高鐵沿線CDMA2000基站選址及覆蓋策略研究

蔡衛(wèi)紅，孔凡鳳，朱永平

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410015）

高鐵沿線CDMA2000基站選址及覆蓋策略研究

蔡衛(wèi)紅，孔凡鳳，朱永平

（湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南長沙410015）

針對(duì)高鐵CDMA2000移動(dòng)用戶線狀分布特性，存在集中式小區(qū)頻繁切換、小區(qū)重選、位置更新及多普勒頻移等問題，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切換成功率低、掉話率高，通話質(zhì)量差等缺點(diǎn)。文章提出了高鐵CDMA2000通信基站選址、天線選擇、覆蓋及參數(shù)設(shè)置策略。

高鐵；CDMA2000；基站選址；天線覆蓋

由于高鐵用戶線狀分布及終端的快速移動(dòng)所帶來的頻繁切換、多普勒頻移效應(yīng)，可能使CDMA2000移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)切換成功率急劇下降、通話掉話率急劇上升，還有可能使網(wǎng)絡(luò)的接通率下降，從而使CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的KPI主要技術(shù)指標(biāo)變得很差，嚴(yán)重影響了用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。因此，高鐵沿線CDMA2000基站選址、天線覆蓋策略、切換參數(shù)設(shè)置等變得很重要。

1　影響高鐵移動(dòng)通信主要方面

1.1高鐵移動(dòng)通信多普勒頻移

當(dāng)移動(dòng)終端在移動(dòng)狀態(tài)下進(jìn)行通信時(shí)，基站和移動(dòng)終端接收到對(duì)方的頻率會(huì)時(shí)刻發(fā)生變化，這種現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)，其效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移。多普勒頻移公式如下：

公式中，f表示載波頻率，c表示電磁波傳播速度，v表示移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)速度，θ表示移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)方向與信號(hào)傳播方向的夾角，fd表示多普勒頻移量。

下圖1為多普勒頻移示意圖（這里假設(shè)基站下行工作頻率為f0，上行工作頻率為f1）。

圖1　移動(dòng)通信多普勒頻移示意圖

從圖1可知，當(dāng)移動(dòng)終端遠(yuǎn)離基站方向運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)-fd的多普勒頻移量，這時(shí)移動(dòng)終端的接收信號(hào)頻率將變?yōu)閒0-fd，因此移動(dòng)終端的上行發(fā)射信號(hào)頻率將相應(yīng)變?yōu)閒1-fd。同樣，由于移動(dòng)終端向遠(yuǎn)離基站方向運(yùn)動(dòng)也會(huì)帶來-fd的多普勒頻移量，因此，基站接收到移動(dòng)終端的頻率將變?yōu)閒1-fd-fd=f1-2fd。反之，移動(dòng)終端接近基站時(shí)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)+fd的多普勒頻移量，這樣基站接收到的移動(dòng)終端信號(hào)頻率將變?yōu)閒1+fd+ fd=f1+2fd。由于CDMA2000基站解調(diào)時(shí)采用相干解調(diào)方式，其本地的解調(diào)載波與接收信號(hào)的載波必須同頻同相。因此，因多普勒頻移引起載波頻率的抖動(dòng)將對(duì)本地接收機(jī)的解調(diào)性能產(chǎn)生影響，而且隨著移動(dòng)終端運(yùn)動(dòng)速度的加快影響增大。

1.2高鐵移動(dòng)通信頻繁切換

如果高鐵覆蓋區(qū)域各切換區(qū)大小不變，那么高鐵運(yùn)動(dòng)速度越快，則高鐵中客戶所持移動(dòng)終端穿越切換區(qū)域的時(shí)間將越短，當(dāng)移動(dòng)終端的速度快到其穿越切換區(qū)域的時(shí)間小于移動(dòng)系統(tǒng)處理切換所需的最小時(shí)間，則此次切換過程無法及時(shí)完成導(dǎo)致掉話。同時(shí)，高鐵快速運(yùn)動(dòng)還可能使得移動(dòng)終端因集中頻繁的切換和小區(qū)重選可能導(dǎo)致移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的信令擁塞。

基于高鐵高速移動(dòng)狀態(tài)下對(duì)移動(dòng)通信帶來較大影響的兩個(gè)方面，下面提出了高鐵沿線基站選址及天線覆蓋策略。

2　高鐵站址、天線選擇及覆蓋策略

2.1高鐵CDMA2000基站選址策略

高鐵移動(dòng)通信因其特有的特性，故在為其沿線CDMA2000基站選址時(shí)應(yīng)滿足以下基本原則：

1）站址選擇應(yīng)盡量選擇鐵路沿線視距范圍內(nèi)；

2）新建站點(diǎn)可選高鐵紅線內(nèi)和紅線外，在滿足高鐵沿線信號(hào)覆蓋的前提下，站址宜優(yōu)先選擇在高鐵紅線區(qū)域以外；

3）選擇適合無線電波傳播的站址，以方便與周圍基站形成良好互補(bǔ)覆蓋；

4）為降低多普勒頻移效應(yīng)的影響，站址選擇應(yīng)在滿足基站覆蓋距離條件的基礎(chǔ)上盡可能與高鐵保持一定的距離；

5）不要選擇過高或過低的地方作為站址，以避免過高站址對(duì)周圍產(chǎn)生越區(qū)覆蓋效應(yīng)及過低站址對(duì)周圍產(chǎn)生覆蓋空洞效應(yīng)；

6）站址選擇應(yīng)盡量選擇交通方便、用電方便、環(huán)境方便、非雷擊多發(fā)區(qū)、非洪澇區(qū)等地方；

7）站址選擇不應(yīng)選擇電視臺(tái)發(fā)射塔、大功率無線電發(fā)射臺(tái)、雷達(dá)站等離無線干擾較近的地方；

8）站址選擇應(yīng)盡量避開選擇煙霧較多、粉塵較多、有毒氣體較多的環(huán)境附近；

9）站址選擇員應(yīng)多與城市規(guī)劃、環(huán)保、市政等部門做好協(xié)調(diào)工作，以避免造成工期的延誤。

10）處于彎道的高鐵路段，站址宜選擇在其彎道內(nèi)側(cè)，這樣可確保高鐵轉(zhuǎn)彎處有良好的信號(hào)覆蓋，如下圖2所示。

圖2　高鐵沿線拐彎處站址選擇示意圖

11）高鐵沿線的基站位置應(yīng)盡量交替、均勻地分布在高鐵線路的兩側(cè)，從而形成“之”字形分布，如圖3所示。

圖3　高鐵沿線基站站址選擇示意圖

2.2高鐵CDMA2000基站天線選擇及覆蓋策略

因高鐵用戶線狀分布的特殊性，在為高鐵CDMA2000基站進(jìn)行天線選擇時(shí)需考慮以下幾個(gè)方面：

1）對(duì)于高鐵沿線周邊移動(dòng)用戶較少的農(nóng)村地區(qū)，為盡可能的延伸單扇區(qū)的覆蓋距離，減少切換次數(shù)，一般應(yīng)選擇高增益的窄波束天線；

2）對(duì)于高鐵沿線周邊移動(dòng)用戶比較多的城市區(qū)、郊區(qū)，為兼顧切換時(shí)間最小覆蓋要求及廣覆蓋需求平衡，一般應(yīng)選擇中等增益的寬波束天線；

3）在滿足CDMA2000基站站距條件下，應(yīng)避免天線主波瓣與高鐵軌道方向平行，天線主波瓣與高鐵軌道的夾角盡量在20°以上，一般需控制在10°以上；

4）同小區(qū)RRU級(jí)聯(lián)組網(wǎng)，避免高鐵上移動(dòng)終端通話時(shí)頻繁切換，且使同小區(qū)多級(jí)聯(lián)RRU使用同一個(gè)PN碼，從而可實(shí)現(xiàn)同小區(qū)遠(yuǎn)距離無切換帶狀覆蓋。超級(jí)小區(qū)示意圖如圖4所示。由于物理上將多個(gè)小區(qū)合并為一個(gè)超級(jí)小區(qū)，高鐵移動(dòng)用戶在相對(duì)于普通基站覆蓋3～4倍距離內(nèi)不再發(fā)生小區(qū)切換，單小區(qū)覆蓋范圍從1.35～3km擴(kuò)展到7～8km以上，從而使單小區(qū)占用時(shí)間從12～48s增加到90s以上，大大降低了切換掉話率。

圖4　CDMA20001X/EVDO超級(jí)小區(qū)網(wǎng)絡(luò)拓?fù)鋱D

2.3高鐵CDMA2000基站小區(qū)區(qū)域規(guī)劃策略

高鐵移動(dòng)終端快速移動(dòng)易引起快速切換、快速位置更新、快速小區(qū)重選。因此高鐵小區(qū)覆蓋要盡量加大同PN小區(qū)覆蓋長度，優(yōu)化切換設(shè)置（如判斷條件、切換時(shí)延、切換區(qū)域），小區(qū)位置更新及小區(qū)重選設(shè)置。具體實(shí)施方法如下：

1）鏈狀小區(qū)覆蓋規(guī)劃。為盡可能減少高鐵移動(dòng)終端切換次數(shù)，避免側(cè)向小區(qū)間的無序切換，使移動(dòng)終端優(yōu)先切換到其運(yùn)動(dòng)方向的前向鏈狀鄰區(qū)，應(yīng)將小區(qū)結(jié)構(gòu)規(guī)劃成鏈狀鄰區(qū)，同時(shí)對(duì)小區(qū)無線參數(shù)進(jìn)行合理的設(shè)置。

2）嚴(yán)格控制切換小區(qū)線狀區(qū)域覆蓋長度，確保覆蓋小區(qū)線狀長度滿足最少兩次切換操作時(shí)間要求；

3）對(duì)于高鐵沿線的橋梁、隧道等特殊需覆蓋區(qū)域，可通過直放站、同PN碼射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備來解決覆蓋。為避免高鐵列車進(jìn)出隧道瞬間因信號(hào)的急劇變化可能產(chǎn)生掉話，應(yīng)將隧道內(nèi)部的設(shè)備信號(hào)外放到隧道口，并做到同PN碼覆蓋。

4）在滿足覆蓋深度和容量的前提下，盡量減少高鐵覆蓋小區(qū)的數(shù)量，以形成高鐵沿線遠(yuǎn)距離主覆蓋小區(qū)信號(hào)，減少切換次數(shù)；

5）在確保不會(huì)影響高鐵周邊信號(hào)覆蓋質(zhì)量要求的情況下，應(yīng)盡量減少高鐵沿線的扇區(qū)覆蓋信號(hào)數(shù)量，避免頻繁的小區(qū)重選與切換；

6）可采用同PN及小區(qū)分裂方式，來擴(kuò)大同小區(qū)覆蓋范圍，減少小區(qū)間切換次數(shù)；

7）針對(duì)高鐵快速移動(dòng)終端因多用戶集中的小區(qū)重選和小區(qū)切換可能引發(fā)信令擁塞問題，建議適當(dāng)?shù)脑黾涌刂菩诺罃?shù)量來解決。

3　站軌距離、站間重疊覆蓋區(qū)域及小區(qū)參數(shù)設(shè)置

3.1基站與鐵軌垂直距離計(jì)算

基站天線主瓣方向和高鐵軌道間形成的夾角稱為“掠射角”，如圖5所示。一般來說“掠射角”越小，高鐵列車的穿透損耗越大。根據(jù)工程測(cè)試情況，如果“掠射角”大于10°，則能為高鐵提供良好覆蓋。

圖5　掠射角示意圖

由圖4可知，假如基站的覆蓋距離為R，掠射角取為10°，當(dāng)采用普通2RRU組網(wǎng)，且不考慮重疊區(qū)域大小時(shí)，則單基站沿鐵路方向的覆蓋距離為S=2× R×cos10°，基站與鐵軌的垂直距離為H=R× sin10°。

實(shí)際的基站與鐵軌之間的垂直距離范圍可在（H，S/2）之間，如下表1所示。

表1　高鐵覆蓋站軌垂直距離范圍表

考慮到當(dāng)基站離高鐵軌道過遠(yuǎn)，信號(hào)路徑損耗較大，實(shí)際高鐵覆蓋工程中郊區(qū)基站到高鐵軌道間的垂直距離建議選200m左右，農(nóng)村基站到高鐵軌道間的垂直距離建議選400m左右。

3.2重疊覆蓋區(qū)域設(shè)置

因高鐵移動(dòng)終端高速移動(dòng)易導(dǎo)致快速頻繁切換特點(diǎn)，合理設(shè)計(jì)基站重疊區(qū)域大小非常重要，同時(shí)優(yōu)化切換判決條件，減小小區(qū)切換及小區(qū)重選的時(shí)延，從而提高小區(qū)切換及小區(qū)重選成功的可能性。

基站重疊區(qū)域大小的建設(shè)思路是：當(dāng)高鐵移動(dòng)終端在其進(jìn)入新小區(qū)前，現(xiàn)有服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度不會(huì)衰減到門限值之下，以保證切換的完成。因CDMA移動(dòng)系統(tǒng)軟切換時(shí)間一般為1s左右，故不同高鐵車速情況下的大概重疊區(qū)域如下表2所示。

表2　不同高鐵車速情況下的大概重疊區(qū)域表

3.3小區(qū)參數(shù)優(yōu)化設(shè)置

為保障高鐵CDMA2000小區(qū)切換和重選通暢，使移動(dòng)終端在切換中盡可能占用信號(hào)最強(qiáng)的基站?？蓪?duì)小區(qū)參數(shù)做如下優(yōu)化設(shè)置：

1）目標(biāo)鄰小區(qū)優(yōu)化。適當(dāng)提高切換目標(biāo)鄰小區(qū)的優(yōu)先級(jí)；

2）切換參數(shù)、搜索窗和小區(qū)半徑優(yōu)化。適當(dāng)降低T_ADD和T_DROP切換參數(shù)值，增加T_TDROP切換參數(shù)值，提高激活集搜索窗大小和小區(qū)半徑等；

3）適當(dāng)調(diào)整CDMA2000網(wǎng)絡(luò)的各種邊界。如：LAC邊界、多載波邊界等等；

4）配置異頻小區(qū)。通過異頻小區(qū)間的切換來對(duì)抗多普勒頻移；

5）規(guī)劃好高鐵沿線基站的BSC和MSC。盡量將沿線基站放在同一個(gè)BSC或MSC中，從而減少BSC間、MSC間的切換。

4　總結(jié)

當(dāng)前，隨著人們生活水平的提高，通過高鐵出行的機(jī)會(huì)越來越多，高鐵移動(dòng)通信的機(jī)會(huì)越來越多。因此，各移動(dòng)運(yùn)營商務(wù)必規(guī)劃設(shè)計(jì)好高鐵沿線基站信號(hào)覆蓋，努力提高高鐵列車信號(hào)覆蓋質(zhì)量，盡量減少切換，降低掉話率，提高通話質(zhì)量，滿足人們通信需求。

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Research on CDMA2000 basestation siteselection and covering strategy along thehigh speed rail

CAI Wei-hong，KONG Fan-feng，ZHU Yong-ping
（Hunan Postand Telecommunication College，Changsha，Hunan，China410015）

Againsthigh-speed rail CDMA2000mobile users linear distribution characteristics，there are frequent cell switching，cell reselection，location updatingand Doppler frequency shiftand other issues，which easily lead to low network switching success rate，high drop rate，poor callqualityand soon.Thispaperputs forward thestrategyofhigh speed railCDMA2000 communication base station site selection，antenna selection，coverageand parameter setting.

high-speed rail；CDMA2000；base station siteselection；antenna covering

10.3969/j.issn.2095-7661.2016.03.001】

TN929.533

A

2095-7661（2016）03-0001-03

2016-05-14

蔡衛(wèi)紅（1971-），男，湖南益陽人，湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院教授，研究方向：移動(dòng)終端、移動(dòng)通信系統(tǒng)。

湖南郵電職業(yè)技術(shù)學(xué)院院級(jí)課題“武廣高鐵湖南段CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的應(yīng)用研究”（課題編號(hào)：2013BZ07）。