田桂賓，許勇，石朗昱

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司新疆分公司，烏魯木齊 830011）

1 前言

隨著高速鐵路（簡(jiǎn)稱高鐵）在全國范圍的迅速建設(shè)，火車時(shí)速由120km提升至250km，由于受到高速移動(dòng)過程中的快衰落、多普勒效應(yīng)、列車材質(zhì)對(duì)無線信號(hào)衰減以及無主導(dǎo)覆蓋小區(qū)的影響，在高速列車上將會(huì)出現(xiàn)切換混亂，接通率低，掉話率高等現(xiàn)象。如何確保高鐵覆蓋質(zhì)量，為用戶提供高可靠的通話質(zhì)量是移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)面臨的巨大挑戰(zhàn)。

2 高鐵建設(shè)難點(diǎn)分析

2.1 多普勒頻移影響分析

多普勒效應(yīng)是指因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。在移動(dòng)通信系統(tǒng)高速場(chǎng)景下，多普勒效應(yīng)尤其明顯，由此引起的附加頻移稱為多普勒頻移：

按火車時(shí)速250km/h計(jì)算GSM 900/1800MHz網(wǎng)絡(luò)頻率偏差為：

根據(jù)相關(guān)參考文獻(xiàn)，話音差錯(cuò)率要求為10-3～10-4，多普勒頻移量級(jí)為0.01Bw～0.02Bw，即數(shù)據(jù)速率應(yīng)超過衰落速率的100～200倍。由此可知GSM最大可以抗多普勒頻移1.3kHz，417/833Hz的頻偏，處于接收機(jī)接收允許范圍。目前高速鐵路給GSM網(wǎng)絡(luò)帶來的影響中，多普勒頻移不是主要因素。

2.2 高速環(huán)境對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)切換的影響

GSM切換時(shí)間主要包括：

（1）測(cè)量時(shí)間。按照GSM規(guī)范規(guī)定，通話模式下，MS在一個(gè)SACCH測(cè)量周期內(nèi)（480ms），向BTS上報(bào)一次6個(gè)最佳相鄰小區(qū)。

（2）BSIC碼解調(diào)時(shí)間。為區(qū)分不同小區(qū)，MS至少每10s解調(diào)1次小區(qū)列表中的BSIC（基站識(shí)別碼），在新出現(xiàn)小區(qū)的情況下，需要在5s內(nèi)解調(diào)出BSIC。

（3）BSC及MSC切換處理時(shí)間。通過對(duì)切換消息的跟蹤分析，從切換請(qǐng)求發(fā)起到切換完成釋放源小區(qū)資源。

根據(jù)切換時(shí)間可算計(jì)算出不同列車時(shí)速所需要的切換帶距離長(zhǎng)度，如表1所示。

表1 不同車速小區(qū)間所需切換帶距離表

2.3 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)分析

在進(jìn)行高鐵建設(shè)時(shí)，我們將高鐵和鐵路附近區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)稱為為大網(wǎng)和將僅覆蓋高鐵帶狀區(qū)域的稱為專網(wǎng)，兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)比較如表2所示。

充分考慮網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量、后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)及優(yōu)化，建議網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用專網(wǎng)方式建設(shè)。

表2 兩種方式優(yōu)缺點(diǎn)比較

2.4 穿透損耗影響分析

在中國鐵路提速使用的車型為CRH1或CRH2型動(dòng)車組，該車組最高運(yùn)營(yíng)速度為200～250km/h，車體采用不銹鋼或鋁合金材料，屏蔽性比普通列車高，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量影響很大。表3為車體運(yùn)行速度、車體材料及穿透損耗值。

3 高鐵無線網(wǎng)絡(luò)特殊場(chǎng)景覆蓋解決方案

3.1 隧道及防風(fēng)明洞環(huán)境下無線網(wǎng)覆蓋解決方案

隧道及防風(fēng)明洞覆蓋具有如下特性：

（1）屏蔽性強(qiáng)。隧道一般都位于山體內(nèi)部，而防風(fēng)明洞多為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，對(duì)無線信號(hào)有40dB以上的衰減，室外宏蜂窩基站信無法滿足隧道內(nèi)基本通話需求。

表3 車體運(yùn)行速度、車體材料及穿透損耗表

（2）火車填充效應(yīng)明顯。當(dāng)火車經(jīng)過隧道（或防風(fēng)明洞）時(shí)，車體基本填滿了切面空間，無線信號(hào)在隧道（或防風(fēng)明洞）內(nèi)的傳播受到很大的阻礙。

（3）話務(wù)量低。在隧道（或防風(fēng)明洞）內(nèi)，用戶多為列車上用戶，非列車用戶一般很少進(jìn)入覆蓋區(qū)域，話務(wù)量較低，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)應(yīng)以解決覆蓋，滿足列車上用戶接入為主。

（4）對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)影響大。通過現(xiàn)網(wǎng)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，因隧道（或防風(fēng)明洞）覆蓋不足造成的掉話、接入失敗等問題，對(duì)影響網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)影響最為突出。

3.1.1 傳播模型的選取

在隧道內(nèi)，無線電波傳播與開闊空間傳播環(huán)境明顯不同。由于車體填充效應(yīng)及墻壁發(fā)射與直射的影響，在隧道內(nèi)無線電波以直射徑為主。根據(jù)ITU-R建議，針對(duì)隧道環(huán)境提出如下傳播模型：

3.1.2 信源+GRRU+室內(nèi)分布系統(tǒng)

GRRU是基于采用數(shù)字中頻技術(shù)的光纖傳輸，能夠克服模擬光纖傳輸時(shí)信號(hào)的信噪比惡化，具有大動(dòng)態(tài)、低噪聲的優(yōu)點(diǎn)，具有較高的可靠性。每個(gè)GRRU近端機(jī)可級(jí)聯(lián)24臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)，最大傳輸距離20km，可有效減少小區(qū)數(shù)量，降低切換次數(shù)。

由于隧道及防風(fēng)明洞穿透損耗較大，在該類區(qū)域主要采用小功率多天線的設(shè)計(jì)理念進(jìn)行建設(shè)。為保證信號(hào)均勻分布，且實(shí)現(xiàn)對(duì)覆蓋范圍的有效控制，降低干擾，提高系統(tǒng)容量。

根據(jù)式（2），GRRU設(shè)備發(fā)射功率按60W計(jì)算，每站配置6載頻，依據(jù)無線鏈路預(yù)算，以室外宏蜂窩+GRRU做信源，單個(gè)GRRU+天饋系統(tǒng)能夠滿足1200m范圍的覆蓋，單個(gè)扇區(qū)最覆蓋范圍為20km。

建設(shè)方案：以室外宏蜂窩為信源，每1200m安裝GRRU設(shè)備1部，從GRRU引13/8＂饋線沿隧道邊沿安裝，通過耦合器將信號(hào)饋入八木天線，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)信號(hào)均勻覆蓋。

3.1.3 方案分析

（1）該方案具有上行噪聲抑制特性，能夠保證良好的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

（2）采用分級(jí)饋入方式建設(shè)，信號(hào)分布均勻。無線信號(hào)通過13/8＂饋纜由耦合器分級(jí)饋入天線。通過合理調(diào)整耦合器耦合度，從而確保信號(hào)在各個(gè)天線點(diǎn)信號(hào)分布均勻，有效保證車廂內(nèi)用戶接收電平平坦一致。

（3）后期網(wǎng)絡(luò)維護(hù)量小。室內(nèi)分布系統(tǒng)采用13/8＂饋纜，沿隧道或防風(fēng)明洞邊沿安裝并加子管保護(hù)，除定期檢測(cè)及特殊故障處理外，一般不需要特殊維護(hù)。

（4）減少了中間鏈路損耗。由于GRRU采用光纖級(jí)聯(lián)，降低了中間鏈路損耗，減少小區(qū)數(shù)量，降低了跨小區(qū)切換次數(shù)，能夠有效提高網(wǎng)絡(luò)性能。

3.2 廣域場(chǎng)景下無線網(wǎng)覆蓋解決方案

3.2.1 傳播模型的選擇

在廣域場(chǎng)景下，傳播模型采用——COST 231修正模型。

3.2.2 信源的選取：室外宏蜂窩

宏蜂窩基站發(fā)射功率高，承載話務(wù)量較大，能夠有效保證網(wǎng)絡(luò)覆蓋及網(wǎng)絡(luò)容量，是提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力的有效解決方案。進(jìn)行設(shè)備選取時(shí)，充分考慮設(shè)備工作范圍，要求設(shè)備工作適應(yīng)溫度范圍較大，建議選用室外型基站。

3.2.3 分布式天饋線的選?。盒旁?GRRU+光纜

為有效提高無線覆蓋能力，建議選用高增益、賦型、寬頻。

（1）與其他區(qū)域不同的是，高鐵區(qū)域?yàn)榫€狀區(qū)域。在進(jìn)行天線選型時(shí)，應(yīng)滿足鐵塔配重風(fēng)荷的要求，并盡可能選用高增益天線，一般建議采用18dB和21dB天線。

（2）利用賦型天線能夠?qū)Ω哞F區(qū)域形成有效條狀覆蓋。一方面能夠有效控制覆蓋范圍，減少大網(wǎng)用戶切入專網(wǎng)的概率，保證大網(wǎng)容量，另一方面能夠提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋能力。

（3）為保證今后其他系統(tǒng)(如LTE系統(tǒng)等)的有效接入，應(yīng)選取寬頻（900MHz～2500MHz)天線進(jìn)行建設(shè)。

3.3 橋梁上無線網(wǎng)覆蓋解決方案

在高鐵沿線由于部分區(qū)域?yàn)槌Ｄ暧兴暮哟不蛴兴畢^(qū)。高鐵工程多采用高架橋進(jìn)行建設(shè)。在此類區(qū)域鐵塔建設(shè)難度較高，后期維護(hù)難度大，且存在極大安全隱患。尤其高鐵高架橋距地面高度超過40m的區(qū)域，如何安裝天線是工程建設(shè)的難點(diǎn)。

針對(duì)于該類區(qū)域，分為兩種方式進(jìn)行建設(shè)：

（1）距地高度低于20m的橋梁。

對(duì)高度較低的橋梁，建議采用鐵塔方式建設(shè)。鐵塔高度=橋梁高度+25m。其建設(shè)方案同廣域場(chǎng)景。

（2）距地高度高于20m的橋梁。

對(duì)于高于20m的橋梁，如果繼續(xù)采用拉線塔建設(shè)，工程造價(jià)極高。為降低工程投資，無線建設(shè)方案：室外宏蜂窩+GRRU+室外分布系統(tǒng)。

以室外宏蜂窩+GRRU為信源，從GRRU引13/8＂饋線沿橋梁邊沿安裝，建設(shè)室外分布系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)橋梁上信號(hào)均勻覆蓋。

室外分布系統(tǒng)是利用光纖、饋線、功分器、耦合器等無源器件和干放等有源器件將信號(hào)源的信號(hào)分布到室外覆蓋目標(biāo)區(qū)域的各個(gè)天線點(diǎn)，從而達(dá)到對(duì)室外目標(biāo)區(qū)域覆蓋的一種移動(dòng)通信覆蓋系統(tǒng)。其優(yōu)點(diǎn)是可以將信號(hào)分布到目標(biāo)區(qū)域的每個(gè)角落，且每個(gè)天線口的功率較小，滿足環(huán)評(píng)要求。室外分布系統(tǒng)其結(jié)構(gòu)組成與室內(nèi)分布系統(tǒng)相似分區(qū)覆蓋，滿足覆蓋和容量需求。為滿足高鐵安全性要求，天線抱桿應(yīng)安裝斜撐，抱桿距離鐵軌應(yīng)大于抱桿高度。

3.4 高鐵車站無線網(wǎng)覆蓋解決方案

火車站是重要的專網(wǎng)出入口，且在該類區(qū)域，用戶集中，話務(wù)量高。如果不能良好控制專網(wǎng)與大網(wǎng)的有效覆蓋范圍，合理設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系，極易產(chǎn)生大網(wǎng)用戶無法有效進(jìn)入專網(wǎng)，而造成掉話。

在火車站用戶分布區(qū)域主要包括火車站前廣場(chǎng)、火車站內(nèi)候車廳、站臺(tái)及火車車廂內(nèi)。如果不對(duì)網(wǎng)絡(luò)做特殊處理，大網(wǎng)和專網(wǎng)之間覆蓋區(qū)域相互重疊，為確保用戶上車后能順利進(jìn)入專網(wǎng)，則火車站周邊的大網(wǎng)基站都要和覆蓋火車站的專網(wǎng)小區(qū)做鄰區(qū)關(guān)系，專網(wǎng)小區(qū)則很容易吸收非列車用戶而擁塞。為保證大型火車站專網(wǎng)用戶與大網(wǎng)用戶相對(duì)隔離，必須建設(shè)過渡小區(qū)。從而保證用戶上、下車能正常進(jìn)、出專網(wǎng)。

專網(wǎng)僅負(fù)責(zé)高鐵沿線及站臺(tái)區(qū)域的覆蓋，在站臺(tái)區(qū)域與過渡小區(qū)重疊覆蓋，此時(shí)專網(wǎng)與過渡小區(qū)建立雙向鄰區(qū)關(guān)系，用戶通過過渡小區(qū)出入專網(wǎng)。而大網(wǎng)和專網(wǎng)之間不設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系。這樣就能夠有效避免大網(wǎng)用戶被專網(wǎng)吸收，同時(shí)也為用戶從大網(wǎng)進(jìn)出專網(wǎng)設(shè)置了專門的出入口，有效保證了網(wǎng)絡(luò)切換的成功率和網(wǎng)絡(luò)容量。

4 高速鐵路專網(wǎng)關(guān)鍵參數(shù)設(shè)置

4.1 頻率規(guī)劃

考慮到高鐵車廂穿透損耗大等因素，高鐵專網(wǎng)在郊區(qū)或空曠區(qū)域應(yīng)選擇900MHz頻段組網(wǎng)。在特殊情況下（如密集城區(qū)高鐵沿線），由于無法提供高鐵專用900MHz頻點(diǎn)，可以采用1800MHz進(jìn)行組網(wǎng)，但應(yīng)合理設(shè)置站間距。

4.2 BCCH及TCH規(guī)劃

作為專網(wǎng)覆蓋，BCCH應(yīng)當(dāng)單獨(dú)規(guī)劃。從現(xiàn)有頻點(diǎn)中，預(yù)留10個(gè)頻點(diǎn)專用于鐵路專網(wǎng)小區(qū)BCCH。

專網(wǎng)TCH頻點(diǎn)盡可能單獨(dú)規(guī)劃，與大網(wǎng)隔離。

4.3 各層優(yōu)先級(jí)

由于高鐵專線途徑市區(qū)、郊區(qū)及空曠區(qū)等各類場(chǎng)景。在市區(qū)，存在900MHz大網(wǎng)及1800MHz網(wǎng)絡(luò)及高鐵覆蓋專網(wǎng)的情況，為保證用戶接通率，應(yīng)當(dāng)合理設(shè)置鐵路沿線各層的優(yōu)先級(jí)：

（1）專網(wǎng)設(shè)置為層1，優(yōu)先級(jí)最高。

（2）1800MHz一般為層2，優(yōu)先級(jí)較低。

（3）900MHz大網(wǎng)一般為層3，優(yōu)先級(jí)最低。

4.4 鄰區(qū)配置

為保證用戶上車后順利進(jìn)入專網(wǎng)、全程占用專網(wǎng)、下車后順利離開專網(wǎng)，高鐵專網(wǎng)鄰區(qū)關(guān)系設(shè)置設(shè)置如下：

（1）專網(wǎng)入口：大網(wǎng)添加至專網(wǎng)的單向鄰區(qū)關(guān)系；

（2）專網(wǎng)出口：專網(wǎng)添加至大網(wǎng)的單向鄰區(qū)關(guān)系；

（3）非專網(wǎng)出入口：專網(wǎng)只添加至專網(wǎng)的雙向鄰區(qū)關(guān)系，不做與大網(wǎng)的鄰區(qū)關(guān)系。

4.5 切換參數(shù)

基本原則是減小切換判決門限及時(shí)間，加快專網(wǎng)小區(qū)之間的切換。表4為小區(qū)切換參數(shù)設(shè)置表。

表4 小區(qū)切換參數(shù)設(shè)置表

4.6 重選參數(shù)(建議著重說明與大網(wǎng)參數(shù)設(shè)置的差別)

（1）CBQ（Cell Bar Qualify，小區(qū)禁止限制），表5為CBQ與CBA組成小區(qū)的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)。

表5 CBQ與CBA組成小區(qū)的優(yōu)先級(jí)狀態(tài)

（2）ACCMIN（接入最小電平值），建議設(shè)置為-95dBm。

（3）CRO（小區(qū)重選參數(shù)）：建議設(shè)置為5（10dB）。

（4）CRH：建議設(shè)置為2。

CRH只在地市邊界或從大網(wǎng)向入口專網(wǎng)重選時(shí)才起作用，類似于切換中的HO MARGIN和KHYST，因?yàn)楦哞F車速快，所以CRH應(yīng)盡可能小。

5 結(jié)論

針對(duì)高速運(yùn)動(dòng)對(duì)無線網(wǎng)絡(luò)影響關(guān)鍵因素以及高鐵車廂穿透損耗對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響進(jìn)行詳細(xì)分析，本文提出了廣域場(chǎng)景、橋梁、隧道及防風(fēng)明洞4種場(chǎng)景無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案，希望能夠?qū)窈蟾哞F無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)起到指導(dǎo)作用。

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[2]張長(zhǎng)鋼,李保紅,李猛等.WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原理與實(shí)踐[M].北京：人民郵電出版社，2005.

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