)基站。這將導(dǎo)致高鐵列車頻繁地在非常短的時(shí)間內(nèi)穿過多個(gè)小區(qū)，不停地進(jìn)行切換，最終的結(jié)果就是大量占用信道資源和切換失敗導(dǎo)致掉話，如圖2所示。

圖2 高速列車頻繁切換示意圖

2.3 常規(guī)的基站重疊區(qū)難以滿足高鐵切換和重選的需求

在GSM通信事件中，小區(qū)重選需要一定的時(shí)間來完成。小區(qū)重選規(guī)則中，當(dāng)手機(jī)測(cè)量到鄰小區(qū)C2高于服務(wù)小區(qū)C2值且維持5s，手機(jī)將發(fā)起小區(qū)重選。因此，手機(jī)在不同基站間切換至少需要5～6s的時(shí)間，而全速行速的高鐵列車通過兩個(gè)基站正常的切換區(qū)時(shí)間要經(jīng)常小于6s，這將導(dǎo)致手機(jī)往往無法正常完成切換，容易引起手機(jī)掉話，如圖3所示。

圖3 高速列車通過基站重疊區(qū)示意圖

2.4 高鐵高速帶來的多普勒效應(yīng)難以克服

多普勒頻移對(duì)于接收機(jī)接收性能有一定的影響，主要是降低了接收的靈敏度，工作頻率越高，列車運(yùn)行速度越快，多普勒頻移越大。當(dāng)列車時(shí)速為350km/h、電磁波頻率900MHz時(shí)，多普勒頻移的范圍是±260Hz。發(fā)生頻移后，系統(tǒng)測(cè)算的信號(hào)接收點(diǎn)，不是實(shí)際信號(hào)的最強(qiáng)接收點(diǎn)，導(dǎo)致基站和手機(jī)的相干解調(diào)性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。

3 基于分布式基站覆蓋高鐵的細(xì)節(jié)問題分析

基于分布式基站的高鐵覆蓋技術(shù)是指使用分布式基站，采取BBU+RRU的射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)、多個(gè)RRU共小區(qū)技術(shù)、自動(dòng)頻率校正技術(shù)以及快速切換算法的綜合技術(shù)方案，對(duì)高速鐵路沿線進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋。其原理是多個(gè)不同位置點(diǎn)的RRU設(shè)備配置相同的頻率組，通過BBU控制實(shí)現(xiàn)多個(gè)RRU的同步收發(fā)。邏輯上這幾個(gè)不同位置點(diǎn)的RRU屬于同一小區(qū)，即通過共小區(qū)技術(shù)擴(kuò)大單小區(qū)的覆蓋范圍，減少高速鐵路上的小區(qū)切換和重選次數(shù)，節(jié)省網(wǎng)絡(luò)建設(shè)費(fèi)用，提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。具體設(shè)計(jì)就是把N個(gè)物理小區(qū)劃分為一個(gè)邏輯小區(qū)，即N個(gè)RRU映射到一個(gè)邏輯小區(qū)進(jìn)行覆蓋，一個(gè)BBU負(fù)責(zé)管理N個(gè)RRU構(gòu)成的這一個(gè)邏輯小區(qū)；N個(gè)BBU構(gòu)成的N個(gè)邏輯小區(qū)沿著高鐵鐵路依次級(jí)聯(lián)，每?jī)蓚€(gè)邏輯小區(qū)邊界處的RRU相互做切換關(guān)系，保證僅有前后兩個(gè)相互級(jí)聯(lián)的邏輯小區(qū)之間才能進(jìn)行相互切換。這樣就實(shí)現(xiàn)了在高鐵列車運(yùn)行的方向上完成邏輯小區(qū)間的固定切換，其切換過程操作簡(jiǎn)單，切換準(zhǔn)確無誤，極大的降低了小區(qū)邊緣切換掉話的可能性，避免了小區(qū)切換的乒乓效應(yīng)。圖4為多個(gè)RRU共小區(qū)原理示意圖。

基于分布式基站的高鐵覆蓋技術(shù)方案在理論上已經(jīng)具備可行性，但是在實(shí)際建設(shè)時(shí)還存在一些細(xì)節(jié)問題需要解決。經(jīng)過分析主要有以下幾點(diǎn)。

3.1 跨位置區(qū)切換時(shí)，切換區(qū)域需要多配載頻

目前GSM網(wǎng)絡(luò)中位置區(qū)的大小基本已經(jīng)趨同于BSC的劃分大小，各個(gè)地市境內(nèi)的高鐵覆蓋也都有自己獨(dú)立的BSC負(fù)責(zé)管理。列車通過LAC邊界時(shí)，手機(jī)需要與BTS、BSC和MSC進(jìn)行大量信令交換，會(huì)發(fā)生大量的手機(jī)位置更新，容易產(chǎn)生SDCCH擁塞，影響小區(qū)的正常業(yè)務(wù)。因此，在位置區(qū)尋呼容量和話務(wù)容量的設(shè)計(jì)上，要考慮一定的余量，該處載頻配置要高于高鐵沿線配置的載頻數(shù)，從而避免位置區(qū)更新時(shí)發(fā)生擁塞和掉。

圖4 多個(gè)RRU共小區(qū)原理示意圖

3.2 隧道內(nèi)與隧道出口處避免進(jìn)行小區(qū)切換

高鐵車速非常快，隧道內(nèi)一般都采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋。由于泄露電纜方式覆蓋距離較短，當(dāng)列車離開隧道口約10m以外的距離時(shí)已經(jīng)基本沒有信號(hào)。手機(jī)在這么短的距離內(nèi)發(fā)生小區(qū)切換就很容易發(fā)生切換失敗和掉話現(xiàn)象，因此，需要將隧道內(nèi)與隧道出口一段距離配置為同一小區(qū)，避免高鐵列車一出隧道引起掉話。

3.3 高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)應(yīng)設(shè)置為專網(wǎng)

高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全能夠滿足高鐵列車內(nèi)手機(jī)用戶的需求，不再需要使用普通公網(wǎng)的資源，因此為了盡量減少小區(qū)重選和小區(qū)切換，以及避免普通公網(wǎng)的用戶切入進(jìn)來占用資源，應(yīng)當(dāng)設(shè)置為高鐵專網(wǎng)，不再與周邊普通公網(wǎng)內(nèi)的基站設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系，從而保證高鐵列車內(nèi)用戶的高效使用。

3.4 高鐵站臺(tái)與候車室處設(shè)置高鐵專網(wǎng)與普通公網(wǎng)的切換關(guān)系

高鐵專網(wǎng)與普通公網(wǎng)的切換關(guān)系應(yīng)設(shè)置在高鐵車站候車室與站臺(tái)之間，高鐵站臺(tái)的信號(hào)應(yīng)由高鐵專網(wǎng)提供。手機(jī)用戶在高鐵車站候車室和站臺(tái)之間的移動(dòng)速度非常慢，越區(qū)切換容易實(shí)現(xiàn)，而高鐵列車內(nèi)用戶在進(jìn)出高鐵車站時(shí)，由于列車速度較快，發(fā)生切換時(shí)容易產(chǎn)生掉話。因此，在條件允許的情況下，盡量把切換區(qū)域設(shè)置在高鐵車站候車室與站臺(tái)之間，而不是車站以外區(qū)域。車站的越區(qū)切換區(qū)域盡量選擇在人流量最小的區(qū)域，條件許可情況下可以把位置更新區(qū)域放在候車室進(jìn)入月臺(tái)的通道里面。圖5高鐵專網(wǎng)與普通公網(wǎng)切換配合策略。

圖5 高鐵專網(wǎng)與普通公網(wǎng)切換配合策略

3.5 功分器的應(yīng)用

功分器的使用是為解決塔下黑問題和切換問題而設(shè)計(jì)的，其思路是在解決覆蓋的同時(shí)減少小區(qū)切換和重選，擴(kuò)大單個(gè)邏輯小區(qū)覆蓋鐵路的距離。目前，由于廠家BBU性能的限制，每個(gè)BBU所帶RRU數(shù)量一定，因此為減少越區(qū)切換次數(shù)，引入功分器系統(tǒng)，延長單個(gè)邏輯小區(qū)的覆蓋距離。具體實(shí)施辦法是在RRU的后端安裝功分器將信號(hào)分別傳送到覆蓋兩側(cè)鐵路的高增益天線。在RRU一定數(shù)量下，通過加入功分器可以增加高增益天線的數(shù)量來擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋距離。

3.6 GSM系統(tǒng)建議采用900MHz頻段

根據(jù)多普勒頻移的原理，我們可以得出，頻率增大一倍，多普勒頻移就會(huì)增大一倍。相同情況下，1800MHz頻段的頻移是900MHz的2倍。所以，不建議采用1800MHz頻段對(duì)高鐵進(jìn)行連續(xù)覆蓋，特殊區(qū)域除外。

4 結(jié)束語

高鐵是我國的新興產(chǎn)業(yè)，也是我國的戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，高鐵建設(shè)將會(huì)不斷發(fā)展，高鐵的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也必然會(huì)日新月異。本文首先介紹了高鐵覆蓋存在的難點(diǎn)和基于分布式基站覆蓋高鐵的原理，然后具體分析了在實(shí)際建設(shè)時(shí)還必須考慮的一些細(xì)節(jié)問題并給出了相關(guān)的解決方案和建議。今后，在為高鐵提供各種信息化服務(wù)的同時(shí)，需要更加精心的規(guī)劃和設(shè)計(jì)，不僅要保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，還需要大幅降低建網(wǎng)成本，不斷完善和改進(jìn)高鐵網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平和質(zhì)量。

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