高铁沿线移动网络组网原则及方案探讨
近年来我国高速铁路建设事业飞速发展，多条城际快速铁路和高速客运专线开通运营，还有多条客运专线正在建设或列入今后的规划，可以预见，未来几年高速铁路将成为我国地面铁路客运的主流。随着3G移动网络的建成和日益普及，高速铁路旅客对旅行途中的话音和高速上网需求非常迫切，因此，改善高铁覆盖质量，对于提高客户满意度、提升运营商品牌形象至关重要。
高铁移动通信具有终端移动速度快、车体密封性能好、地形地貌复杂等特点。因此，面临的技术难题远比普通场景复杂。事实上，高铁场景下的移动网络通信质量与普通场景相比，也的确存在着不小的差距。 1 高铁覆盖面临的问题 高速列车车体密封性能好，运行速度快，车内网络质量较差，高速列车网络覆盖具有以下的特点： 1）列车高速运行中，多普勒频移影响明显。如图1所示，多普勒频移原理公式可写为： 式中： ：多普勒频移 V：列车速率 C：光速 C：载波频率 频移大小和运动速度及运动方向相关，速度越快频偏越大。因信号入射角度关系，频移具有时变特性，合成频率在中心频率上下偏移。当列出驶向基站时，频偏为正，当列出驶离基站时，频偏为负。另外，手机终端以下行频率为基准发送上行信号，因此基站接收机将承受2倍于终端的多普勒频移。 以350km/h的时速为例，在GSM 900Mhz频段，多普勒频移能够达到近300hz；在WCDMA 2000Mhz频段，多普勒频移最高能够达到650hz。 2）高速列车穿透损耗大，车体损耗最大达到24dB左右（各种高铁车型穿透损耗参考值如表1所示）。为了保证车内覆盖信号强度达到-95dBm，车体外信号至少需要达到-65～-70dBm左右。 注：以上数据供参考，实际值与入射角、多径等多种因素有关。 4）高铁线路上经过的桥梁隧道等特殊场景较多，沿线及周边的交叉覆盖导致组网复杂，特别是车站、市区等地方公网与专网交错覆盖导致接入困难。 2 高铁覆盖难题的解决方案 1）多普勒频移。根据第三代移动通信系统的要求，移动终端应具有从静止环境到500km/h移动环境的适应能力。移动通信信道通常为多径时变衰落信道，也就是说，接收信号的幅度和相位会随时间发生随机变化。一般情况下，接收机都是通过接收导频（pilot）信号，估计出多径信号的幅度和相位信息，并最终实现所需的相干接收。多普勒频移的估计方法主要包括基于信道相关特性的估计、基于电平通过率（LCR）的估计和基于开关分集的估计等。在实际应用中，这些方法的估计误差受信噪比和车速影响较大，因此可以利用信噪比估计技术进行修正，进而大大扩展这些估计方法的应用范围。 2）重叠覆盖距离。移动台在服务小区的信号强度衰落到一定程度，会触发小区重选（idle模式）或者切换（Active模式）过程。为确保重选或者切换顺利完成，我们必须保证在手机顺利进入新小区之前，当前小区的信号不会衰落到门限值以下，否则空闲的手机可能脱网（No Service Mode）、或者通话中的 手机掉话（切换失败）。因此，相邻小区间重叠覆盖区域的大小的设计就非常重要。 系统在判断是否要进行越区切换时，可以遵循不同的准则，一般包括：接收信号强度、载干比、业务负载和移动台距离等。实际应用中，测量信号载干比有一定的困难，网络负载做为判决依据时其适用范围有限，计算移动台距离也难以保证精度，因此，多数移动通信系统都以接收信号强度做为切换判决的依据。 WCDMA系统中，有两种状态的切换：通话和起呼。通话状态的切换所需时间大约为0.7秒，起呼状态的切换大约为2.4秒。考虑到切换的可靠性，各厂家设备参数的异同性，及基站设置周边的传播环境，重叠覆盖距离和切换参数的设置要根据具体情况分析确定。 3）多径快衰落及高铁车厢穿透损耗大。快衰落变化速度与UE行进速度、工作频率有关（衰落平均速度2v/λ），对于2.1GHz，350km/h的高铁列车，快衰落变化速度约为1360Hz，变化幅度高达几十dB。当UE速度大于150km/h时，WCDMA/GSM功控失效，快衰落影响系统性能。对此，通常可采取的办法有：基站天线接收分集；提高覆盖设计指标，使高铁沿线保持较高的主服务小区覆盖电平，留一定余量抵抗快衰落；选用可以有效克服多普勒频移的基站设备，对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。 对于高铁车厢穿透损耗大的问题，可以采取技术手段，增强上下行信号，穿透车体，扩大基站覆盖范围；同时在高铁沿线的基站选址时，要考虑掠射角不能过小（覆盖边缘≥10度），保证基站与铁轨有一定距离；另外，也可采用车载直放站方式，在高铁列车顶部设置天线集中接收，通过分布系统覆盖车厢内部。 3 组网及参数优化原则 3.1 基站站址及参数设置 基于上述对高铁沿线覆盖难题解决方案的分析，要较好地解决高铁环境下的通信问题，在高铁沿线基站建设及参数的设置和优化中应满足“三快、两慢、两大、一准”的原则，即：接入快、重选快、切换快；链路删除慢、压缩模式启动慢；LAC区范围大、RAC区范围大；邻区配置要准，不可过多，也不可缺失。相关参数的调整还应结合各厂家之间的差异性以及现场实际情况（如站间距）等因素综合考虑。 3.2 组网方式的选择 针对高铁沿线的移动网络覆盖，目前有两种典型的组网方式：公网方式和专网方式。公网方式是把高铁沿线的覆盖融入周边大网统一规划和考虑，专网方式与公网方式有明显不同，它采取的是高铁沿线单独组网的模式，因此高铁专网和周边的大网相对独立，除高铁车站区域外，高铁专网基站和周边大网基站不设邻区关系，或者说高铁沿线的专网与周边大网不会发生切换。表3列出了公网方式和专网方式的比较。 工程实际中，应该考虑高铁所处的地理位置、地貌、容量需求、现网站址等因素，因地制宜地选取组网方式。一般来说，在高铁沿线用户较多、且列车运行速度小于200km/h的市区范围内，可采用公网方式。而在列车运行时速较高的郊区和农村，以专网方式组网为宜。 3.3 覆盖策略 高速铁路呈狭长带状分布，区域跨度大，沿途经过车站、地面、高架桥、地堑、隧道和桥梁等多种地形、地貌。在明确具体的覆盖方案之前，需要结合地形场景、覆盖质量指标、列车速度、基站与轨道距离，进行链路预算，确定站距要求。 由于天线入射角更多的影响车体穿透损耗，车体穿透损耗与入射角的大小有关，垂直入射时损耗最小，因此尽量使基站与铁路保持一定距离，具有一定的入射角。一般来说，掠射角应大于10度，建议基站与铁路距离在50米以上，最佳间距100-500米。天线挂高设置应考虑铁轨高度，宜高出轨面15米以上，保证天线与轨面视通。 在高铁车站，由于人流量较大，应该确保车站内部和站台的良好覆盖，大中型车站原则上要考虑建设室内分布系统进行覆盖，小型车站则可根据实际情况，优先选择室外宏基站覆盖。在高铁途经的城区和站台区域，车速较慢，一般都低于200公里/小时，按常规方式进行覆盖即可。在郊区和野外开阔地带，车速较高，在确保同一物理站址的情况下，可采用双RRU小区合并或单RRU功分方式，扩展单小区覆盖能力，减少切换。在直线轨道路段，相邻站点宜交错分布于轨道的两侧，呈“之”字状分布；在铁路弯道路段，站点宜设置在弯道的内侧，提高入射角，保证覆盖的均衡性。在隧道场景中，主要采用BBU+RRU或光纤直放站方式进行覆盖，尽量避免切换区处于隧道口位置。短隧道可通过隧道口的天线向隧道内定向辐射进行覆盖；长隧道可采用泄漏电缆进行隧道内覆盖，其高度一般应保持和高铁列车中部窗口平齐，隧道外可以采用窄波束、高增益天线应用隧道内信号对隧道外进行延伸覆盖。桥梁场景的覆盖原则等同于开阔地带，如果桥梁长度较长，可通过RRU拉远方式覆盖，另外就是要根据桥梁的高度合理设置天线的挂高。 4 总结 本文对高铁场景下移动通信组网面临的技术难题、解决方案进行了分析，并对工程应用中网络规划和参数设置原则、组网方式的选择及覆盖策略作了进一步探讨，对高铁沿线移动网络建设提供了一些参考。随着高铁开通里程的逐年增加以及人们需求的日益迫切，各家电信运营商也必将更加重视，加大在高铁沿线移网规划和建设的投入，最终实现高铁场景下同样能享受高质量移动通信服务的目标。 参考文献： [2]张玉艳、方莉，《第三代移动通信》，人民邮电出版社. [3]杨昂，高动态环境下多普勒频移估计技术研究，西安电子科技大学，2011.1. [4]李富新、谢鹰、刘文鹏，高速铁路移动网络覆盖方案的研究，2008.9.