高铁高架桥场景TD-SCDMA专网覆盖解决方案浅析
随着时速超过250公里的高速铁路线的不断建设以及新型动车车体密闭性的不断提高，满足移动用户在高铁车厢内手机信号的正常接人变得越来越困难。由2G的GSM到3G的TD-SCDMA，针对高铁场景特点的网络覆盖技术正在得到不断地完善，并且也形成了多套可有效解决高铁场景网络问题的专网覆盖方案。本文将高铁高架桥作为一种特殊场景进行专项研究，结合场景特点。探讨该场景下的组网方案，重点介绍多种切实可行的TD-SCDMA专网建设方式，并对信源及天馈系统的设备选型要求进行分析，旨在指导高铁高架桥场景的实际工程规划和建设。
1 场景特点 高架桥作为高速铁路的常见特殊场景，既是TD-SCDMA专网规划的重点内容，也是难点所在。对于高架桥场景的覆盖规划，需要综合考虑周边的地理环境和现网条件，选择最适宜的方式进行覆盖。高架桥场景的无线覆盖主要具有以下特点： (1)高架桥两侧多为江河、农田等空旷的农村环境，人梳量通常较少，对TD-SCDMA专网信号的泄露要求相对较低。同时，高架桥位置较高，受铁路两侧树木、建筑物等遮挡物的影响也较小，传播环境简单。 2 组网方案 高架桥场景组网方案的选择应综合考虑周边的地形、地貌及现网的已有资源等因素，通常可分为以下两种情况。 (1)宏基站专网方案。 对于高架桥两侧为农田、郊区等具备宏站建站条件的空旷环境，鉴于高架桥上天线安装空间受限的情况，可以采用宏站组建专网的覆盖方式。这部分宏站可以为新建站，也可以利用现网已有宏站进行专网组网。 这种方案的优点是站址规划灵活、单站点覆盖范围大、切换／重选次数少。但是信号控制困难、与公网重叠覆盖区域较多、易对公网造成干扰、通信质量也相对较差。 (2)分布式基站专网方案。 对于高架桥两侧为江河，楼宇等无法进行宏站建设的场景，可以采用在高架桥上建立分布式基站的组网方式。这种组网方案的天线安装空间有限，根据实际的场景特征，天线安装方式可选择高架桥上架设抱杆或高架桥下自建通信杆两种方式。 这种方案的优点是信号覆盖范围易于控制、对公网信号影响较小，采用分布式基站结合基带合并技术可扩大单小区覆盖范围、减少切换／重选次数，同时分布式基站的工程建设实施便利、维护成本也比较低。缺点是基站与铁轨距离近、为满足掠射角要求需减小站间距、增大了站点建设数量。 综上所述，高架桥场景下的基站专网组网方案与普通高铁场景的组网方式基本一致，但是需要重点关注天馈系统的设计，合理控制信号覆盖范围，防止对公网信号的泄露。而分布式基站专网方案是针对高架桥场景特点设计的组网方式，在该场景下具有普适性，应用也更广泛。下面着重介绍这种组网方案的网络建设方式。 2.1专网建设方式 (1)高架桥上架设抱杆方式。 这种建设方式选用分布式基站作为信源，BBU可以集中放置于沿线城镇机房内，RRU则分布于高架桥上，BBU与RRU间采用光纤或馈线相连，高架桥两侧留有线缆铺设位置。天线安装位置选择在高架桥的两侧，利用高架桥侧面的墙体固定抱杆进行架设，抱杆高度一般选用3m～6m。图3为高架桥上架设抱杆方式的示意图，图中给出了RRU安装、RRU天线安装以及线缆铺设的相对位置。 从图4可以看出，当时速为350km／h的高速列车经过时，在高架桥两侧距离轨道1m左右的位置，列车形成的风速为11.0m／s，同时考虑五级的自然风，折合风速20.4m／s，相当于八级风力。 普通天线能承受的理论最大风速为55.6m／s，一般建议工作风速为36.9m／s，因此从理论上看，普通天线即可满足该建设方式下的风荷要求。 (2)高架桥下自建通信杆方式。 这种建设方式的信源选择与上一种方式相同，也选用分布式基站，不同之处在于RRU的安装位置分布于高架桥下，在距高架桥3m～5m处自建通信杆架设天线，通信杆高度一般可选用15m～18m。采用这种建设方式的优点是站址选取相对更灵活、更易满足对掠射角的要求、对天线风荷的要求也更低，适用于大多数的高架桥场景。图5为高架桥下自建通信杆方式的示意图。 在采用上述专网建设方式进行网络建设时，天线挂高的设计通常有两种选择。 (1)天线安装位置高于列车，从车顶方向对高速列车进行覆盖。这种方式的优点是车内不同位置的信号覆盖较均匀，但是覆盖范围不易控制，对公网影响较大。适用于农村等流动人口稀少、对信号泄露要求较低的地区。 (2)天线安装位置平行于车窗，从车体侧面对高速列车进行信号覆盖。采用这种方式的优点是覆盖范围易于控制，对公网影响可控。但是信号覆盖不均匀，车内不同位置的接收场强存在一定的差异，部分位置的用户体验较差。一般适用于近郊等对于信号泄露要求较严格的场景。 2.2设备选型 (1)信源选择。 根据TD-SCDMA系统目前的设备情况，高铁高架桥场景的专网设计方案可以采用微基站、宏基站、RRU等作为节点信源。这些节点信源根据覆盖环境和可用资源的具体情况，可以直接利用铁路线附近现网已建的基站，也可以采用新建的方式在合理位置建设基站。 此外，采用分布式基站(BBU+RRU)技术可以实现不同需求的组网覆盖，提高组网的灵活性，降低建网成本。BBU+RRU的组合方式利用基带合并技术将多个RRU(通常1～6个)组合到一个小区内，而且各小区可根据网络容量需求情况通过软件进行小区分裂达到扩容目的。从切换性能看，不同RRU覆盖区的切换，在NodeB内部完成，无需RNC参与。从覆盖灵活性来看，多个RRU的覆盖区可灵活组合形成带状链式覆盖区。因此，分布式基站是高铁高架桥场景下信源的理想选择。图6为分布式基站的网络拓扑结构。(2)天馈系统选择。
对于高铁高架桥等高速覆盖场景，需要合理选择天馈系统，以适应高速场景下的覆盖要求，达到更好地网络覆盖效果。 为了合理设计和控制系统切换率和用户的切换频率，一般采用大站距、高挂高、高增益窄波束的定向天线。同时，为了使先进的智能天线EBB算法在高速移动的各种覆盖场景下发挥最好性能，获得最大的赋形增益，天馈系统的解决方案中应注意以下几方面内容： (1)采用15dBi～18dBi窄波瓣的高增益天线，以获得更好的无线覆盖。 (2)天线的主瓣应沿高速铁路线方向形成覆盖。 (3)一般不使用下倾或只采用小角度下倾。 (4)通过BBU+RRU的基带合并技术可使同一个站点的不同天线，甚至不同发射点的天线隶属于相同的小区，在保证覆盖的同时，减少越区切换／重选次数。 由于铁路属于狭长地形场景覆盖，并且专网小区基站根据实际地理条件与铁路沿线可能有一定距离，因此根据实际情况需要选择不同的天线。 高铁高架桥场景下，为避免越区覆盖，应优先采用30°窄波束高增益天线，并且每个小区使用两副高增益天线对铁路实施覆盖。为保证一定的覆盖距离，在基站中心两侧范围内将主要通过天线的副瓣进行主力覆盖。 3 结语 高架桥场景的网络覆盖受制约因素较多，在实际的工程建设过程中，需要综合考虑周边的地理环境和现网条件，以及网络建设部门的建设需求、投资规模等情况，因地制宜的选择最有效的方式进行网络建设。