WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的高速鐵路規(guī)劃策略探討

WCDMA網(wǎng)絡(luò)中的高速鐵路規(guī)劃策略探討摘要：本文通過對在3G網(wǎng)絡(luò)中影響高速鐵路網(wǎng)絡(luò)性能的因素分析，探討了在現(xiàn)階段高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要注意的規(guī)劃難點(diǎn)，同時(shí)結(jié)合福建聯(lián)通WCDMA網(wǎng)絡(luò)高速鐵路的規(guī)劃經(jīng)驗(yàn)，得出可以應(yīng)用于實(shí)際網(wǎng)絡(luò)的WCDMA高速鐵路規(guī)劃策略。關(guān)鍵詞：WCDMA高速鐵路規(guī)劃策略前言中國聯(lián)通各省重點(diǎn)城市WCDMA網(wǎng)絡(luò)一期工程建設(shè)已經(jīng)基本完成，工程優(yōu)化也已近尾聲，目前正在啟動(dòng)一期補(bǔ)點(diǎn)和二期工程的可研規(guī)劃，在一期補(bǔ)點(diǎn)和二期工程的可研規(guī)劃中，高速鐵路的網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃目前成為該項(xiàng)目里的重點(diǎn)之一，由于高速鐵路目前屬于國家重點(diǎn)建設(shè)的鐵路項(xiàng)目，高速鐵路的總里程越來越長，僅在福建省境內(nèi)，今年就有福廈線、溫福線、向莆線、廈龍線和廈深線五條高速鐵路在建，而福廈線（福州到廈門）高速鐵路將于今年通車，因此，在高速鐵路通車前完成高速鐵路的3G覆蓋將是下階段WCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重點(diǎn)之一，同時(shí)由于高速鐵路列車運(yùn)行速度在250公里/小時(shí)到300公里/小時(shí)之間，對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的要求也更高，因此，做好前期的高速鐵路網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃將是實(shí)現(xiàn)高速鐵路良好覆蓋的重要基礎(chǔ)。影響高速鐵路規(guī)劃的因素分析按照高速鐵路的移動(dòng)通信特性分析，由于高速鐵路處于高速的移動(dòng)過程中，與基站之間的通信容易造成多普勒頻率偏移效應(yīng)和快速切換效應(yīng)，同時(shí)，由于高速列車采用的材料的特殊性，3G信號穿過列車的損耗較大，估計(jì)在24db左右，所以也會(huì)造成列車內(nèi)信號衰耗快，信號弱。因此，在高速鐵路的WCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中需要重點(diǎn)解決的就是這三個(gè)問題。多普勒頻率偏移效應(yīng)分析和規(guī)劃策略多普勒頻率偏移效應(yīng)分析移動(dòng)通信過程中多普勒效應(yīng)是指隨著移動(dòng)物體與基站距離的遠(yuǎn)近，合成頻率會(huì)在中心頻率上下偏移的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象特別會(huì)隨著運(yùn)動(dòng)速度的加快而更加明顯，但物體的運(yùn)動(dòng)速度超過200公里/小時(shí)的時(shí)候，多普勒效應(yīng)將對移動(dòng)通信質(zhì)量造成影響。高速鐵路的情況正滿足產(chǎn)生移動(dòng)條件下的多普勒效應(yīng)的前提，目前在建的高速鐵路時(shí)速將達(dá)到250-300公里/小時(shí)，同時(shí)由于高速鐵路的無線傳播環(huán)境類似農(nóng)村場景，反射體較少，直射路徑占優(yōu)，多普勒頻率擴(kuò)散現(xiàn)象不突出，但多普勒頻率偏移比較嚴(yán)重，以至于對手機(jī)終端和基站的接收性能有較大影響。按照基站和終端之間的夾角以及車輛的移動(dòng)速度，我們可以得到如圖一所示的多普勒頻移圖。圖一多普勒頻移圖通過典型的多普勒頻移效應(yīng)，我們可以得典型情況下的最大多普勒頻移，如表一。表一典型情況下的最大多普勒頻移速度（Km/h）速度(m/s)f0為900M時(shí)的fd(HZ)f0為1800M的fd(HZ)f0為2100M的fd(HZ)20055.6166.7333.3389.025069.4208.3416.7486.030083.3250.0500.0583.3400111.1333.3666.7777.7多普勒頻率偏移效應(yīng)規(guī)劃策略由于聯(lián)通3G的頻點(diǎn)在2100MHZ，當(dāng)列車時(shí)速在300公里/小時(shí)的時(shí)候，對應(yīng)的多普勒頻移在583.3HZ，兩倍的多普勒頻移為1166.6HZ，根據(jù)WCDMA系統(tǒng)移動(dòng)臺（UE）與基站收發(fā)信臺（NODEB）的調(diào)制性能，1166.6HZ的頻移對于接收機(jī)接收性能有一定的影響，主要是降低接收的靈敏度，但幅度會(huì)比較小，因此這對于5MHZ帶寬的WCDMA網(wǎng)絡(luò)而言，影響相對較小，只要控制好基站距離火車延線的距離就可以較好的減少多普勒頻率偏移效應(yīng)帶來的影響，按以往的經(jīng)驗(yàn)，基站距離鐵路延線的垂直距離控制在一公里以內(nèi)，同時(shí)基站到鐵路之間無明顯建筑物阻擋，同時(shí)基站的不同扇區(qū)分別朝鐵路的不同方向打，這樣可較好的減輕多普勒效應(yīng)。2.2快速切換效應(yīng)分析和規(guī)劃策略2.2.1快速切換效應(yīng)分析高速鐵路最大的特點(diǎn)就是列車的運(yùn)行速度極快，在WCDMA通信事件中，小區(qū)重選與小區(qū)切換也需要一定的時(shí)間來完成接續(xù)工作，當(dāng)火車內(nèi)的3G用戶在高速運(yùn)行過程中發(fā)生切換或小區(qū)重選時(shí)候，需要一定的時(shí)間才能完成該項(xiàng)工作，因此為了保證能進(jìn)行良好的重選或切換，鐵路沿線的扇區(qū)覆蓋必須有一定量的重疊，相比較GSM來講，WCDMA重疊覆蓋距離的列車行駛時(shí)間僅為800毫秒，表二為列車不同時(shí)速下所需要的重疊覆蓋區(qū)域。表二不同時(shí)速下所需要的重疊覆蓋區(qū)域序號車速車速小區(qū)重選/切換需要最小時(shí)間（秒）重疊覆蓋區(qū)域（米）(km/h）（米/秒）1120330.8532200560.889.63250690.8110.44300830.8132.8按照目前高速鐵路300公里/小時(shí)的車速設(shè)計(jì)，WCDMA的重疊覆蓋距離應(yīng)為133米，才能完成小區(qū)的切換或重選工作。2.2.2快速切換效應(yīng)的規(guī)劃策略為了達(dá)到重疊覆蓋距離應(yīng)為133米的目標(biāo)，我們首先要通過鏈路預(yù)算來得到站點(diǎn)間距離，通過鏈路預(yù)算得到的站間距減去重疊覆蓋距離的一半即為實(shí)際規(guī)劃的站點(diǎn)距離。鏈路預(yù)算可按場景不同分為隧道外的鏈路預(yù)算和隧道內(nèi)的鏈路預(yù)算。（1）、隧道外的鏈路預(yù)算及站點(diǎn)距離規(guī)劃廈門WCDMA網(wǎng)絡(luò)基于CS64業(yè)務(wù)模型下的鏈路預(yù)算如表三。表三CS64業(yè)務(wù)鏈路預(yù)算表WCDMA天線掛高對應(yīng)覆蓋半徑(CS64)項(xiàng)目單位天線掛高8米天線掛高10米天線掛高15米天線掛高20米天線掛高25米天線掛高30米天線掛高35米天線掛高40米天線掛高45米32度21dBi雙極化天線(1)使用頻率fMHz195019501950195019501950195019501950(2)基站天線高度hb米81015202530354045(3)手機(jī)高度hm米222222222(4)最大允許路徑損耗LdB137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7(1)移動(dòng)臺天線高度修正因子a(hm)000000000(a)最大基站覆蓋半徑m6356837858719471016108111411198廈門WCDMA網(wǎng)絡(luò)基于PS128業(yè)務(wù)模型下的鏈路預(yù)算如表四。表四PS128業(yè)務(wù)鏈路預(yù)算表WCDMA天線掛高對應(yīng)覆蓋半徑(PS128)項(xiàng)目單位天線掛高8米天線掛高10米天線掛高15米天線掛高20米天線掛高25米天線掛高30米天線掛高35米天線掛高40米天線掛高45米32度21dBi雙極化天線(1)使用頻率fMHz195019501950195019501950195019501950(2)基站天線高度hb米81015202530354045(3)手機(jī)高度hm米222222222(4)最大允許路徑損耗LdB134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7(1)移動(dòng)臺天線高度修正因子a(hm)000000000(a)最大基站覆蓋半徑m532570652720780835886933979我們上述的兩個(gè)鏈路預(yù)算模型，將實(shí)際站點(diǎn)信息帶入計(jì)算，得出實(shí)際站點(diǎn)得知覆蓋距離，同時(shí)好需要考慮兩個(gè)交叉覆蓋扇區(qū)重疊覆蓋要超過133米的要求，這樣就能得出沿線隧道外站點(diǎn)規(guī)劃的方案。（2）、隧道內(nèi)的鏈路預(yù)算隧道內(nèi)采取泄漏電纜的覆蓋方式，單條泄漏電纜滿足的最大覆蓋距離的鏈路預(yù)算如表五。表五隧道內(nèi)的鏈路預(yù)算表項(xiàng)目單位取值備注CS64WCDMA(1)手機(jī)發(fā)射功率PindB21(2)基站接收靈敏度PdB-119(3)漏纜耦合損耗L1dB66漏纜指標(biāo)(4)合路損耗HdB1.5多系統(tǒng)合路損耗(5)二功分損耗FdB3二功分器損耗(6)人體衰耗L2dBCS64業(yè)務(wù)不考慮人體損耗(7)寬度因子L3dB13.5L3=20lg(d/2),d為手機(jī)距離漏纜的距離(單洞雙軌，d＝9.5m)(8)衰減余量L4dB14.41(9)車體損耗L5dB16(10)線損及無源器件損耗L6dB3(11)每百米漏纜損耗SdB4.06漏纜指標(biāo)(12)漏纜的覆蓋距離Dm555.6D=(Pin-P-L1-H-F-L2-L3-L4-L5-L6-L7)/S在隧道內(nèi)，滿足基站接收靈敏度的前提下，WCDMA在漏纜內(nèi)的覆蓋距離為555.6米，因此，當(dāng)隧道長度超過555.6米時(shí)，必須考慮兩個(gè)以上的RRU通過漏纜進(jìn)行隧道覆蓋，還要滿足覆蓋重疊區(qū)大于133米的要求。（3）高速鐵路沿線站點(diǎn)的小區(qū)設(shè)計(jì)為了進(jìn)一步減少在高速鐵路上的切換次數(shù)，我們建議高速鐵路沿線站點(diǎn)每個(gè)站點(diǎn)只用一個(gè)擾碼，即只設(shè)計(jì)一個(gè)邏輯小區(qū)，通過功分器分成兩個(gè)物理小區(qū)，朝鐵路兩個(gè)方向覆蓋，這樣可減少同一物理站點(diǎn)不同小區(qū)的切換問題，同時(shí)如果傳輸條件許可，還可以將相鄰的兩個(gè)站點(diǎn)做成超級小區(qū)，使用同一個(gè)擾碼，即實(shí)現(xiàn)一個(gè)邏輯小區(qū)帶四個(gè)物理小區(qū)，可以更大程度的減少切換次數(shù)，提高3G通話質(zhì)量。列車內(nèi)信號衰耗快分析及規(guī)劃策略從以往對高速列車的移動(dòng)通信信號測試來看，高速列車內(nèi)、外信號衰耗約24db，因此，為了達(dá)到列車內(nèi)的良好覆蓋，必然要增加高速鐵路沿線的站點(diǎn)數(shù)量，靠強(qiáng)的車外信號來彌補(bǔ)車輛外表的信號衰耗問題。高速鐵路沿線組網(wǎng)策略分析為了充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，我們對高速鐵路是使用專網(wǎng)覆蓋還是公網(wǎng)覆蓋進(jìn)行了各自的優(yōu)劣分析，同時(shí)對高速鐵路沿線不同場景的覆蓋提出不同策略。3.1組網(wǎng)策略分析高速鐵路按組網(wǎng)方式可分為公網(wǎng)組網(wǎng)覆蓋和專網(wǎng)組網(wǎng)覆蓋兩種覆蓋方式，公網(wǎng)覆蓋方式指的是利用現(xiàn)有WCDMA網(wǎng)絡(luò)，對部分站點(diǎn)及天饋進(jìn)行改造，利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)來覆蓋高速鐵路；專網(wǎng)覆蓋指的是在高速鐵路沿線全部新建新的WCDMA基站，同時(shí)還新建一個(gè)RNC，掛這些覆蓋高速鐵路的專網(wǎng)站點(diǎn)，這些新建的專網(wǎng)站點(diǎn)專門覆蓋高速鐵路，同時(shí)與公網(wǎng)站點(diǎn)不設(shè)置切換關(guān)系，列車內(nèi)的3G用戶全部采取專網(wǎng)信號，而只在站臺及候車室設(shè)置專網(wǎng)、公網(wǎng)的切換關(guān)系。公網(wǎng)組網(wǎng)方式的優(yōu)劣分析公網(wǎng)組網(wǎng)的優(yōu)勢分析：采取公網(wǎng)組網(wǎng)可充分利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源，無需新建RNC，同時(shí)新建設(shè)站點(diǎn)較少，只需要對現(xiàn)有站點(diǎn)進(jìn)行針對性改造，投資小，建設(shè)周期短，同時(shí)對現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)不會(huì)造成負(fù)面影響。公網(wǎng)組網(wǎng)的劣勢分析：采取公網(wǎng)組網(wǎng)可能會(huì)導(dǎo)致列車內(nèi)覆蓋部分區(qū)域會(huì)弱些，同時(shí)切換次數(shù)較多，切換或小區(qū)域重選會(huì)較為頻繁。高速列車內(nèi)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量可能會(huì)比室外差些。專網(wǎng)組網(wǎng)方式的優(yōu)劣分析專網(wǎng)組網(wǎng)的優(yōu)勢分析：采取專網(wǎng)覆蓋將能很好的保證高速列車內(nèi)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，能使列車內(nèi)達(dá)到精品網(wǎng)的覆蓋目標(biāo)。專網(wǎng)組網(wǎng)的劣勢分析：采取專網(wǎng)組網(wǎng)將要新建RNC，沿鐵路沿線新建大量的NODEB，導(dǎo)致大量重復(fù)建設(shè)，投資較大，如果專網(wǎng)組網(wǎng)與公網(wǎng)采取同一頻點(diǎn)，將會(huì)對公網(wǎng)造成較大干擾，影響公網(wǎng)用戶使用，如果采取異頻組網(wǎng)方式，則在專網(wǎng)周圍的鐵路周圍3G用戶有可能重選或切換到專網(wǎng)信號，而一但占上專網(wǎng)信號后將無法正常切回公網(wǎng)，導(dǎo)致掉話，因此在密集城區(qū)如果采取專網(wǎng)覆蓋將對公網(wǎng)造成較大負(fù)面影響。因此，在高速鐵路沿線的密集城區(qū)，不建議采取專網(wǎng)覆蓋方式；而在高速鐵路沿線的郊區(qū)或農(nóng)村，如果要采取專網(wǎng)覆蓋方式，則必須采取與公網(wǎng)不同的頻率，采取異頻組網(wǎng)方式，避免對公網(wǎng)的WCDMA網(wǎng)絡(luò)造成自干擾。站點(diǎn)布局策略分析我們對高速鐵路沿線站點(diǎn)密集區(qū)和非站點(diǎn)密集區(qū)的站點(diǎn)布局策略進(jìn)行分析，同時(shí)對典型場景如室外、隧道內(nèi)、車站及站臺的組網(wǎng)方式進(jìn)行探討。站點(diǎn)密集區(qū)域（市區(qū)或車站）的站點(diǎn)布局在這些區(qū)域，基站與鐵路間距在100米以內(nèi)，與鐵路鐵軌視距的站點(diǎn)，利用這些站點(diǎn)資源，天線調(diào)整為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向。超過100米的站點(diǎn)盡量不考慮。站點(diǎn)非密集區(qū)域（農(nóng)村或開闊地形）基站與鐵路間距在300米以內(nèi)，可通過這些小區(qū)提供高鐵覆蓋，所使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向。基站與鐵路間距在300～500米范圍內(nèi)，一般這個(gè)距離的站點(diǎn)不建議使用。除非特殊情況（比如：在合適范圍內(nèi)無法提供電源、傳輸?shù)龋脑煨^(qū)覆蓋高鐵；所使用的天線為寬波瓣（65度）高增益天線?；九c鐵路間距在500m～1000m范圍，可利用現(xiàn)有機(jī)房使用光纖拉遠(yuǎn)將射頻單元放置在距離鐵路較近的區(qū)域，或者直接在距離鐵路較近的合適地點(diǎn)建新站點(diǎn)?；九c鐵路間距在1000m以上的，不列入規(guī)劃考慮范圍。3.2對于室外的鐵路覆蓋，采用多RRU共小區(qū)的方式（華為的設(shè)備支持一個(gè)BBU級連多個(gè)RRU共小區(qū)的方式），使用窄波瓣高增益天線前后對打覆蓋，盡量減少小區(qū)數(shù)目和擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，從而減少小區(qū)重選次數(shù)和切換次數(shù)，組網(wǎng)方式如圖二所示。圖二室外站點(diǎn)組網(wǎng)方式3.2.4隧道的覆蓋建議采取RRU加泄露電纜的覆蓋方式，如果在洞口使用天線對洞內(nèi)進(jìn)行覆蓋或者是在長隧道中使用天線，當(dāng)車體進(jìn)入隧道時(shí)會(huì)導(dǎo)致通話質(zhì)量差、掉話、接通率低等問題；通過鏈路預(yù)算，我們得出單個(gè)RRU加泄露電纜可以覆蓋的長度約600米，考慮到133米的重疊覆蓋面積，因此對于一公里左右的隧道要設(shè)置兩個(gè)RRR+兩段泄露電纜方式進(jìn)行分段覆蓋，同時(shí)對于超長隧道需要把它分割成幾段來進(jìn)行覆蓋。3.2.5如果高速鐵路按照專網(wǎng)的設(shè)計(jì)，則車站及站臺的覆蓋就很重要。按照專網(wǎng)設(shè)計(jì)原則，車站是用戶專外網(wǎng)進(jìn)行配合的地方。這樣外網(wǎng)小區(qū)和站臺小區(qū)及鐵路專網(wǎng)小區(qū)不做鄰區(qū)關(guān)系。正常情況下外網(wǎng)小區(qū)與此兩組小區(qū)完全隔離，只能通過候車室室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)出入。如圖三所示，用戶從候車室到站臺時(shí)將會(huì)進(jìn)行位置更新，進(jìn)入鐵路專網(wǎng)。而用戶從站臺進(jìn)入車體后，將會(huì)從站臺小區(qū)切換或重選到鐵路專網(wǎng)小區(qū)并停留在專網(wǎng)小區(qū)里，直到到達(dá)目的站點(diǎn)。對于到站的用戶，首先將會(huì)從鐵路專網(wǎng)小區(qū)切換或重選到站臺小區(qū)，再進(jìn)入室內(nèi)分布系統(tǒng)，進(jìn)行位置更新，從專網(wǎng)進(jìn)入外網(wǎng)。外網(wǎng)小區(qū)、車站室內(nèi)分布系統(tǒng)小區(qū)、站臺小區(qū)以及鐵路小區(qū)的切換和小區(qū)重選關(guān)系可以通過如圖三的設(shè)計(jì)建設(shè)，需要確保的是外網(wǎng)小區(qū)的信號在站臺處不能過強(qiáng)，不然室內(nèi)分布小區(qū)將會(huì)切換到外網(wǎng)，而無法返回鐵路專線小區(qū)。同樣站臺小區(qū)的信號不能越區(qū)覆蓋到車站外，避免用戶在出站時(shí)從室內(nèi)分布小區(qū)誤切入站臺小區(qū)而無法回到外