趙悅，姜海云，楊桐

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)天津有限公司，天津 300090）

高速鐵路有效覆蓋電平與站間距分析

趙悅，姜海云，楊桐

（中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)天津有限公司，天津 300090）

本文首先對(duì)高速鐵路的兩大覆蓋難點(diǎn)進(jìn)行了介紹，并歸納總結(jié)了國(guó)內(nèi)現(xiàn)有高速鐵路主流的4種覆蓋模式，尤其對(duì)高鐵專網(wǎng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了簡(jiǎn)介。同時(shí)，輔以國(guó)內(nèi)某高鐵GSM和TD-SCDMA專網(wǎng)海量測(cè)試數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，通過(guò)載干比、話音質(zhì)量剖析了有效覆蓋電平范圍值。其次，對(duì)高鐵專網(wǎng)分場(chǎng)景下的站間距、有效覆蓋電平和成本三因素點(diǎn)進(jìn)行了綜合考評(píng)并提出相應(yīng)站點(diǎn)設(shè)計(jì)建議。最后，結(jié)合高速鐵路的兩大覆蓋難點(diǎn)對(duì)未來(lái)高鐵覆蓋模式進(jìn)行了展望。

高速鐵路；多普勒頻移；高鐵專網(wǎng)；有效覆蓋電平；站間距

高速鐵路已成為現(xiàn)今社會(huì)快速發(fā)展中全新的運(yùn)輸方式，而中國(guó)高鐵350 km甚至更高的時(shí)速代表了目前世界最高的高鐵速度。同時(shí)，中空鋁合金材質(zhì)車體成為車體強(qiáng)度，重量和能源節(jié)省等綜合考評(píng)下的最優(yōu)之選和后期鐵路車廂制造的主流發(fā)展方向。

相對(duì)無(wú)線信號(hào)而言，在高鐵車廂內(nèi)實(shí)現(xiàn)良好的話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，有效覆蓋電平即為首要需求。但在高鐵高速場(chǎng)景和車體屏蔽嚴(yán)重的雙重主要條件制約下，由高鐵專網(wǎng)站間距和建設(shè)維護(hù)成本到提高高鐵車內(nèi)有效覆蓋電平占比的博弈一直愈演愈烈。同時(shí)，未來(lái)高速鐵路場(chǎng)景下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋新模式也是近幾年?duì)幭嘤懻摵筒粩嗝鞯那把卣n題。有效覆蓋電平保持在何種水平，如何保證有效覆蓋電平的前提下，實(shí)現(xiàn)低成本下合理站間距和未來(lái)高速鐵路覆蓋新模式都將是本文主要討論的重點(diǎn)。

1 高鐵場(chǎng)景特點(diǎn)

高速鐵路現(xiàn)階段主要面對(duì)兩大場(chǎng)景優(yōu)化難點(diǎn)：高鐵車體損耗和高速環(huán)境下的多普勒頻移。

1.1 高鐵車體損耗

目前，中國(guó)高速鐵路列車（CRH）車型共4種類型：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。車體多為中空鋁合金構(gòu)成，對(duì)無(wú)線信號(hào)的損耗由10～25 dBm不等。大幅的電平衰減以及車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)弱覆蓋，成為制約高鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量?jī)?yōu)化提升的首要難點(diǎn)。

1.2 多普勒頻移

所謂多普勒頻移是指當(dāng)終端在運(yùn)動(dòng)中通信時(shí)，特別是在高速情況下，相對(duì)發(fā)射端，接收端的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒頻移。

f0：系統(tǒng)工作頻率；

v：移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；

fD：最大多普勒頻移；

θ：多徑信號(hào)合成傳播方向與移動(dòng)臺(tái)行進(jìn)方向夾角；

λ：波長(zhǎng)。

從公式中可看出，f0、v、λ和θ實(shí)際為決定頻偏大小的可變變量。而在實(shí)際無(wú)線網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)中，f0、λ和θ已在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)初期基本選定和確定下來(lái)，可變化范圍較小，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化調(diào)整局限性大。但v在頻偏變量中是變化范圍最大的一個(gè)變量。在實(shí)際的高鐵網(wǎng)絡(luò)測(cè)試中，頻率偏移效應(yīng)隨列車速度加快而明顯，電平不斷衰減。

由此可見，頻移大小和運(yùn)動(dòng)速度成正比，運(yùn)動(dòng)速度越快頻偏越大；頻偏越大，實(shí)際測(cè)試時(shí)會(huì)導(dǎo)致誤碼率越高，移動(dòng)臺(tái)與網(wǎng)絡(luò)信令交互越困難。所以，既定高鐵網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，速度在多普勒效應(yīng)里起到了主導(dǎo)作用，也是僅次于車體屏蔽后的第二個(gè)制約高鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量?jī)?yōu)化提升難點(diǎn)。

2 高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋

現(xiàn)階段，中國(guó)鐵路的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要有4種模式：公網(wǎng)覆蓋、宏專網(wǎng)覆蓋、微網(wǎng)覆蓋和共小區(qū)專網(wǎng)覆蓋。4種網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式各有優(yōu)缺點(diǎn)，要實(shí)現(xiàn)信號(hào)覆蓋全、網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量?jī)?yōu)和客戶感知強(qiáng)的目標(biāo)，一般通信運(yùn)營(yíng)商會(huì)甄選高鐵專網(wǎng)模式覆蓋高速鐵路，降低上一小節(jié)介紹的高鐵兩大覆蓋優(yōu)化難點(diǎn)的影響。

2.1 高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋選擇

4種網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式中，每種網(wǎng)絡(luò)模式都存在各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以下為各種組網(wǎng)方式特點(diǎn)、優(yōu)缺點(diǎn)、適合場(chǎng)景和時(shí)期的比對(duì)。

（1）公網(wǎng)覆蓋：通過(guò)對(duì)現(xiàn)有基站的調(diào)整，增強(qiáng)信號(hào)覆蓋，基站同時(shí)覆蓋鐵路和周邊用戶。優(yōu)點(diǎn)是容易實(shí)現(xiàn)成本低。缺點(diǎn)是多小區(qū)覆蓋、公網(wǎng)鄰區(qū)多、不適合復(fù)雜場(chǎng)景、指標(biāo)提升難度大。適合高鐵開通初期、過(guò)渡時(shí)期。

（2） 宏專網(wǎng)覆蓋：采用宏蜂窩基站覆蓋高速鐵路，并構(gòu)成專網(wǎng)，GSM規(guī)劃為同一個(gè)BSC/LAC，TDSCDMA規(guī)劃為同一個(gè)RNC/RAU。優(yōu)點(diǎn)是專網(wǎng)小區(qū)覆蓋、鄰區(qū)關(guān)系簡(jiǎn)單、切換帶切換序列明確。缺點(diǎn)是覆蓋范圍難控制、對(duì)公網(wǎng)影響影響大。適合無(wú)線環(huán)境簡(jiǎn)單、環(huán)境開闊場(chǎng)景組網(wǎng)。

（3） 微專網(wǎng)覆蓋：采用光纖直放站遠(yuǎn)端覆蓋高速鐵路，并構(gòu)成專網(wǎng)，GSM規(guī)劃為同一個(gè)BSC/LAC，TD-SCDMA規(guī)劃為同一個(gè)RNC/RAU。優(yōu)點(diǎn)是直放站拉遠(yuǎn)覆蓋、容易實(shí)現(xiàn)小區(qū)覆蓋延伸。缺點(diǎn)是設(shè)備性能不穩(wěn)定、上行干擾大、監(jiān)控穩(wěn)定性差。適合各種場(chǎng)景使用。

（4） 共小區(qū)專網(wǎng)覆蓋：采用BBU+RRU分布式基站覆蓋高速鐵路，并構(gòu)成專網(wǎng)，GSM規(guī)劃為同一個(gè)BSC/LAC，TD-SCDMA規(guī)劃為同一個(gè)RNC/RAU。優(yōu)點(diǎn)是共小區(qū)拉遠(yuǎn)覆蓋，適合高速鐵路建網(wǎng)。缺點(diǎn)是載頻容量受限、已商用廠家設(shè)備穩(wěn)定性、成熟度還有待加強(qiáng)。適合各種場(chǎng)景使用。

綜合比對(duì)以上4種鐵路覆蓋模式，宏專網(wǎng)覆蓋、微專網(wǎng)覆蓋和共小區(qū)專網(wǎng)覆蓋規(guī)劃為同一個(gè)位置區(qū)的組網(wǎng)模式更適合鐵路場(chǎng)景的覆蓋，避免了移動(dòng)臺(tái)的頻繁位置更新、小區(qū)重選和切換，可有效提升網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)和客戶感知。其中，共小區(qū)BBU+RRU專網(wǎng)組網(wǎng)構(gòu)架尤為適合在高速鐵路場(chǎng)景下使用，RRU的拉遠(yuǎn)可在幾公里甚至十幾公里鐵路沿線形成一個(gè)超級(jí)小區(qū)供移動(dòng)臺(tái)使用。

2.2 高鐵專網(wǎng)組網(wǎng)

上面提到的共小區(qū)專網(wǎng)組網(wǎng)模式，實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)用“空間換時(shí)間”目的，即將同一個(gè)小區(qū)拉至不同的鐵路沿線物理站點(diǎn)，覆蓋鐵路的一部分線狀路段?？臻g上移動(dòng)臺(tái)通過(guò)這一鐵路路段，時(shí)間上拉長(zhǎng)移動(dòng)臺(tái)占用同一小區(qū)的時(shí)間。有效避免頻繁位置更新、小區(qū)重選和切換導(dǎo)致的未接通、掉話和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)掉線的發(fā)生。專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

3 有效覆蓋電平與專網(wǎng)站間距

3.1 有效覆蓋電平與網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)系

圖1 高鐵專網(wǎng)結(jié)構(gòu)

現(xiàn)階段，國(guó)內(nèi)高鐵專網(wǎng)覆蓋分GSM和TD-SCDMA專網(wǎng)兩種。經(jīng)采用中國(guó)移動(dòng)自動(dòng)路測(cè)軟件對(duì)國(guó)內(nèi)某高鐵GSM和TD-SCDMA專網(wǎng)在無(wú)站點(diǎn)故障的前提下，反復(fù)測(cè)試，采集足量數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)在低于電平-75dBm時(shí)， GSM專網(wǎng)C/I比例會(huì)出現(xiàn)拐點(diǎn)，出現(xiàn)陡降的情況。同時(shí)，話音質(zhì)量（RxQual）也會(huì)隨之陡然變差。如圖2所示。

而利用中國(guó)移動(dòng)自動(dòng)路測(cè)軟件對(duì)該高鐵TD-SCDMA專網(wǎng)進(jìn)行反復(fù)拉網(wǎng)測(cè)試后發(fā)現(xiàn)，在綜合PCCPCH和DPCH電平統(tǒng)計(jì)后，如電平低于-80 dBm后C/I比會(huì)出現(xiàn)緩慢下降，而在電平低于-75 dBm后TrchBler高于5%的占比會(huì)隨之上升，即出現(xiàn)話音質(zhì)差情況，實(shí)際客戶話音感知也會(huì)下降。如圖3所示。

綜合該國(guó)內(nèi)某高鐵GSM和TD-SCDMA拉網(wǎng)測(cè)試結(jié)果可見，如將GSM和TD-SCDMA專網(wǎng)在高鐵車廂內(nèi)電平控-75 dBm以上占比擴(kuò)大，勢(shì)必能大幅提高整個(gè)高鐵專網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，并將有效提升客戶通話感知。

3.2 專網(wǎng)站間距淺析

上一小節(jié)已經(jīng)通過(guò)質(zhì)量與電平對(duì)比關(guān)系進(jìn)行了解析，在電平高于-75 dBm后，會(huì)給移動(dòng)臺(tái)提供一個(gè)良好的無(wú)線環(huán)境。在運(yùn)營(yíng)商尋求節(jié)約及低成本運(yùn)營(yíng)的今天，減少投入又能提高高鐵車廂內(nèi)有效覆蓋電平占比即成為無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和優(yōu)化調(diào)整首要和關(guān)鍵目標(biāo)。以下兩小節(jié)將從保證有效覆蓋電平的前提下，對(duì)分場(chǎng)景站間距和國(guó)內(nèi)某高鐵站間距實(shí)例對(duì)專網(wǎng)站間距進(jìn)行闡述。

3.2.1 站間距推算

高鐵專網(wǎng)站點(diǎn)覆蓋間距是由傳播模型、基站參數(shù)、移動(dòng)臺(tái)參數(shù)和環(huán)境參數(shù)等鏈路預(yù)算參數(shù)綜合計(jì)算出來(lái)的理論數(shù)據(jù)。由于鏈路預(yù)算部分不作為本文章重點(diǎn)介紹章節(jié)，所以僅摘取國(guó)內(nèi)某高鐵專網(wǎng)GSM組網(wǎng)工程基站站間距計(jì)算表進(jìn)行示例說(shuō)明，如表1所示。

圖2 電平、質(zhì)量和載干比在GSM高鐵專網(wǎng)內(nèi)的關(guān)系

圖3 電平、質(zhì)量和載干比在TD-S高鐵專網(wǎng)內(nèi)的關(guān)系

表1 高鐵站間距計(jì)算表

通過(guò)以上無(wú)線鏈路發(fā)射功率、車體損耗、多徑衰落和天線相對(duì)掛高等主要覆蓋影響因素可認(rèn)為專網(wǎng)天線與鐵路軌道相對(duì)高度越高，可覆蓋距離越遠(yuǎn)。但考慮到多普勒頻移、移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子、天線到車廂入射角大于10°以及專網(wǎng)與公網(wǎng)頻率干擾問(wèn)題，應(yīng)盡量避免站間距過(guò)大和天線相對(duì)軌面掛高過(guò)高的情況，以達(dá)到較好的有效覆蓋電平和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。同時(shí)，更應(yīng)基于頻率規(guī)劃按鐵路周邊場(chǎng)景進(jìn)行站間距的細(xì)分。

3.2.2 分場(chǎng)景專網(wǎng)站間距分析

同樣以國(guó)內(nèi)某條高鐵專網(wǎng)站間距與有效覆蓋電平（-75 dBm以上）占比對(duì)比表為例，如表2所示。

表2 有效覆蓋電平占比

現(xiàn)該國(guó)內(nèi)高鐵整體車廂內(nèi)有效覆蓋電平尚有約10%的提升空間。沿該高鐵線實(shí)地逐站點(diǎn)勘察，有效覆蓋電平不足點(diǎn)來(lái)源于以下兩方面：首先，高層建筑的阻擋（市區(qū)段尤為明顯）；其次，站點(diǎn)至軌道距離過(guò)大，有效覆蓋電平覆蓋路段收縮（郊區(qū)段尤為明顯）；結(jié)合表2和實(shí)際勘察情況，可提出如下建議：市區(qū)段應(yīng)縮短平均站間距，并將天線相對(duì)掛高降低，同時(shí)規(guī)避高層等對(duì)信號(hào)有阻擋的物體，將有效提高市區(qū)段高鐵車內(nèi)有效覆蓋電平強(qiáng)度，站間距建議為0.6 km左右。郊區(qū)段在保證站點(diǎn)與鐵路垂直距離不超過(guò)100 m，站間距可增大至1.2 km左右。農(nóng)村段物理環(huán)境簡(jiǎn)單，遮擋較少，同樣保證站點(diǎn)與鐵路垂直距離在100 m以內(nèi)，站間距仍可進(jìn)一步拉大至1.5 km這個(gè)站間距上限。

結(jié)合有效覆蓋電平和站間距分析，在后期的鐵路規(guī)劃建設(shè)中建議：密集市區(qū)場(chǎng)景可適當(dāng)拉近高鐵專網(wǎng)站點(diǎn)距離，規(guī)避鐵路沿線周邊高層的阻擋。郊區(qū)和農(nóng)村段場(chǎng)景可在保證專網(wǎng)站點(diǎn)與鐵路距離不過(guò)遠(yuǎn)的前提下，拉大站點(diǎn)距離。由于一般鐵路市區(qū)路段較短，郊區(qū)和農(nóng)村路段較長(zhǎng)，按場(chǎng)景線路比例來(lái)計(jì)算，整體將減少建站需求，降低專網(wǎng)投入和后期維護(hù)成本。

4 未來(lái)高鐵覆蓋展望

4.1 從高速鐵路頻率的使用到TD-LTE應(yīng)用

現(xiàn)階段，高鐵專網(wǎng)GSM網(wǎng)絡(luò)一般使用的是900 MHz頻段，TD-SCDMA使用的是A頻段。但是，GSM900 MHz頻段在某些城市城區(qū)使用過(guò)密，容易出現(xiàn)專網(wǎng)和公網(wǎng)小區(qū)同鄰頻的干擾的問(wèn)題，而1800 MHz頻段相對(duì)較為“干凈”。那未來(lái)可將1800 MHz頻段引入作為高鐵市區(qū)段專網(wǎng)的頻點(diǎn)來(lái)使用。在考慮1800 MHz頻率相比900 MHz頻偏約1倍的問(wèn)題（通過(guò)多普勒頻移計(jì)算），建議將站間距拉近提升入射角度來(lái)彌補(bǔ)1800 MHz頻移較大的影響。

同時(shí)，近來(lái)TD-LTE的逐步商用烽火必將影響至高速鐵路。而LTE使用的F頻段在多普勒頻移上較其它LTE可用頻段略有優(yōu)勢(shì)。預(yù)計(jì)為今后多用于高鐵專網(wǎng)鐵路頻段首選。

5.2 高速鐵路車載基站的展望

在本論文開篇時(shí)，我們提及了車體屏蔽和多普勒頻移的問(wèn)題。同時(shí)，通篇也是討論如何通過(guò)專網(wǎng)站點(diǎn)距離提升有效覆蓋電平?？v觀現(xiàn)有高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋模式，都是由車外基站覆蓋車內(nèi)。如果考慮將分布系統(tǒng)的概念引入到高鐵覆蓋上，也就是在高鐵車內(nèi)安裝車載基站。此舉既保證了車內(nèi)覆蓋電平強(qiáng)度，又因?yàn)榛就哞F車廂同車移動(dòng)，避免了移動(dòng)臺(tái)與基站間多普勒頻移的影響。再者，因?yàn)椴煌熊噧?nèi)可以使用相同頻點(diǎn)，提高了頻點(diǎn)復(fù)用，也減少了對(duì)公網(wǎng)的干擾?，F(xiàn)有比較成熟的高鐵車內(nèi)覆蓋方案主要有Femto和High-Speed Railway Communication（HRC）兩種。

同時(shí)，LTE技術(shù)的應(yīng)用將大大解決兩大車內(nèi)覆蓋的車地回傳數(shù)據(jù)傳輸問(wèn)題。鐵路乃至高速鐵路的寬帶覆蓋夢(mèng)想將指日可待。

[1] 劉鵬飛，岳磊，楊玉東. GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化理論與實(shí)踐[M]，北京：人民郵電出版社，2013.P246-250.

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Analysis of effective coverage level and station spacing of high-speed railway

ZHAO Yue, JIANG Hai-yun, YANG Tong
(China Mobile Group Tianjin Co., Ltd., Tianjin 300090, China)

First of all, this paper introduces the two coverage problems of high-speed railway, and summarizes the four coverage mode of domestic existing high-speed railway mainstream. Especially, for proprietary high-speed railway network structure is briefly introduced in this paper. At the same time, the paper analysis the effective coverage level range value through the carrier-to-interference ratio, voice quality, based on a high-speed railway network GSM and TD-SCDMA mass data. Secondly, the high-speed railway network is divided into scenarios station spacing. Effective coverage level and the cost of three factors were comprehensive evaluation and put forward the corresponding site design suggestions. Finally, combined with the two cover diffculties of high-speed railway has carried on the forecast to the future high-speed railway cover pattern.

high-speed railway; doppler shift; proprietary high-speed railway network; effective coverage level; station spacing

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0060-05

CSR公司成為Mopria移動(dòng)打印聯(lián)盟常務(wù)理事成員

2013-11-26

CSR公司日前宣布加入Mopria移動(dòng)打印聯(lián)盟并成為常務(wù)理事成員。作為聯(lián)盟成員，CSR將積極參與移動(dòng)打印標(biāo)準(zhǔn)的評(píng)選及開發(fā)，以應(yīng)對(duì)逐漸興起的移動(dòng)時(shí)代。CSR將與其他聯(lián)盟成員以及佳能、惠普、三星和施樂(lè)等創(chuàng)始成員一起致力于為消費(fèi)者打造無(wú)縫的移動(dòng)打印體驗(yàn)。

CSR文檔成像部門產(chǎn)品營(yíng)銷高級(jí)總監(jiān)Neil Epstein表示:“作為全球移動(dòng)打印技術(shù)領(lǐng)先提供商，CSR將極大地促進(jìn)Mopria移動(dòng)打印聯(lián)盟目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。據(jù)IDC預(yù)測(cè)顯示，2015年50%的智能手機(jī)及58%的平板電腦用戶將使用移動(dòng)打印功能。打印機(jī)廠商將面臨雙重挑戰(zhàn)，他們不僅需要實(shí)現(xiàn)從傳統(tǒng)的PC打印到移動(dòng)設(shè)備便捷打印的轉(zhuǎn)型，而且還需進(jìn)一步開發(fā)出全新用例，例如通過(guò)連接可穿戴設(shè)備進(jìn)行打印?！?/p>