XX高鐵無線覆蓋方案

1、XX高鐵無線覆蓋方案馬雪亮【摘 要】：隨著我國高速鐵路在全國的迅速建設(shè)，人們的出行更加便捷，但也對(duì)移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)造成新的困難和壓力。本文針對(duì)高鐵某段通信覆蓋問題，通過分析高鐵環(huán)境對(duì)無線通信網(wǎng)絡(luò)的影響，闡述高速鐵路建設(shè)難點(diǎn)，給出了XX高鐵某段無線覆蓋方案。【關(guān)鍵詞】：高速鐵路、專網(wǎng)覆蓋、多普勒效應(yīng)、無線1、引言由于受到高速移動(dòng)時(shí)的多普勒效應(yīng)、快衰落、列車材質(zhì)等問題的影響，在高鐵上會(huì)經(jīng)常出現(xiàn)掉話率高、接通率低、切換混亂等現(xiàn)象，為確保XX高鐵某段的通信覆蓋質(zhì)量，本文通過總結(jié)高鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，給出了XX高鐵某段無線覆蓋方案。2、高鐵無線覆蓋難點(diǎn)分析高鐵覆蓋與一般無線場景覆蓋的主要區(qū)別是：(1)高

2、鐵無線覆蓋區(qū)是狹長定向形，天線的指向角度比較明確；（2)終端的快速移動(dòng)引起信號(hào)多普勒頻移，需要預(yù)先估計(jì)信號(hào)畸變產(chǎn)生的影響；（3)高鐵通信的無線路徑，存在車體的阻擋，必須估算不同機(jī)車的穿透衰耗。2.1多普勒頻移分析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)象稱為多普勒效應(yīng)1。在移動(dòng)通信中，特別是高速環(huán)境下，多普勒效應(yīng)比較明顯。多普勒效應(yīng)產(chǎn)生附加頻移稱為多普勒頻移： （1）圖2-1 多普勒頻移示意圖 根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)2，GSM最大允許的多普勒頻移是1.3 kHz。按火車速度300公里/小時(shí)，GSM900/1800MHz網(wǎng)絡(luò)頻率偏差是500/1000 Hz，處于接收機(jī)允許接

3、收范圍。因此，高速環(huán)境下多普勒頻移對(duì)網(wǎng)絡(luò)影響較小。2.2車體損耗目前，我國的高鐵機(jī)車類型主要有龐巴迪、動(dòng)車組列車。下表為國內(nèi)正在運(yùn)營的四種動(dòng)車組列車概況3，其中CRH1動(dòng)車組為龐巴迪列車：表2.2-1 動(dòng)車組機(jī)車概況根據(jù)測試統(tǒng)計(jì)，龐巴迪穿透損耗為2030dB（一般取24dB），其他列車穿透損耗為510dB。具體穿透損耗見下圖：圖2-2 不同類型列車穿透損耗圖目前滬寧高鐵運(yùn)行的是CRH3車型，穿透損耗約25dB，若再考慮實(shí)際覆蓋時(shí)基站入射角度與列車夾角等問題，實(shí)際穿透損耗會(huì)更大，從而導(dǎo)致列車內(nèi)覆蓋嚴(yán)重下降，影響正常切換，產(chǎn)生掉話和通話質(zhì)量差的問題。2.3切換頻繁以某段高鐵為例，設(shè)計(jì)時(shí)速250km

4、/h,按照原公網(wǎng)設(shè)計(jì)（站間距1.5km）列車每20s通過一個(gè)基站，這種高速移動(dòng)將導(dǎo)致列車在較短的時(shí)間內(nèi)頻繁的穿過多個(gè)小區(qū)，致使大量的信道資源被占用，切換成功率低。而小區(qū)重選也需要時(shí)間完成，根據(jù)通信協(xié)議規(guī)定鄰區(qū)C2值高于服務(wù)小區(qū)C2值連續(xù)維持5s，手機(jī)將小區(qū)重選，因此高鐵通信設(shè)計(jì)中兩小區(qū)重選重疊區(qū)應(yīng)保證列車10s運(yùn)行時(shí)間4。不同運(yùn)行速度下手機(jī)在常規(guī)小區(qū)中駐留的時(shí)間和所需重疊覆蓋區(qū)距離如下表所示：表2.3-1 重疊區(qū)距離統(tǒng)計(jì)列車行駛速度（km/h）穿越單個(gè)小區(qū)所用時(shí)間（s）6s重疊覆蓋距離（m）10s重疊覆蓋距離（m）150242504172001833355625014.441769430012

5、50083335010.358397240096661111但因動(dòng)車穿透損耗較大，公網(wǎng)基站的重疊寬度一般不能保障10s的重疊覆蓋，高鐵用戶經(jīng)常出現(xiàn)脫網(wǎng)和掉話現(xiàn)象。綜上所述，高鐵的無線覆蓋應(yīng)重點(diǎn)考慮覆蓋重疊區(qū)的設(shè)計(jì)、站址的合理選擇等因素。傳統(tǒng)公網(wǎng)的GSM基站建設(shè)密度和位置一般不能滿足現(xiàn)有高鐵覆蓋的要求，目前較為理想的覆蓋方案就是利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，基于分布式基站技術(shù)以專網(wǎng)的形式進(jìn)行高鐵覆蓋。3、基于分布式基站覆蓋高鐵的問題分析基于分布式基站的高速鐵路覆蓋技術(shù)是指使用分布式基站，采用BBU+RRU的射頻拉遠(yuǎn)技術(shù)、自動(dòng)頻率校正技術(shù)、快速切換算法及多RRU共小區(qū)技術(shù)的綜合方案，對(duì)高鐵沿線進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋4。

6、其原理是在多個(gè)不同站點(diǎn)的RRU配置相同的頻率組，利用BBU控制多個(gè)RRU的同步收發(fā)。這幾個(gè)站點(diǎn)的RRU屬于一個(gè)邏輯小區(qū)，即利用共小區(qū)方式，擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋范圍，減少高鐵上的小區(qū)切換與重選次數(shù)，節(jié)約基站建設(shè)費(fèi)用，提高覆蓋網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。具體設(shè)計(jì)思路是把S個(gè)物理小區(qū)合成一個(gè)邏輯小區(qū)，即將S個(gè)RRU映射到單獨(dú)一個(gè)邏輯小區(qū)進(jìn)行覆蓋，一臺(tái)BBU負(fù)責(zé)管理S個(gè)RRU構(gòu)成的這個(gè)邏輯小區(qū)；n臺(tái)BBU構(gòu)成的n個(gè)邏輯小區(qū)沿著高鐵線路依次級(jí)聯(lián)，每相鄰兩個(gè)邏輯小區(qū)的邊界處RRU形成相互切換關(guān)系，同時(shí)保證前后兩個(gè)相互級(jí)聯(lián)的邏輯小區(qū)間才能做相互切換。從而實(shí)現(xiàn)在高鐵列車運(yùn)行方向上邏輯小區(qū)間的固定切換，這種切換過程簡單易實(shí)現(xiàn)，切換準(zhǔn)確

7、，極大的減小了小區(qū)邊緣切換掉話的可能性。下圖是分布式基站組網(wǎng)原理圖：圖3-1 分布式基站組網(wǎng)方案高鐵覆蓋方案在實(shí)際的建設(shè)中，還有一些問題需要考慮，經(jīng)分析主要涉及以下幾點(diǎn)。3.1高鐵覆蓋站間距規(guī)劃（1）單基站小區(qū)覆蓋：一般高鐵覆蓋均使用單小區(qū)雙方向覆蓋的方式（如下圖）。這種方式采用高增益天線增加了鐵路覆蓋范圍，又減少了切換次數(shù)，即使每個(gè)方向上增加了3.5dB的功分器衰耗，但總覆蓋距離增加了近50%。圖3.1-1 分布式基站組網(wǎng)方案（2）無線鏈路預(yù)算：假設(shè)遠(yuǎn)端輸出功率為40dBm，接頭、饋線、功分器損耗共7dB，天線增益是21dBi，天線口發(fā)射功率為50dBm，當(dāng)車內(nèi)信號(hào)需要-85dBm時(shí)，車外接

8、收信號(hào)強(qiáng)度Rxlev=-85+24（車體穿透損耗）=-61dBm，從而計(jì)算出自由空間的傳播路徑損耗為：Lp=50-（-61）=111dB。在GSM900Mhz頻段，結(jié)合本次某段高鐵環(huán)境，設(shè)計(jì)方案選取OkumuraHata模型進(jìn)行無線鏈路預(yù)算。得到列車外傳播模型： （2）其中，：無線衰耗；：載波頻率（適于GSM900MHz）；：天線掛高；：基站與移動(dòng)臺(tái)的距離；：移動(dòng)臺(tái)的天線至地面的高度；由此獲得單天線覆蓋距離如下表：表3.1-2 城區(qū)覆蓋距離市區(qū)模型 天線高度/m 單天線覆蓋距離/km 遠(yuǎn)端距離/km 天線增益,21dBi 10 0.33 0.66 天線增益,21dBi 15 0.37 0.74

9、 表3.1-3 郊區(qū)覆蓋距離郊區(qū)模型 天線高度/m 單天線覆蓋距離/km 遠(yuǎn)端距離/km 天線增益,21dBi 20 0.765 1.53 天線增益,21dBi 25 0.83 1.66 （3）小區(qū)邊界重疊區(qū)長度：根據(jù)表2.3-1，綜合考慮列車設(shè)計(jì)速度和最高速度取定小區(qū)邊緣重疊距離如下表所示，即，取小區(qū)的設(shè)計(jì)重疊覆蓋距離為市區(qū)內(nèi)平均750米，市區(qū)外按運(yùn)營速率取定1000米。表3.1-4 重疊覆蓋區(qū)建議表序號(hào)區(qū)域市區(qū)內(nèi)市區(qū)外運(yùn)營速率最大速率1最小重疊距離(米）6948339722建議設(shè)計(jì)的重疊距離(米）7509001000綜上所述，本高鐵覆蓋方案計(jì)劃采用單小區(qū)雙向覆蓋方式，使用窄波瓣高增益天線，

10、在市區(qū)范圍設(shè)計(jì)站高為1015米（相對(duì)與鐵路高度），站高為10米時(shí)，兩個(gè)遠(yuǎn)端之間距離為660米，站高為15米時(shí)兩個(gè)遠(yuǎn)端站高為740米；在郊區(qū)（平地/峽谷/路塹）范圍設(shè)計(jì)站高為2025米（相對(duì)于鐵路高度），站高為20米是，兩個(gè)遠(yuǎn)端之間距離為1.53公里，站高為25米時(shí)兩個(gè)遠(yuǎn)端站高為1.66公里。3.2分布式基站共小區(qū)技術(shù)多RRU共小區(qū)指不同RRU使用相同頻率和參數(shù)設(shè)置，在邏輯上為同一個(gè)小區(qū)。在高鐵沿線覆蓋中，通過將前后若干相鄰的RRU設(shè)為同一小區(qū)，包括載波的數(shù)量、頻點(diǎn)，其功率根據(jù)不同場景進(jìn)行微調(diào)，實(shí)現(xiàn)列車經(jīng)過同一個(gè)小區(qū)的多個(gè)位置無切換，能夠有效避免切換頻繁，掉話率高的情況。如下圖：圖3.2-1 多

11、RRU共小區(qū)組網(wǎng)方式結(jié)合上文提到的遠(yuǎn)端距離，得出單小區(qū)覆蓋距離如下表：表3.1-1 單小區(qū)覆蓋單小區(qū)支持RRU個(gè)數(shù)單小區(qū)覆蓋距離(km)城區(qū)鄉(xiāng)鎮(zhèn)4/6/82.2/3.7/5.184.98/8.3/11.62考慮到切換次數(shù)和諾西設(shè)備能力，容量和遠(yuǎn)端供電等問題，設(shè)計(jì)單小區(qū)一般配置6個(gè)RRU，信源機(jī)房宜選擇在小區(qū)中間位置，且以利舊為主，利舊機(jī)房距鐵路不宜超過2公里。3.3專網(wǎng)建設(shè)方式高鐵網(wǎng)絡(luò)本身已經(jīng)能夠滿足列車內(nèi)用戶的需求，不再需要占用公網(wǎng)資源，因此為減少小區(qū)切換和重選的概率，應(yīng)設(shè)置高鐵專網(wǎng)，即不與周邊公網(wǎng)基站設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)列車內(nèi)手機(jī)用戶的高效使用。高鐵專網(wǎng)與普通公網(wǎng)的切換應(yīng)設(shè)置在車站候車室與火

12、車站臺(tái)之間，站臺(tái)的信號(hào)由專網(wǎng)提供。如下圖，手機(jī)用戶在候車室與站臺(tái)之間的移動(dòng)慢，越區(qū)切換實(shí)現(xiàn)較容易，但高鐵列車內(nèi)，用戶在進(jìn)出車站時(shí)，因列車速度較快，若發(fā)生切換，容易產(chǎn)生掉話。車站的越區(qū)切換區(qū)應(yīng)盡量選在人流量最小的區(qū)域，條件許可的情況下可以把位置更新區(qū)域放置在候車室進(jìn)入月臺(tái)的通道里。圖3.3-1 車站覆蓋示意圖3.4容量估算高鐵專網(wǎng)的話務(wù)主要來自列車的手機(jī)用戶，因高鐵列車的行車閉塞區(qū)間為10公里，所以在單小區(qū)范圍內(nèi)，對(duì)于復(fù)線情況，最多同時(shí)存在2列動(dòng)車通行。由此來估算高鐵話務(wù)量：目前高鐵列車共8節(jié)車廂最多定員670人，兩組車體連掛最多1340人，按雙線最多2列火車相遇估算，且鐵路周邊可能有用戶接入專

13、網(wǎng)，則總客流量約2880人。根據(jù)當(dāng)前移動(dòng)業(yè)務(wù)發(fā)展情況，按手機(jī)持有率90%、移動(dòng)用戶占有率70%計(jì)算，則最大話務(wù)量估計(jì)為22.68erl，對(duì)應(yīng)愛爾蘭表，則每小區(qū)應(yīng)配置5塊載頻，由于列車進(jìn)出城區(qū)時(shí)話務(wù)量較高，則在市區(qū)中設(shè)計(jì)配置6塊載頻，鄉(xiāng)鎮(zhèn)區(qū)域使用5塊載頻。3.5電源建設(shè)方案高鐵沿線的地形比較復(fù)雜，基站的電源引入也是難點(diǎn)之一，綜合考慮市電引入費(fèi)用和后期維護(hù)問題，對(duì)于某段的站點(diǎn)目前有如下兩種電源引入方式： （1）就近供電采用信源機(jī)房內(nèi)-48V電源供電，這種方式超過200米后線纜成本會(huì)迅速上升，因此不建議使用?；蛘呃h(yuǎn)的RRU采用就近引接市電的方式并配備室外一體化電源柜。（2）高壓直流遠(yuǎn)供因大部分高鐵

14、沿線站點(diǎn)是拉遠(yuǎn)站，所以RRU的供電方案推薦使用高壓直流遠(yuǎn)供方式5。拉遠(yuǎn)站從信源機(jī)房引電，使用信源機(jī)房-48V直流電源，經(jīng)過直流遠(yuǎn)供局端設(shè)備DC/AC隔離升壓至280V，再利用電力電纜傳送到各新建遠(yuǎn)端，同時(shí)，采用電纜與光纜同路由方式，在遠(yuǎn)端站點(diǎn)再通過遠(yuǎn)端降壓模塊使電壓降至-48V，以便給遠(yuǎn)端RRU供電。綜合考慮施工難度和相關(guān)線纜投資，設(shè)計(jì)拉遠(yuǎn)距離需小于5公里。供電過程如圖3.5-1：圖3.5-1 高壓直流遠(yuǎn)供原理圖由上圖可以看出，高壓直流遠(yuǎn)供方式需要在信源機(jī)房增加1套直流升壓設(shè)備，該設(shè)備由基站開關(guān)電源供電，從直流配電單元一次下電處引接，輸入電壓是直流-48V，輸出電壓是直流280V。同時(shí)，升壓電

15、源設(shè)備應(yīng)有監(jiān)控模塊。當(dāng)RRU較多時(shí)，還需要增加信源機(jī)房開關(guān)電源和蓄電池容量。綜上所述，本次高鐵設(shè)計(jì)，站址選擇原則如下：（1）考慮專網(wǎng)對(duì)周邊的影響，建議站高城區(qū)為高出鐵軌10-15米，郊區(qū)為超出鐵軌20-25米。站點(diǎn)間距根據(jù)站高不同參考前文結(jié)論。（2）針對(duì)高鐵覆蓋的特殊場景，高鐵專網(wǎng)的天線需要使用半功率角30度，增益21dBi的專用天線，方向角沿著鐵路方向覆蓋。（3）拉遠(yuǎn)站點(diǎn)不能距離鐵路過遠(yuǎn)，否則會(huì)因窄波束天線的方向角不夠?qū)拰?dǎo)致覆蓋距離的下降，所以建議新選站點(diǎn)在距鐵路50100米內(nèi)選址，利舊站點(diǎn)50-300米以內(nèi)選址。4、總結(jié)高速鐵路通信覆蓋工程是一項(xiàng)比較復(fù)雜的系統(tǒng)工程，高鐵相對(duì)特殊的無線環(huán)境決定了其覆蓋網(wǎng)絡(luò)的特殊性，本文系統(tǒng)的介紹了高鐵無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難點(diǎn)和解決辦法分析，給出了以分布式基站為基礎(chǔ)建設(shè)高鐵專網(wǎng)的方式解決XX高鐵某段無線覆蓋的方案，希望以后能夠進(jìn)一步考慮切換和深度覆蓋的問題，以