高速鐵路3G覆蓋問題研究

魏濤 楊小會

（河南省信息咨詢設(shè)計研究有限公司，河南 鄭州，450008）

1.高速鐵路建設(shè)背景

1.1 高速鐵路定義

高速鐵路是指通過改造原有線路（直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化），使?fàn)I運速率達(dá)到每小時200公里以上，或者專門修建新的“高速新線”，使?fàn)I運速率達(dá)到每小時250公里以上的鐵路系統(tǒng)。

高速鐵路除了在列車在營運達(dá)到速度一定標(biāo)準(zhǔn)外，車輛、路軌、操作都需要配合提升。廣義的高速鐵路包含使用磁懸浮技術(shù)的高速軌道運輸系統(tǒng)。

1.2 高速鐵路發(fā)展規(guī)劃

根據(jù)中國高速鐵路網(wǎng)規(guī)劃報告，高鐵規(guī)劃分兩階段：

近中期:五縱六橫八連線；從2010年起至2040年,用30年的時間,將全國主要省市區(qū)連接起來,形成國家網(wǎng)絡(luò)大框架。

遠(yuǎn)期八縱；從2040年起至2070年,再用30年的時間、最遲到2100年前全部建成。實現(xiàn)東部加密、西部連通成網(wǎng)，連接全國主要交通節(jié)點城市和旅游景點,使西部地區(qū)主要城市可通達(dá)任何沿海省區(qū)。

未來幾年，中國高速鐵路建設(shè)將進(jìn)入全面收獲時期。到2020年，中國新建高速鐵路將達(dá)1.6萬公里以上，快速客運網(wǎng)將達(dá)到5萬公里以上，連接所有省會城市和50萬人口以上城市，覆蓋全國90%以上人口。

1.3 高速鐵路3G覆蓋的重要性

高鐵乘客多為商務(wù)旅行用戶，屬于通信用戶分類中的高端客戶群體，他們有較高的語音需求，還有數(shù)據(jù)上網(wǎng)、甚至視頻、網(wǎng)游等需求。良好覆蓋有助于提高客戶滿意度，有助于提升運營商移動網(wǎng)的品牌形象，對用戶的發(fā)展有著重要的意義。

2.影響高鐵覆蓋的主要因素

2.1 多普勒頻移

列車高速行駛造成的接收端與發(fā)射端信號頻率差異，即為多普勒頻移。理論上只要終端在移動，就會出現(xiàn)多普勒頻移，但是平時終端移動的速度很慢，多普勒效應(yīng)可以忽略不計。但是列車高速運行時由于多普勒效應(yīng)，對于射頻信號的中心頻率會產(chǎn)生頻率偏差，多譜勒公式為：

其中：fo-中心頻率；v-列車運行速度；c-光速；θ-列車動行方向與電磁波傳播方向的夾角。從公式可以看出，運動速度越快，頻率越高，夾角越?。ň嚯x基站越遠(yuǎn)），頻率誤差就越大。

2.2 密閉車廂的高穿透損耗

2.2.1.車體損耗情況

高速鐵路列車采用密閉箱體設(shè)計，現(xiàn)在運行車輛的和車體均為鋁合金車體，與普通的列車相比厚度也大大增加，損耗也大大增加，具體情況見下表：

2.2.2 損耗測試情況

測試車型CRH1B，信源放置與車廂中部外面，距離車廂4米，掛高5米。發(fā)射頻率2100M，全向3dbi天線，發(fā)射功率40dbm。

測試結(jié)果如下圖：

從測試結(jié)果我們可以看出，車體損耗對信號的衰減還是很大的。車廂內(nèi)外的信號差距很大。另外車廂內(nèi)部距信源的遠(yuǎn)近也對信號有著很大的影響。信號夾角和車體損耗的關(guān)系見下圖：

從上圖我們可以看出，夾角越小，損耗越大。

2.3 Iphone手機(jī)終端的影響

通信商的高端用戶中，iphone手機(jī)的普及率很高，但是iphone手機(jī)的接收靈敏度明顯弱于普通手機(jī)。因此在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，要求采用更高的標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)。Iphone手機(jī)和普通手機(jī)的對比如下:

2.4 切換時間與切換帶

高速鐵路的設(shè)計時速都在200公里以上，當(dāng)列車高速通過相鄰小區(qū)時，若重疊覆蓋區(qū)域不夠則很容易產(chǎn)生掉話。為了使列車在通過相鄰小區(qū)時能順利完成切換，相鄰小區(qū)必須有足夠的重疊覆蓋區(qū)域。經(jīng)核算，GSM移動臺完成1次小區(qū)重選所需時間為5秒，WCDMA為1.2秒(包括起呼狀態(tài)的切換)，因此重疊覆蓋區(qū)域的設(shè)定至少能使列車運行10秒和2.4秒。下表是不同列車速率下所需的重疊覆蓋區(qū)域大小。

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2.5 多徑快衰落

多徑快衰落：快衰落變化速度與UE行進(jìn)速度、工作頻率有關(guān)(衰落平均速度2v/λ)。對于2.1GHz,350km/h火車，快衰落變化速度1360Hz，變化幅度幾十dB。UE速度大于150km/h時，WCDMA/GSM快速功控失效，列車快速靠近或遠(yuǎn)離基站時，快衰落影響系統(tǒng)性能。解決辦法：1）提高天線接收分集；2）提高設(shè)計指標(biāo)，使沿線電平保持在一個較高的水平，以便有充分的余量來抵抗快衰落。

3.組網(wǎng)方案和策略

我們對高鐵的覆蓋要求是，CS12.2k連續(xù)覆蓋，車廂內(nèi)電平達(dá)到-90db以上，為了達(dá)到這個要求，我們要從設(shè)備選型、站間距等多方面進(jìn)行考慮。

3.1 實測單小區(qū)覆蓋范圍

測試路段：合寧客運專線某段。

測試車輛：CRH2型。

天線：基站在天線掛高45米，與鐵路垂直距離100米左右，65度16.5dbi下傾角2度。

覆蓋邊緣RSCP＞-95dBm，小區(qū)覆蓋半徑在1.7km左右。

覆蓋邊緣RSCP＞-90dBm，小區(qū)覆蓋半徑在1.3km左右。

覆蓋邊緣RSCP＞-85dBm，小區(qū)覆蓋半徑在0.9km左右。

3.2 站間距的范圍

站間距還與基站垂直于鐵路的距離有關(guān)，經(jīng)過計算結(jié)果如下

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3.3 實測站間距效果

測試路段：京津城際某段

測試車輛：CRH3型

站間距：2.2km～2.9km

測試結(jié)果：

長呼掉話情況：1次掉話，在3202站與1381站之間（站間距2.9km）

短呼接入成功率：1次未成功，在3202站與1381站之間（站間距2.9km）

切換成功率：發(fā)生不成功，在3202站與1381站之間（站間距2.9km）

測試結(jié)論：

站間距2.9km：AMR12.2K不能連續(xù)覆蓋

站間距2.4km：AMR12.2K可連續(xù)覆蓋（效果差）

站間距2.34km：AMR12.2K可連續(xù)覆蓋（效果差）

站間距2.2km：AMR12.2K可連續(xù)覆蓋

3.4 站址建議結(jié)論

（1）站間距確定

根據(jù)理論計算結(jié)果和實際測試情況，并且考慮到iphone手機(jī)特點以及切換帶的要求，建議高鐵覆蓋的站間距控制在2km以內(nèi)，最遠(yuǎn)不得超過2.2km。

（2）站址位置

根據(jù)鐵路紅線的限制，考慮到天線入射角（信號最好從列車窗戶射入），建議基站距離鐵軌的距離在100～300米左右。相對列車高度在30～40米之間。具體站址必須通過實際勘察，根據(jù)地形地貌綜合考慮確定。

4.組網(wǎng)方案和設(shè)備類型

4.1 覆蓋方案

高鐵具有速度快、穿透損耗大的特點，造成切換頻繁易掉話，所以大網(wǎng)所用的覆蓋方式應(yīng)用于高鐵存在很多不足。所以針對高鐵必須有專門的優(yōu)化覆蓋方案，采用專網(wǎng)覆蓋，才能保證高鐵沿線的良好覆蓋。對于WCDMA網(wǎng)來說，可以采用異頻組網(wǎng)的專網(wǎng)方式進(jìn)行覆蓋，這樣可以有效的避免附近公網(wǎng)基站對高鐵的干擾。臺灣遠(yuǎn)傳電信專門進(jìn)行過測試，測試效果如下：

通過結(jié)果可以看出，在呼叫成功率這一項上，異頻組網(wǎng)有著明顯的優(yōu)勢。

4.2 RRU級聯(lián)（小區(qū)合并）覆蓋

目前高鐵主要的覆蓋方式有兩種，一種是采用數(shù)字直放站的方式進(jìn)行覆蓋，一種是采用RRU級聯(lián)（合并小區(qū)）的方式進(jìn)行覆蓋，這兩種方式的最大特點是延長了單小區(qū)的覆蓋距離，減少了切換次數(shù)，從而有效提高質(zhì)量減少掉話。

現(xiàn)在主流廠家基本上都支持一個BBU帶3～6個以上的RRU，RRU級聯(lián)就是將多個RRU連在一起，使用同一塊基帶板，從而達(dá)到延長單小區(qū)覆蓋距離的效果，連接示意圖如下：

4.3 數(shù)字直放站覆蓋

數(shù)字光纖直放站相對于模擬光纖直放站，具有支持上行接收分集以及抑制噪聲的優(yōu)點，信號衰減小，一個近端可以下掛更多的遠(yuǎn)端，且干擾小。

數(shù)字直放站的連接方式與小區(qū)合并相似，近端連接信源，下掛多個遠(yuǎn)端合并為一個小區(qū)。對于WCDMA網(wǎng)來說，一般建議下掛不超過12個遠(yuǎn)端；

4.4 實際測試結(jié)果

測試路段：武廣高鐵A段和B段（北方為A段、南方為B段）

覆蓋方法：A段使用公網(wǎng)基站覆蓋；B段使用數(shù)字直放站覆蓋

測試信號強(qiáng)度覆蓋和信號質(zhì)量如下：

從測試的效果來看：A段由于沒有對武廣高鐵進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋，效果比B段要差很多。

5.結(jié)論及其他

高鐵的站間距應(yīng)控制在2km左右，最遠(yuǎn)不超過2.2km。站址垂直鐵軌距離應(yīng)在100～300米之間天線相對于鐵軌高度應(yīng)在30～40米之間，采用21dbi 32度高增益天線。采用專網(wǎng)覆蓋，根據(jù)地市網(wǎng)絡(luò)情況，可以采用RRU小區(qū)合并異頻組網(wǎng)或者數(shù)字直放站組網(wǎng)方式。高鐵覆蓋是一個高投入低產(chǎn)出的工程，所以在高鐵覆蓋工程中，要求合理利用現(xiàn)有站址資源，選用合適的覆蓋方式，積極共建共享，以實現(xiàn)經(jīng)濟(jì)效益和社會效益的雙豐收。

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