黃甲福

（中鐵二十四局上海電務(wù)電化公司　福州分公司）

淺析高鐵公網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用

黃甲福

（中鐵二十四局上海電務(wù)電化公司福州分公司）

根據(jù)公網(wǎng)在高鐵覆蓋特點(diǎn)，結(jié)合溫福、福廈、龍廈及向莆高鐵公網(wǎng)覆蓋工程實(shí)際施工應(yīng)用，研究覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，并提出了幾種應(yīng)用方案，有效地應(yīng)對(duì)高鐵沿線各種復(fù)雜場(chǎng)景。

高速鐵路；覆蓋特點(diǎn)；增強(qiáng)技術(shù)；應(yīng)用方案

1　引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，近年高速鐵路網(wǎng)已初步形成，改善高速鐵路覆蓋質(zhì)量，以提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及提高服務(wù)質(zhì)量，對(duì)提升各運(yùn)營商品牌形象有至關(guān)重要意義。但公網(wǎng)在高速鐵路覆蓋中面臨很多挑戰(zhàn)，高速列車由于運(yùn)行速度快，列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，穿透損耗大，且沿途場(chǎng)景復(fù)雜，增加了高速鐵路公網(wǎng)連續(xù)覆蓋的難度，同時(shí)高鐵貫穿大網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，容易造成相互干擾，必須選擇合理的組網(wǎng)策略實(shí)現(xiàn)高鐵與大網(wǎng)間協(xié)同覆蓋。

本文通過分析高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)，針對(duì)高鐵特殊場(chǎng)景進(jìn)行運(yùn)用分析，提出了合理的應(yīng)用方案供參考。

2　高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)分析

（1）多普勒頻移影響，如不進(jìn)行有效校正，公網(wǎng)系統(tǒng)解調(diào)性能將嚴(yán)重惡化，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常通信。

高速鐵路覆蓋場(chǎng)景對(duì)公網(wǎng)系統(tǒng)性能影響最大的就是多普勒頻移效益。所謂的多普勒頻移效益是指接收到的信號(hào)的波長因?yàn)樾盘?hào)源和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化。多普勒頻移效益所引起的附加頻移稱為多普勒頻移。

對(duì)于高速移動(dòng)的用戶，多普勒頻移往往很大，對(duì)于基站接收機(jī)而言，正確估計(jì)上行頻率誤差并完成頻率誤差校正正是接收機(jī)必須完成的功能，否則將對(duì)上行鏈路性能造成很大的影響，基站接收機(jī)還需要應(yīng)對(duì)頻移快速變化的問題，能夠迅速跟上頻移變化速度并行有效的補(bǔ)償。如果頻移跟蹤速度過慢，則會(huì)在頻移快速變化時(shí)產(chǎn)生很大的估計(jì)誤差，將導(dǎo)致性能嚴(yán)重惡化。

（2）高速鐵路列車采用密閉式廂體，車體對(duì)無線信號(hào)穿透損耗大，造成高鐵覆蓋站點(diǎn)設(shè)置密集，站點(diǎn)選址較困難。

高鐵公網(wǎng)設(shè)計(jì)中，為確保用戶在各鐘車型中都可以進(jìn)行正常通話，首先要對(duì)各列車類型的穿透損耗值作相關(guān)測(cè)試。目前中國高鐵主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這四種類型，其中CRH1、CRH2、CRH5均為200km/h級(jí)別，CRH3為300km/h級(jí)別（營運(yùn)速度超過300km/h，其中CRH380型列車標(biāo)準(zhǔn)時(shí)速為380km/h）。

高速列車由于采用密閉箱體，所以車體對(duì)無線信號(hào)的穿透損耗較高，表1列舉了國內(nèi)幾種高速鐵路新型列車的車體穿透損耗值。

表1　各種車型損耗取值參考表

不同車型的列車車廂穿透損耗差異很大，全封閉的新型列車比莆通列車穿透損耗大5～10dB。在高速鐵路公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)中，應(yīng)考慮未來可能的車體類型的損耗，來滿足和兼容對(duì)各系列高速列車的覆蓋要求。

（3）高鐵跨度大，場(chǎng)景復(fù)雜。

一條高鐵通常經(jīng)過多個(gè)地市或省份，途徑多種場(chǎng)景，包括市區(qū)、火車站、山區(qū)丘陵/橋梁、平原、劈山口、隧道等，實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋難度加大。特別是無線電在隧道傳播條件差，由于在隧道內(nèi)墻壁對(duì)電磁波會(huì)產(chǎn)生屏蔽、吸收和散射作用，隧道其實(shí)相當(dāng)是一種超大尺寸的非理想波導(dǎo)環(huán)境，只有頻率高于其截止頻率的信號(hào)方能在隧道內(nèi)傳播。

（4）車速快，小區(qū)切換頻繁，影響接入成功率及尋呼成功率。

由于高速列車的高速運(yùn)動(dòng)，公網(wǎng)設(shè)備終端容易在切換區(qū)起呼，涉及信令階段的切換，此時(shí)需要考慮預(yù)留1.2s，而雙邊需要預(yù)留切換重跌區(qū)2.4s。以GSM系統(tǒng)為例，當(dāng)手機(jī)測(cè)量到鄰小區(qū)C2值高于服務(wù)區(qū)C2值且維持5s，手機(jī)將發(fā)起小區(qū)重疊；若在跨位置區(qū)域，則鄰小區(qū)C2值必須高于服務(wù)小區(qū)C2值與CRH設(shè)置值的和且維持5s，手機(jī)才發(fā)起小區(qū)重選和位置更新。列車在不同速度下，GSM所需要的重疊覆蓋區(qū)域如表2所示。

表2　列車運(yùn)營速度與重疊區(qū)域?qū)?yīng)表

3　高速鐵路公網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用方案

從以上高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)的分析可知，高鐵列車運(yùn)行速度極快，小區(qū)變更頻繁，將影響小區(qū)選擇。提升高鐵網(wǎng)絡(luò)性能最有效的手段就是應(yīng)用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋能力。因此，針對(duì)高鐵網(wǎng)絡(luò)，研究覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，有效應(yīng)對(duì)高鐵沿線的各種復(fù)雜場(chǎng)景，對(duì)高鐵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性起決定性的意義。

3.1采用多RRU合并小區(qū)技術(shù)

由于同一物理站址的兩個(gè)背靠背的STSR小區(qū)之間的信號(hào)重疊區(qū)過小，不足以滿足重疊區(qū)預(yù)留要求，容易導(dǎo)致切換、重選不及時(shí)，進(jìn)而導(dǎo)致起呼困難或切換掉話，所以高鐵沿線不建議采用傳統(tǒng)的STSR小區(qū)方式。

以下結(jié)合福廈及向莆高鐵典型覆蓋場(chǎng)景進(jìn)行多RRU合并小區(qū)技術(shù)的應(yīng)用分析：

3.1.1開闊地高速區(qū)場(chǎng)景

同物理站址的背靠背2RRU合并小區(qū)方式。

在高鐵開闊地，當(dāng)列車運(yùn)行時(shí)速大于200km的路段，建議采用背靠背2RRU合并小區(qū)的方式，2RRU合并小區(qū)的連接圖如圖1所示。

圖1　2RRU合并小區(qū)方式連接示意圖

下行基帶信號(hào)同時(shí)由兩個(gè)RRU發(fā)射，邏輯上屬于單個(gè)小區(qū)。當(dāng)列車行駛經(jīng)過基站時(shí)，不會(huì)發(fā)生小區(qū)之間的切換，從而提升性能。針對(duì)開闊地高速區(qū)場(chǎng)景，以典型天線有效掛高30m計(jì)，采用高鐵覆蓋傳播模型，背靠背的2RRU功分方式和STSR小區(qū)方式對(duì)比，站距不變，但小區(qū)覆蓋能力擴(kuò)大至2倍。相比RRU功分方式，單方向覆蓋能力可增加31％，站距擴(kuò)大31％。

所以多RRU合并小區(qū)技術(shù)在開闊地高速區(qū)場(chǎng)景應(yīng)用效果良好，因此外場(chǎng)中應(yīng)用廣泛，以下是以福廈鐵路泉州段聯(lián)通WCDMA為例，見圖2所示。

3.1.2單個(gè)隧道場(chǎng)景

多RRU合并小區(qū)方式使覆蓋能力得到充分發(fā)揮。

隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋，泄露電纜信號(hào)輻射方向垂直于列車行進(jìn)方向，因此隧道內(nèi)不會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，RRU合并不受影響，因此可以充分發(fā)揮多RRU合并小區(qū)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。

圖2　2RRU合并小區(qū)在開闊路段的應(yīng)用示意圖

工程中，隧道內(nèi)敷設(shè)泄露電纜，RRU功分覆蓋，多RRU進(jìn)行小區(qū)合并，擴(kuò)大隧道內(nèi)單小區(qū)信號(hào)覆蓋能力。同時(shí)，隧道口內(nèi)、外由同一小區(qū)覆蓋，列車進(jìn)出隧道口時(shí)不發(fā)生切換，常用的隧道口覆蓋方式有：

（1）隧道口外RRU拉遠(yuǎn)覆蓋隧道內(nèi)。

（2）隧道口RRU和隧道外RRU進(jìn)行小區(qū)合并。

以下是福廈高鐵泉州路段聯(lián)通WCDMA為例：

天馬山隧道全長3644m，采用6個(gè)RRU完成信號(hào)覆蓋，且6 個(gè)RRU進(jìn)行小區(qū)合并，隧道口則放置RRU并架設(shè)天線向外覆蓋。隧道內(nèi)RRU功分覆蓋，單方向覆蓋500m，RRU間距1000m，RRU之間無需進(jìn)行信號(hào)重疊區(qū)預(yù)留。隧道口RRU和隧道內(nèi)RRU屬于同一小區(qū)，避免了切換區(qū)發(fā)生在隧道口，覆蓋示意圖如圖3所示。

圖3　多RRU小區(qū)技術(shù)在超長隧道應(yīng)用示意圖

3.1.3復(fù)雜隧道群場(chǎng)景

多RRU合并小區(qū)技術(shù)足以勝任。

對(duì)復(fù)雜隧道群場(chǎng)景進(jìn)行了分析，傳統(tǒng)的STSR小區(qū)方式和RRU功分方式不足以勝任。由于多RRU合并小區(qū)的強(qiáng)大覆蓋擴(kuò)展能力，足以勝任這類復(fù)雜場(chǎng)景。以下是向莆鐵路泰寧段外場(chǎng)實(shí)例，移動(dòng)、電信及聯(lián)通三家運(yùn)營商共建，如圖4所示。

圖4中，隧道之間的間隔分別是75m、1054m、116m、1476m 和2592m。顯然75m和116m的間隔不足以滿足重疊區(qū)預(yù)留，需要由同一小區(qū)提供覆蓋。實(shí)際工程中，我們采用的措施如下：

（1）采用隧道口架設(shè)RRU功分覆蓋隧道內(nèi)和隧道口，包含八里村2#隧道口、八里村1#隧道口及丹金山2#隧道口。

（2）隧道內(nèi)采用RRU功分覆蓋，如新勝村隧道、丹金山1#隧道。

（3）2592m的開闊地由背靠背2個(gè)RRU進(jìn)行覆蓋。

整個(gè)隧道群場(chǎng)景每家運(yùn)營商分別使用7個(gè)RRU，且7個(gè)RRU進(jìn)行小區(qū)合并，歸屬于同一小區(qū)，極大擴(kuò)展了單小區(qū)覆蓋能力。

從以上多RRU合并小區(qū)技術(shù)在高鐵覆蓋場(chǎng)景中的應(yīng)用可知，正是由于多RRU合并小區(qū)的強(qiáng)大的單小區(qū)覆蓋能力，因此能有效應(yīng)對(duì)高鐵沿線的各種復(fù)雜場(chǎng)景，形成良好的連續(xù)覆蓋，提升高鐵網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖4　多RRU小區(qū)在隧道群的應(yīng)用示意圖

3.2采用40W小區(qū)功率配置

通過福廈鐵路福州段現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)如表3所示（UE位于靠窗位置、靠過道位置進(jìn)行測(cè)試）。

表3　不同小區(qū)功率下的RSCP和Ec/Io對(duì)比分析

發(fā)現(xiàn)40W小區(qū)功率，相對(duì)于20W小區(qū)功率，其下行導(dǎo)頻覆蓋改善明顯，同時(shí)可以提供足夠的下行功率，確保HSDPA吞吐量。而60W小區(qū)功率，相對(duì)于40W小區(qū)功率，則在導(dǎo)頻覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量上改善不明顯。因此，建議高鐵小區(qū)配置40W小區(qū)功率，可有效提高下行導(dǎo)頻覆蓋指標(biāo)，使小區(qū)高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋范圍明顯擴(kuò)大，以滿足車廂內(nèi)大部分區(qū)域的信號(hào)覆蓋要求。

3.3保證天線附掛有效高度

高鐵沿線跨度大，地勢(shì)起伏，地形復(fù)雜。需要特別注意天線和軌道面之間的高度差，即確定天線有效高度。因此高鐵實(shí)際規(guī)劃中，建議為站點(diǎn)位于高鐵紅線內(nèi)時(shí)，天線有效掛在15m以上；站點(diǎn)位于高鐵紅線外時(shí)，建議天線有效掛高在30m以上。

3.4采用RRU上塔方式

在高鐵覆蓋中，建議采用分布式基站BBU+RRU，RRU直接安裝在塔頂，相比RRU下塔可減少饋線損耗，同步擴(kuò)大上行和下行覆蓋半徑，改善上下行覆蓋。

實(shí)際應(yīng)用中，也可能應(yīng)用塔放以彌補(bǔ)饋線損耗，改善基站合成噪聲系數(shù)來改善上行覆蓋。塔放對(duì)下行鏈路的影響體現(xiàn)在插入損耗（典型值是0.5dB）的引入上，使用塔放時(shí)的下行覆蓋半徑將縮小。

3.5長大橋梁宜采用高增益天線

對(duì)于跨越大江大河、跨度較大的橋梁，橋梁長達(dá)幾千米，大于站距，橋梁中斷往往由于條件限制無法設(shè)站，普遍采用在橋兩頭設(shè)站點(diǎn)架設(shè)天線進(jìn)行信號(hào)覆蓋，如采用普通功率信源設(shè)備，通過路測(cè)會(huì)發(fā)現(xiàn)橋梁中段信號(hào)往往覆蓋不理想。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)采用高增益天線向橋梁中點(diǎn)方向輻射，盡量擴(kuò)展覆蓋能力，來實(shí)現(xiàn)橋梁中段信號(hào)覆蓋，以滿足長大橋梁公網(wǎng)信號(hào)的連續(xù)覆蓋。

3.6大型客站采取室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)

高速鐵路沿線往往新建若干個(gè)大型客站，由于高層建筑的信號(hào)通常較弱且不穩(wěn)定，多存在明顯的孤島效應(yīng)。因此通常引入室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)由信源和天線分布系統(tǒng)組成，利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將宏基站信號(hào)均勻分布在各個(gè)角落，從而保證大型客站室內(nèi)各區(qū)域有理想的信號(hào)覆蓋。

4　結(jié)束語

公網(wǎng)在高鐵有效覆蓋能給運(yùn)營商產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了品牌形象，也為用戶提供了優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。作為高鐵覆蓋重要一環(huán)，部分特殊場(chǎng)景是否解決好，將極大地影響整個(gè)線路的連續(xù)覆蓋。本文對(duì)高鐵覆蓋增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，提出了建議及方案，但實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境運(yùn)用中，需深入現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際摸索、研究、對(duì)比，拿出更佳的覆蓋方案。

[1]陳雄穎，蘇華鴻，編著.高鐵覆蓋傳播模型的探討[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2009（6）.

[2]韓斌杰，編著.GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].機(jī)械工業(yè)出版社2001

[3]李富芯，謝鷹，劉文鵬，編著.高速鐵路移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的研究[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2008.

[4]金立新，編著.高速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化及故障處理典型案例[M].中國鐵道出版社，2011.

U285

A

1673-0038（2015）04-0120-03

2015-1-10