基于“基站+村通寶”的高速鐵路專網(wǎng)覆蓋解決方案研究

李海勝 趙 慧

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052）

1 引言

2007年4月18日，全國鐵路第六次大提速開始。 除原有列車大部分提速外，還新增“D”字頭的動車組列車。2010年7月1日，中國正式進(jìn)入高鐵時代，高鐵最高時速可達(dá)350km/h，鐵路總公司（原鐵道部）引進(jìn)了“中國高速鐵路列車”CRH（ChinaRailwayHigh‐speed）。 列車材質(zhì)均以中空鋁合金為主。

然而，現(xiàn)有的常規(guī)GSM 移動通信網(wǎng)絡(luò)支持的移動速度一般為200km/h，列車運行速度大于200km/h 時，會存在穿透損耗、多普勒頻移、頻繁切換等問題。 這些因素嚴(yán)重影響用戶的通信質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)性能和用戶感知明顯下降。

2 鐵路提速后對網(wǎng)絡(luò)的影響

2.1 參照 《秦皇島移動高速鐵路無線覆蓋測試報告》，高速動車組在運行當(dāng)中，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)無線信號覆蓋相比普通特快列車存在下列問題: ①無線覆蓋率大幅降低；②無線信號質(zhì)量下降，信號質(zhì)量（＞5）所占比例由2.8%上升為14.4%；③接通率大幅降低，由98.55%降為86.36%；④掉話率大幅增加，由1.47%增加為16.7%；⑤移動終端脫網(wǎng)現(xiàn)象時有發(fā)生。

2.2 無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋鐵路指標(biāo)下降的主要原因： ①重疊覆蓋區(qū)無法滿足要求②小區(qū)切換頻繁；③TCH、SDCCH信道溢出；④覆蓋區(qū)域弱覆蓋。

3 多普勒頻移對高速列車覆蓋的影響

多普勒效應(yīng)的定義：當(dāng)發(fā)射源（基站）與接收體（移動用戶）之間相對運動時，接收體（移動用戶）接收到的發(fā)射源（基站）發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源（基站）發(fā)射信息的頻率不一樣，這種情況稱為多普勒效應(yīng)。 接收到頻率與發(fā)射頻率之間的差值稱為多普勒頻移。

多普勒頻移公式：Fd=v/λ*cosθ=f*v/c*cosθ

其中，θ 是無線電波入射方向與移動臺運動的方向之間的夾角；v 是移動臺的運動速度；λ 是移動臺接收信號的波長；f 為載波頻率；c 為無線電波傳播速度。

3.1 由多普勒頻移公式可知， 無線電波傳播方向和用戶移動方向完全垂直時，不發(fā)生多普勒頻移；方向相同時，多普勒頻移最大。 所以分以下兩種情況進(jìn)行討論。

3.1.1 移動臺向BTS（基站）方向移動，速度為V。 以GSM900MHz 為例，BTS 信號的頻率定為f1， 由以上分析可知存在多普勒效應(yīng)，定義f2 為移動臺接收到的頻率。移動臺（移動用戶）以f2-45MHz 向基站發(fā)射信號，基站接收到的頻率為f3，可以得到：

依據(jù)以上兩種情況， 可得到移動臺速度與相對頻移變化之間的關(guān)系，如表1 所示。

表1 移動臺速度與多普勒頻移之間的關(guān)系（頻率按照954MHz 計算）

3.2 由上述公式及分析結(jié)果可知， 多普勒頻移主要取決于BTS 與移動臺對頻移的承受能力范圍， 針對這兩個方面進(jìn)行分析。

3.2.1 BTS 對頻移的承受能力

在3GPPTS45.005（原GSM05.05）中規(guī)定，多普勒效應(yīng)的存在， 對于GSM1800， 最大可承受徑向時速為130km/h[1]；對于GSM850/900 系統(tǒng)，最大可承受徑向時速為250km/h。該最高速度和手機(jī)設(shè)備、基站有關(guān)。在上行，大多數(shù)BTS 接受端接收到的GSM900 信號， 可承受時速高達(dá)500km/h 的移動臺。

3.2.2 移動臺克服多普勒效應(yīng)方面的性能

前面我們討論過， 對于GSM850/900 的BTS 設(shè)備可承受最大徑向時速為250km/h，也就是可滿足現(xiàn)在大部分高鐵的速度要求。 對于下行，因受到不同的限制，不同的手機(jī)供應(yīng)商內(nèi)部算法不一樣，要求也不相同。

如上所述， 移動終端對多普勒頻移的抑制能力決定了GSM 系統(tǒng)的狀況。 移動終端（手機(jī)用戶）對多普勒頻移的抑制能力如表2 所示。

如表2 所示，移動端速度達(dá)到300km/h 時，移動端對多普勒頻移是可以抑制的。

表2 某些品牌手機(jī)對多普勒頻移的抑制能力

4 基于“基站+村通寶”的專網(wǎng)解決方案

4.1 技術(shù)特點

4.1.1 提高鐵路沿線基站載頻利用率

鐵路沿線環(huán)境特殊，對基站的選址要求十分苛刻。 傳統(tǒng)的基站選址方案存在成本高、選點難、零星盲區(qū)多等問題。 鐵路覆蓋受地勢地貌等因素影響較大，雖然許多鐵路區(qū)域可由附近基站覆蓋，但仍存在載頻利用率低的問題[2]。若在高鐵附近的基站上加裝村通寶系統(tǒng)，能夠經(jīng)濟(jì)、快捷、有效地提高鐵路沿線的基站載頻利用率。

4.1.2 擴(kuò)大覆蓋范圍

在解決邊遠(yuǎn)區(qū)域話務(wù)量稀少大面積信號覆蓋問題上，村通寶系統(tǒng)的優(yōu)勢更加顯著[2]。 鐵路沿線面積廣、用戶分散、話務(wù)量低，傳統(tǒng)方法需新建多個基站、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、投資成本大，維護(hù)困難，覆蓋范圍也不理想。 新方法只需在需要覆蓋區(qū)域內(nèi)附近，找一個地理位置較高的基站，加裝村通寶系統(tǒng)， 既解決高鐵沿線話務(wù)量稀少大面積信號覆蓋問題，又大大降低硬件投資和維護(hù)成本。 村通寶覆蓋示意圖如圖1 所示。

圖1 增加村通寶后的覆蓋示意圖

4.1.3 提高基站信號接收靈敏度

900MGSM 村通寶系統(tǒng) （四端口） 對移動網(wǎng)絡(luò)基站（BTS）的上行支路配置了低噪聲放大器，以實現(xiàn)上行信號的分集接收。 低噪聲放大器具有50dB 的最大增益和1.6dB 的噪聲系數(shù)，大大提高系統(tǒng)靈敏度。

4.2 覆蓋思路

高速鐵路現(xiàn)網(wǎng)無線覆蓋方案應(yīng)立足于在保證覆蓋質(zhì)量、滿足高速列車內(nèi)正常通話需求的前提下，降低覆蓋成本， 提高投資收益。 根據(jù)高鐵沿線不同現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)覆蓋情況，提出各種有針對性的解決方案。

4.2.1 現(xiàn)網(wǎng)基站分布密集區(qū)域， 僅在高速鐵路上存在少量弱覆蓋區(qū)域或覆蓋重疊深度不夠區(qū)域， 可通過調(diào)整基站發(fā)射功率、更換高增益天線、調(diào)整天線方位角等措施予以解決。

4.2.2 高速鐵路弱覆蓋區(qū)域附近有現(xiàn)網(wǎng)基站， 且有較高話務(wù)需求的， 可通過分裂出第四小區(qū)專用于高鐵覆蓋來解決。

4.2.3 高速鐵路弱覆蓋區(qū)域附近有現(xiàn)網(wǎng)基地， 話務(wù)需求較低，或現(xiàn)網(wǎng)基站為全向站的，可通過加裝村通寶設(shè)備來增強現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)的覆蓋能力。

4.3 第四小區(qū)覆蓋方案

對于高鐵第四小區(qū)， 為減少移動端的重選次數(shù)與避免小區(qū)切換， 硬件上要求每個小區(qū)要充分覆蓋如圖2 所示兩個方向。

圖2 分裂第四小區(qū)實現(xiàn)高鐵覆蓋

4.3.1 分裂第四小區(qū)的適用條件和注意事項

4.3.1.1 宜選取高增益（21dBi）窄波瓣天線，增強第四小區(qū)的信號，減少高速鐵路以外信號覆蓋的需要[3]。

4.3.1.2 對于話務(wù)量密集，信號雜亂，小區(qū)重選切換頻繁的區(qū)域，可較好地避免由此造成話務(wù)切換失敗。

4.3.2 在分裂第四小區(qū)中存在的問題

4.3.2.1 分裂第四小區(qū)來覆蓋高鐵的方法必須增加至少一個載頻和一個BCCH 頻點， 因此對于載頻板和頻率資源不充裕的地區(qū)，實現(xiàn)起來有難度。

4.3.2.2 增加第四小區(qū)后必須重新規(guī)劃頻率，并相應(yīng)修改鄰區(qū)關(guān)系。

4.4 滬寧鐵路試點

試點選用廟朗R 和新安東R 高鐵專網(wǎng)覆蓋基站，兩站之間間距較長，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 廟朗-新安東站基站信息表

分別在廟朗R 和新安東R 站增加一套村通寶進(jìn)行覆蓋，設(shè)備連接如圖3 所示。

圖3 廟朗-新安東站加村通寶連接示意圖

由于采用基站+村通寶覆蓋方式， 天線有效輸出增大，覆蓋區(qū)域的覆蓋場強提高。

4.4.1 理論分析

以基站輸出40dBm 為例， 通過40dB 耦合器耦合基站信號，通過村通寶放大，可調(diào)整村通寶增益為45dB（最大下行增益為49dB）。

采用基站加村通寶覆蓋方式， 可以使兩個覆蓋天線分別有3.3dB 和8.5dB 天線入口功率的提升，有效提高覆蓋區(qū)內(nèi)的手機(jī)接收場強。

4.4.2 覆蓋效果對比分析

4.4.2.1 “基站+基放”覆蓋方式測試車次為蘇州開往無錫方向的D412、CHR2 型車，測試時手機(jī)放置在臨窗座位的小桌板上。 從測試結(jié)果來看，基站覆蓋下新安東R 站到廟朗R 站之間RxLev 在‐84dBm以上，新安東R 和廟朗R 站TA 值最大為5。

4.4.2.2 “基站+村通寶”覆蓋方式

測試車次為蘇州開往無錫方向的D440、CHR2 型車，測試時手機(jī)放置在臨窗座位的小桌板上。 從測試結(jié)果來看，基站覆蓋下新安東R 站到廟朗R 站之間RxLev 在-80dBm 以上，整體有所提高。 并且通過村通寶的補充覆蓋，也同時提高了覆蓋區(qū)域的信號質(zhì)量。

新安東R 站TA 值最大為6，廟朗R 站TA 值最大為3。 由于新安東R 站基站距離鐵路線較近，并且覆蓋角度和鐵路成徑向方向， 因此村通寶的使用擴(kuò)大了其覆蓋范圍。 與此同時，廟朗R 站的覆蓋范圍有所收縮，主要是因為受到天線角度的影響。

5 小結(jié)

“基站+村通寶” 主要是提高深度覆蓋率、 切換成功率，改善通話質(zhì)量，對網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的優(yōu)化與改善有很大的幫助。 采用“基站＋村通寶”的方式對鐵路沿線覆蓋能夠有效地提高載頻利用率，節(jié)省基站載頻，大幅提高覆蓋效果。

［1］虹信通信.GSM 系統(tǒng)高速鐵路無線通信覆蓋分析［J］.烽火技術(shù)，2009（11）：06-10.

［2］鐘楊斌. 基站覆蓋延伸系統(tǒng)在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化中應(yīng)用研究［D］.北京.北京郵電大學(xué)，2008.

［3］莊野.GSM 高速鐵路專網(wǎng)技術(shù)研究［D］.南京，南京郵電大學(xué)，2009.