高速鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化研究

摘要：隨著國內(nèi)高速鐵路的建設(shè)和開通，現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)已不能適應(yīng)高速鐵路覆蓋的要求。文章在分析高鐵對移動通信的影響因素基礎(chǔ)上，結(jié)合國內(nèi)相關(guān)運營商的實際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗，就現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)兩種解決方案進(jìn)行分析和研究，并提出了兩種方案在實施過程中的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；移動通信；現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化；虛擬專網(wǎng)

中圖分類號：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1009-2374（2013）11-0111-03

1 概述

近年來，我國高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，已經(jīng)開通了滬寧城際高鐵、京津城際高鐵、京寧高鐵、武廣高鐵等多條高鐵線路，高速鐵路的運營時速普遍高于200km/h，部分高鐵列車時速已經(jīng)接近300km/h，未來建設(shè)的高速鐵路時速有望超過350km/h。

高鐵列車的開通和不斷提速，方便了人民的出行，但是卻對高速鐵路移動通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來了挑戰(zhàn)。由于高速鐵路列車為全密封鋁合金車體，穿透損耗大，降低了車廂內(nèi)的覆蓋效果，高鐵列車運營時速快，接近或超過300km/h，多普勒頻移和小區(qū)間頻繁切換現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了列車內(nèi)的移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

隨著高鐵不斷建設(shè)和開通，國內(nèi)三大運營商的移動通信網(wǎng)絡(luò)都受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，都在積極規(guī)劃和解決高速鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，由于國內(nèi)三大運營商各自運營的網(wǎng)絡(luò)制式不同、頻段不同，受到的影響程度也不相同，因此其各自制定的高鐵移動通信覆蓋解決方案也不相同。本文首先分析了高鐵的開通對移動通信的影響，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各運營商的網(wǎng)絡(luò)特點，提出了針對性的解決方案。

2 高速鐵路對移動通信系統(tǒng)影響分析

高鐵列車對于移動通信的影響，主要有兩方面的

原因：

第一，車廂結(jié)構(gòu)的變化：由于高鐵列車車廂為鋁合金結(jié)構(gòu)，整體密封性能好，無線信號的穿透損耗增大，降低了車廂內(nèi)無線信號的強度，從而使高鐵列車的車廂內(nèi)信號場強比普通列車低，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量變差。

第二，運行速度的提升：高鐵列車的高速運行，帶來的一個最直接的影響就是多普勒頻移問題。多普勒頻移是一個運動物體普遍存在的現(xiàn)象，由于普通列車一般運行時速為120km/h，速度相對較低，多普勒頻移現(xiàn)象不嚴(yán)重。而在高鐵環(huán)境下，列車運營時速接近300km/h，遠(yuǎn)高于普通列車，因此多普勒頻移對高速鐵路移動通信的影響更加嚴(yán)重。另外，移動通信單小區(qū)的覆蓋范圍相對固定，由于高鐵列車運行速度的增加，必然會縮短列車在單小區(qū)內(nèi)的停留時間，小區(qū)間切換次數(shù)增加。而切換時造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降，尤其是掉話的重要原因。

2.1 多普勒頻移

多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由于無線電波的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波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。由于移動臺或者終端相對于基站的移動方向不同，多普勒頻移的影響也不相同。

2.1.1 移動臺（終端）向著基站的方向運動。假設(shè)移動臺的移動速度為V，而基站的下行無線信號的發(fā)射頻率為f1。由于多普勒效應(yīng)的影響，移動臺接收到的無線信號的頻率為f2，移動臺以f3向基站發(fā)射上行無線信號，基站收到的來自移動臺的上行無線信號的頻率為f4，則可以

得到：

2.1.2 移動臺（終端）向遠(yuǎn)離基站的方向移動。參考上面的分析，同理可以得到如下公式：

國內(nèi)規(guī)劃、建設(shè)和運營中的高速鐵路最高設(shè)計時速為350km，而現(xiàn)網(wǎng)運行的移動通信系統(tǒng)的系統(tǒng)芯片在設(shè)計的時候，一般都考慮了頻偏的影響，采用了頻率補償算法，因此現(xiàn)有移動通信系統(tǒng)都具有一定頻率偏移的容錯能力。雖然在高速鐵路環(huán)境下的多普勒頻移現(xiàn)象對移動通信系統(tǒng)的影響較普通或者慢速移動環(huán)境下的影響嚴(yán)重，但整體影響并不嚴(yán)重，移動通信系統(tǒng)仍可以正常工作。

2.2 快衰落

國內(nèi)運營開通的高速鐵路列車，一般運營時速接近300km/h，最高的時速接近350km/h。對于主要工作在800M～2GHz之間的移動通信系統(tǒng)，其快衰落的衰落深度嚴(yán)重時可能達(dá)到20～40dB，這將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋。但是我們知道，在高速鐵路覆蓋的環(huán)境下，基站一般沿著鐵路線覆蓋，周邊高大建筑物較少，因此移動臺與基站間一般都存在著直射路徑，故移動臺收到的無線信號的電頻主要受路徑損耗影響較大，而受到由多徑效應(yīng)產(chǎn)生的快衰落影響較小。

2.3 車體穿透損耗

國內(nèi)正在運營的高鐵列車目前主要有四種類型，表2為不同型號的高鐵列車的基本概況：

根據(jù)相關(guān)測試統(tǒng)計，CRH1型號的高鐵列車穿透損耗為20～30dB，其他型號的高鐵列車的車廂穿透損耗一般為10～15dB，由上述分析來看，CRH1型的高鐵列車的車體穿透損耗最大，因此在制定覆蓋方案需要充分考慮CRH1列車的覆蓋要求，滿足了CRH1列車的覆蓋要求，也就滿足了其他型號高鐵列車的覆蓋要求。

2.4 切換與重選

對于國內(nèi)三大運營商現(xiàn)有的GSM、TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000四張移動通信網(wǎng)絡(luò)，完成一次切換的時間（工程經(jīng)驗值）一次為3～5秒、1.5～3秒、0.8～3秒、0.3～5秒。故對于上述移動通信系統(tǒng)，移動臺完成一次切換，要求兩個基站間的覆蓋重疊區(qū)域的長度不應(yīng)該小于2×V×T/3600（km），其中V（km/h）為移動臺的移動速度，T為系統(tǒng)完成一次切換所需時間。

根據(jù)上面的表格，不同的系統(tǒng)，由于切換所需的時間不同，因此切換帶設(shè)置的距離也不相同，整體來說，GSM網(wǎng)絡(luò)需要的切換時間最長，需要的切換帶距離也最長，因此在實際高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案中GSM網(wǎng)絡(luò)切換帶的設(shè)置也是需要重點關(guān)注。

3 高速鐵路覆蓋解決方案

高鐵列車高速運行對現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋在技術(shù)上提出了一定挑戰(zhàn)，根據(jù)前面的分析，高速鐵路列車的移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的各種問題主要是由于移動臺高速移動，造成在多小區(qū)間的頻繁切換；車體結(jié)構(gòu)變化，車廂穿透損耗增大；列車快速移動，多普勒效應(yīng)現(xiàn)象嚴(yán)重。針對上述問題，相關(guān)運營商主要采用了兩種高鐵覆蓋解決方案：現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)。表4從覆蓋指標(biāo)、切換指標(biāo)、容量指標(biāo)、建設(shè)難度及優(yōu)化難度等方面對以上兩種建設(shè)方案進(jìn)行了對比。

4 國內(nèi)主要的高鐵覆蓋方案對比

4.1 虛擬專網(wǎng)方案

對于中國移動，經(jīng)過多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，其基站較密集，尤其在市區(qū)，存在同一覆蓋區(qū)內(nèi)多小區(qū)重復(fù)覆蓋的現(xiàn)象，尤其在市區(qū)的鐵路沿線附近，信號復(fù)雜，采用現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度大，同時對鐵路沿線的基站進(jìn)行大量優(yōu)化調(diào)整，必將影響原有的大網(wǎng)覆蓋，帶來大網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降。因此中國移動在高鐵覆蓋方案選擇時，多選擇建設(shè)專網(wǎng)方式。對于采用專網(wǎng)建設(shè)方式，主要考慮以下四項關(guān)鍵技術(shù)。

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)帶狀覆蓋。由于高鐵列車在行使過程中頻繁跨越不同小區(qū)，切換頻繁，有可能會造成掉話等網(wǎng)絡(luò)問題，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。一方面，為減少移動臺在高鐵列車行駛過程中的切換次數(shù)，需要在高速鐵路沿線建設(shè)以專門覆蓋鐵路為目的的帶狀虛擬帶狀網(wǎng)絡(luò)，通過對帶狀網(wǎng)絡(luò)的各個小區(qū)的位置、天線方向角等參數(shù)的調(diào)整，可以使高速鐵路上的移動臺首選在這個虛擬專網(wǎng)內(nèi)部小區(qū)之間切換，而不在附近的大網(wǎng)內(nèi)小區(qū)間切換，這樣可以降低切換的次數(shù)，降低了掉話率；另一方面，由于專網(wǎng)內(nèi)的各個小區(qū)的位置和間距是通過鏈路預(yù)算獲得，這樣可以在保證覆蓋和小區(qū)間的切換重疊區(qū)域要求的前提下，使切換次數(shù)達(dá)到最小，從而提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

另外隨著技術(shù)和移動通信設(shè)備的發(fā)展，基站的形態(tài)也發(fā)生了根本的變化，現(xiàn)在主流的基站形態(tài)為BBU+RRU方式。在這種基站形態(tài)下，可以采用多RRU共小區(qū)技術(shù)，從而使幾個RRU的覆蓋區(qū)變成一個小區(qū)，移動臺在這幾個RRU之間移動，不發(fā)生切換，這樣可以使移動臺在十幾公里的范圍內(nèi)，不發(fā)生切換，從而大大降低了切換次數(shù)，帶來了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升。

4.1.2 多普勒頻移的抑制方法。多普勒頻移主要與移動速度有關(guān)，因此我們可以減小列車相對與基站的移動速度，來降低多普勒頻移的影響。降低移動臺的相對移動速度，可以通過拉大基站與鐵路之間的間距來減小移動臺相對于基站的移動速度，但是由于基站和移動臺的發(fā)射功率有限，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑也有限，基站與鐵路之間的距離越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果越差，因此不能簡單地通過拉大基站與鐵路之間的距離以降低移動臺的相對移動速度，以免影響基站對鐵路的覆蓋效果。基于上述分析，在站點資源允許的情況下，建議高鐵覆蓋基站與鐵路之間的垂直距離在100～300m之間。

4.1.3 高增益天線的采用，增加基站的有效覆蓋范圍。一方面，在基站的發(fā)射功率一定的前提下，采用高增益天線，天線的水平波瓣角變小，使無線信號的能量在某一方向上集中，從而使這一方向的基站有效覆蓋范圍增加；另一方面，較小的水平波瓣角小，也可以很好地控制專網(wǎng)小區(qū)信號外泄，降低對周邊大網(wǎng)的影響。

4.1.4 采用功分器，避免基站內(nèi)部小區(qū)間切換。根據(jù)上述的分析，影響高鐵環(huán)境下移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要原因是頻繁切換問題。在現(xiàn)網(wǎng)，一般一個基站有多個小區(qū)，而在同一基站的多個小區(qū)間，重疊覆蓋區(qū)小，無法保證高鐵列車快速運行，對切換區(qū)域距離的要求。因此在工程建設(shè)中，可以引入功分器這一器件，把一個小區(qū)的信號利用功分器平均分成兩部分，用兩幅天線輻射出去，這樣一個小區(qū)變成兩個扇區(qū)，而這兩個扇區(qū)的信號來自一個小區(qū)，在它們之間不存在切換問題，從而解決了同一基站不同小區(qū)間的切換距離不夠可能造成掉話的問題。

4.2 現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案

對于中國電信和中國聯(lián)通，由于自身的網(wǎng)絡(luò)特點和投資特點，其在高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案選擇上，多采用現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案。

現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)方案，考慮重點考慮以下五個關(guān)鍵技術(shù)：天線調(diào)整、波束寬度調(diào)整、功率調(diào)整、主覆蓋小區(qū)梳理、切換/重選參數(shù)優(yōu)化。

4.2.1 天線調(diào)整。天線調(diào)整是覆蓋優(yōu)化最優(yōu)先考慮的方法，同時也是最有效的方法。在高鐵沿線基站進(jìn)行天線調(diào)整時，主要進(jìn)行天線的方向角和下傾角調(diào)整，調(diào)整方向角的目的是為了使高鐵覆蓋基站小區(qū)的主瓣方向沿著鐵路覆蓋，提高鐵路覆蓋效果。在高鐵沿線的基站覆蓋中，應(yīng)盡量減小下傾角的設(shè)置度數(shù)，以提高單站的覆蓋范圍。

4.2.2 波束寬度調(diào)整。結(jié)合基站的位置，小區(qū)天線覆蓋方向，針對個別路段信號覆蓋仍較弱，但又無法通過天線調(diào)整來解決的，可以通過調(diào)整天線波束寬度來加強信號覆蓋。天線的波束寬度一般有四種取值：30、65、90、120。從取值我們可以看出來，波束寬度取值越小，能量可以更集中在鐵路覆蓋沿線，可以有效提高鐵路沿線的覆蓋效果。

4.2.3 功率調(diào)整。覆蓋的優(yōu)化除了調(diào)整天線和波束寬度調(diào)整之外，還可以調(diào)整小區(qū)的發(fā)射功率。功率設(shè)置過高，雖然可以提高小區(qū)的覆蓋范圍，但是可能會造成鄰近的小區(qū)的干擾；設(shè)置過小，雖然可以降低干擾，但是影響覆蓋，會造成部分區(qū)域存在弱覆蓋的問題，所以在進(jìn)行功率調(diào)整時，需結(jié)合現(xiàn)場詳細(xì)的測試，進(jìn)行綜合考慮。

4.2.4 主覆蓋小區(qū)梳理。切換是造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降的一個重要因素，所以在滿足覆蓋的前提下，可以通過手天線調(diào)整、降功率、切換參數(shù)設(shè)置，甚至是刪除鄰區(qū)關(guān)系等手段，盡量將高鐵沿線的某些非必要的小區(qū)剔除出高鐵覆蓋區(qū)，從而達(dá)到高鐵沿線有明確的主覆蓋小區(qū)，減少乒乓效應(yīng)的發(fā)生次數(shù)。

4.2.5 切換/重選參數(shù)優(yōu)化。切換、重選慢導(dǎo)致小區(qū)邊界信號強度偏弱問題，可進(jìn)行小區(qū)合并、調(diào)整切換遲滯、切換時延、加大小區(qū)偏置、遲滯、重選延遲等參數(shù)來解決。

乒乓切換問題，在車速很快的情況下，信號強度變化也快，乒乓切換往往會造成切換不及時而導(dǎo)致弱信號掉話。優(yōu)化的手段有FR優(yōu)化和切換參數(shù)優(yōu)化兩種，F(xiàn)R優(yōu)化是優(yōu)先考慮的方法，但天線調(diào)整往往比較費時，所以有時也可考慮通過參數(shù)優(yōu)化來達(dá)到抑制乒乓切換的效果。

5 結(jié)語

隨著中國高速鐵路的不斷提速，為移動通信的高鐵覆蓋帶來了新的挑戰(zhàn)，造成了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的下降，嚴(yán)重影響了用戶的感知，因此為了應(yīng)對高鐵的開通運營對移動通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響，需要研究和制動高速環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，改善高速列車上的通信質(zhì)量，滿足人們通信的需求，樹立移動運營商的良好形象。

參考文獻(xiàn)

[1]華為技術(shù)有限公司.GSM無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化[M].北京：人民郵電出版社.

作者簡介：殷鵬（1973—），中郵建技術(shù)有限公司高級工程師，碩士，研究方向：無線通信新技術(shù)和移動通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化。

（責(zé)任編輯：文 森）