移动通信高速铁路覆盖解决方案.docx
《移动通信高速铁路覆盖解决方案.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《移动通信高速铁路覆盖解决方案.docx（34页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
移动通信高速铁路覆盖解决方案
内容摘要
目前，通信市场呈现三分天下的格局，移动通信的市场竞争日益激烈，为了更好的为用户提供服务，抢占市场，需要不断提高网络运行质量，以优质的网络吸引客户。
随着铁路高速的来临，移动通信也面临着高速带来的压力，如何保障用户在高速运行情况下的网络质量，也给我们带来新的挑战。
挑战带来机遇，面对挑战，需要我们不断采用新技术、新办法，文中通过运用技术手段解决高速铁路覆盖问题，以满足用户的使用，为市场发展提供有力的网络支持。
关键词：
移动通信、高速铁路、覆盖
移动通信在高速铁路覆盖中的
技术及解决方案
一．高速铁路概况
铁路作为我国国民经济的大动脉，对实现国民经济和社会发展的宏伟目标起着极为重要的作用。
目前，全国铁路营业里程为7.7万公里。
2007年4月18日，铁道部进行了第六次大提速，将时速200公里及以上动车组投入使用。
此次大提速在京哈、京沪、京广、京九、陇海、浙赣、兰新、广深、胶济等干线展开。
第六次铁路大提速后，京沪、京广、陇海、浙赣、广深等干线时速达200公里，京哈、京广、京沪、胶济线部分区段时速达到250公里。
至此我国铁路时速120公里及以上线路延展里程达到2.2万公里，比第五次大提速增加6000公里。
其中，CRH高速铁路延展里程达到6003公里。
到年底，全国铁路有480列CRH列车运行，覆盖全国17个省、直辖市。
这意味着中国铁路将以此为起点，进入了全新的高速列车时代。
客运专线是以客运为主的快速铁路。
目前在我国，铁路等级除Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级外又增加了“客运专线”等级，时速200至350km/h的铁路统称为客运专线，曲线半径一般在2200m以上。
客运专线运量大、效能高，社会经济效益显著。
客运专线列车最小行车间隔可达三分钟，列车密度可达每小时20列，列车定员可达1600—1800人/列，理论上每小时最大输运能力可达2×32000～2×36000人，能够实现大量、快速和高密度运输。
目前已建成的客运专线有秦沈客运专线、京津城际客运专线、石太客运专线、郑西高速铁路、武广高速铁路、甬台温客运专线、温福州客运专线、福厦客运专线以及胶济客运专线东段
已开工建设的客运专线有（18个）：
京石、石武、郑西、合武、合宁、甬台温、温福、福厦、广深港、广珠、津秦、宁杭、杭甬、长吉、九昌、哈大、胶济、海南东环、大西。
这一切都为中国铁路的发展带来了新的机遇与挑战，也给铁路的通信网络覆盖提出了更高的要求。
二．普通覆盖形势下对高铁覆盖面临的主要问题
目前移动GSM网络覆盖日益完善，但由于高速铁路及CRH列车的特殊性，对其的网络覆盖效果并不理想，无法很好的满足客户的正常使用，存在着接通率低、掉话、无法使用数据业务等严重网络问题，所以，对高速铁路的专项覆盖工作是很迫切的。
（一）覆盖场强不达标
在铁路提速的同时，铁道部引入了CRH这一新型列车，该列车全称为“中国高速铁路列车”，CRH是（China Railway High-speed）英文字母的缩写。
该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4个种类，其中，CRH1、2、5均为200公里级别（营运速度200KM/h，最高速度250KM/h）,CRH3为300公里级别（营运速度330KM/h，最高速度380KM/h）,而CRH2具有提升至300KM级别的能力。
CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。
各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，京广铁路目前行驶的主要运行列车为CHR2和CRH5列车，采用欧洲庞巴迪动车组技术，全车无卧铺车厢，实测的结果显示穿透损耗为24dB，比普通列车高很多。
（二）频繁切换、掉话严重
原铁路覆盖基站密度较大，穿越城镇区域铁路基站覆盖半径约为0.5~1.5公里，郊区基站覆盖半径约为1.5~2.5公里，边远地区基站覆盖半径约为2.5~4公里。
由于列车行使速度快，部分基站密度大的区域，一般在5~30秒就有一次切换，导致切换信令开销大。
且由于切换有一定的时间（最大5s），当前一次切换尚未完成时，又有新的切换需求，容易导致切换失败。
用户可能选择到较远的信号，若未将该邻小区加入邻区列表，用户切到远处小区后就无法切回到该邻近小区，也会切换失败。
由于两邻区的重叠覆盖区的信号强度不满足切换要求，也会切换失败。
频繁的切换大大增加了掉话的可能，在高铁上严重影响了用户的正常通信。
（三）位置更新多，信令开销大，位置更新失败率高
由于突发性业务大（有列车经过时，话务量高，无列车经过时，基本无话务），当有列车通过时，TCH、SDCCH等信道溢出，特别在LAC交界处，由于需要位置更新，信令容易溢出。
（四）信道拥塞
由于列车的突发性业务大，有列车经过时，话务量高，无列车经过时，基本无话务，在非城镇等密集居住区，基站载波配置可能满足不了突发性的列车业务需求，可能造成TCH、SDCCH等信道拥塞、溢出，特别在LA交界处，由于需要位置更新，载波配置不够或信令信道配置不当，容易造成溢出。
（五）GPRS覆盖问题
由于CRH列车覆盖场强有弱信号区域甚至盲区，用户频繁跨越小区，电磁环境复杂，小区边缘区域C/I难以达到数据传输要求，虽然GPRS是始终在线，但对数据业务连续传输及下载速率都有较大影响。
三．高速铁路解决方案分析
目前针对高速铁路的优化主要有网络调整方案、基站专网优化方案、GRRU专网优化方案三种解决方案。
（一）现网调整优化解决方案
现网调整方案是通过对现网基站进行调整，适应高速列车的运行要求，达到增强覆盖、改善重选切换效率的网络优化方法，常用的方法包括天线调整、分裂专用覆盖小区、加装基站放大器、加装直放站等，现网调整方案中用于铁路覆盖的小区同时还会为铁路邻近区域的一些用户提供覆盖服务。
图3-1现网优化调整解决方案示意图
网络调整优化解决方案的优点：
Ø需要新增硬件设备较少，网络建设工作少。
网络调整优化解决方案的缺点：
Ø网络调整困难；
Ø只能减轻或改善切换频繁、位置更新、接通困难、掉话、数据业务无法使用、用户使用感受差等等问题，无法根本解决。
（二）基站专网解决方案
基站专网解决方案则使用专用的基站或小区对铁路进行覆盖，覆盖铁路的基站或小区只覆盖铁路线，只用于列车通信，专网与大网实现重选和切换上完全的隔离，只有在车站等专网入口才能进入或离开专网。
图3-2基站专网解决方案示意图
基站专网解决方案的优点：
Ø专用小区，不需考虑铁路周围的覆盖，单站覆盖距离相对常规基站建设容易做的比较大；
Ø重选、切换关系简单，切换重选速度较快，成功率高；
基站专网解决方案的缺点：
Ø建网成本较高，工程量大，周期长；
Ø不对铁路周围用户服务，周围用户感受差；
Ø频率规划需专用BCCH频点，周边基站TCH频点需退让；
Ø稳定性差，单站故障时无法利用邻近大网信号；另外车站等专网出入口基站有覆盖漏洞或发生故障，将影响全线质量。
（三）GRRU专网解决方案
光纤专网是利用光纤分布系统实现单小区长距离连续覆盖的铁路专用覆盖网；在硬件设备上采用多个光纤直放站远端单元沿铁路线安装高增益天线来实现专用覆盖；在参数上设置高速列车运行时相关的相邻小区，实现高速准确的重选和切换。
图3-3GRRU专网解决方案示意图
GRRU专网解决方案的优点：
1、减少切换（位置更新）频次；解决切换频繁和数据业务使用的问题；
2、提高接通率、提升网络质量应对业务升级；
3、GSM专网小区交叉频率复用的方式以解决网络中频点紧张的问题；
4、集中式机房建设、光纤传输采用菊花链组网节约了大量的投资成本；
5、GSM高铁专网共享载频大覆盖，同时有利于提高载频的利用率；
6、GRRU的噪声抑制、自动时延调整、菊花链组网等功能，区别于传统的直放站类设备，解决网络问题的同时没有对基站上行形成干扰。
（四）小结
从以上三种高速铁路解决方案的具体分析及全方面对比，可以看出，GRRU专网覆盖不失为一种最理想、最有效、最彻底的高速铁路GSM网络覆盖方案。
下面将对“GRRU专网解决方案”进行详细介绍。
四．高速铁路覆盖设备选型
（一）产品要求
对于高铁网络覆盖，为保证其覆盖性能，其专项覆盖产品的特点为：
Ø可靠性高
设备需保证高铁覆盖可靠性，传输、电源等需要保护和备份。
高铁网络的列车车速快，列车车厢信号损耗大；同时高铁动车组内为中高档用户，因此要求覆盖高铁网络的相关产品的可靠性要求高，全天候保障设备可靠稳定运行。
高铁的铁路环境较为复杂，需确保传输、电源的可靠性，此时需对传输资源、电源供电等基础资源提出备份和保护功能
Ø兼容性好
设备可兼容各厂家基站，保证高铁覆盖连续性。
高铁为狭长型长距离覆盖，无线网络区域经过多个区域，不同区域的基站设备厂家有所不同，因此需确保高铁覆盖设备可兼容各个厂家设备，从而确保高铁无线网络覆盖的连续性，并方便后期扩容优化。
Ø长距离覆盖性能
具有有效延伸高铁网络小区覆盖距离，减少高铁切换次数；
为扩大高铁网络单小区覆盖半径，尽量降低高铁铁路沿线新建站址，从而减少建网成本，此时需要高铁覆盖产品具有长距离覆盖性能，即产品具备大功率、分集接收、低功耗、大容量等性能特点。
Ø灵活的传输方式
具有星型、菊花链型、混合型等组网方式，节省光纤资源；
由于高铁区域经过多个场景，传输资源具有不确定性，因此需要高铁产品具有灵活的传输方式，利于方案设计根据场景选取灵活的传输方式，确保高铁无线网络覆盖的顺利建设。
对于部分光纤无法到位的站点，可以使用微波GRRU来解决光缆传输问题，微波GRRU有着与光纤GRRU相同的功能和性能，仅传输方式不同。
（二）GRRU性能特点
铁路专网覆盖采用基站加GRRU的覆盖模式，GRRU设备（GSM数字光纤射频拉远单元）具有许多独特的性能及强大的组网能力，下面对GRRU设备作简单的介绍：
Ø工作原理
原理框图如下，系统由接入控制单元和数字覆盖单元组成，它主要具有以下几方面的特性：
✧具有上行噪声抑制功能
首先，GRRU采用载波选频方式，只对信源小区所使用的载频进行放大，非工作频点全部滤除，减少到达基站的上行噪声电平，其次，GRRU采用时隙噪声自动检测功能，可以判断是信号时隙还是噪声，并且只对信号进行放大，对噪声则没有放大作用，因此使得通过GRRU到达基站的上行噪声电平低于-132dBm@200KHz。
分析如下图：
在上行数字处理单元的输出端，上行底噪为白噪声-121dBm，变频器及D/A转换器的噪声增量为25dB，因此在低噪放LNA的输入端，底噪为-121+25=-86dBm，经过双工器及合路器后，到达基站射频口的底噪为-132dBm，远小于基站本身的背景噪声-119dBm（白噪声+基站的噪声系数），因此不会对基站造成干扰。
下图为不带上行噪声抑制功能与具有上行噪声抑制功能的设备，在设备上行输出端所测得的波形，由图可示，由于GRRU开启了噪声抑制功能，可将设备的上行噪声降低20dB，绝对不会造成对基站的干扰
✧完全实现上下行链路平衡
模拟直放站都是通过调低GUP的办法规避直放站对基站的影响，往往会造成不同程度的上下行不平衡;当1个基站带多台直放站时，噪声叠加导致底噪更大抬升，必须进一步下调Gup,造成更大的链路不平衡
具有噪声抑制功能的GRRU系统，无论接入1台或串接多台DRU，其引入的噪声始终为-132dBm，因此不需要下调Gup来防止干扰基站，因此上下行链路平衡不受任何影响
✧自动时延调整功能
由于射频信号在GRRU的传输过程中，已转换成数字信号方式进行传输，因此可以非常方便地通过软件无线电的方法，对信号进行任意延时，以适应覆盖的需要，这种特性在解决多台RRU重叠覆盖时产生时间色散的问题非常重要。
在GRRU系统时延调平的基础上，系统发射多径干扰存在于物理空间距离超过4.5km的两个远端之间。
在实际高铁网中，每个站点覆盖距离只有最大1.4km的半径，4.5公里以外的信号已经衰落到-95dBm以下，远比4.5km位置处的远端的覆盖场强小，满足12dB载干比的要求。
所以，系统的同时发射干扰隐患，在工程应用中已经被消弭。
✧可实现灵活的组网方式
采用GRRU可实现星型、菊花链型等多种组网方式，最多可带24台以上远端单元：
见下图：
在应急开通或没有光纤资源的站点上，还可以采用微波传输组网。
✧无线信道业务量统计及调度功能
GRRU具有无线信道业务量统计功能，对每台远端覆盖设备进行独立话务统计，可以在监控中心随时查询每台远端设备的话务状况，以便及时做出网络调整
✧可实现传输路由的备份
采用GRRU的自动环路保护功能可实现传输路由的备份，提高系统的可靠性，见下图：
✧针对高铁覆盖的特殊功能
针对高铁线路站点维修、维护条件十分苛刻的特殊情况，我们对用于高铁覆盖的设备作了近端整机备份、远端功放/电源备份等功能，远端还可以采用光缆供电的方式简化电源建设工程，提高工程进度。
✧近端热备份
DAU配备热备份单元，主机故障时可即时自动切换到备份单元保持正常工作
四．设计实现方案
（一）设计原则
1．对铁路施行专网覆盖
（1）专网结构要求专网信号只覆盖铁路，不覆盖周边区域，要求对信号有很好的控制，尽量避免对外围区域的泄露。
（2）专网形成虚拟的独立网络，只在车站区域设立专网与大网的出入口，铁路覆盖内部小区不设大网邻区，不与大网进行小区重选和切换，所有切换和重选只在内部进行。
（3）专网结构完全不吸收大网业务，只吸收列车上的业务。
2．采用基站+射频拉远单元的组网方式
本次方案采用基站+射频拉远方式进行覆盖，一个扇区的覆盖距离约在10Km左右，一台近端设备带10多台远端单元，考虑到光路条件的限制希望远端单元组网方式灵活多变，能适应各种光路条件下的组网。
GRRU可实现星型、菊花链型等多种组网方式，最多可带24台远端单元，见下图：
图4-1GRRU组网方式
3．沿铁路线设置线性位置区
沿铁路线的覆盖小区划分，从减少切换保证覆盖的角度来看，单小区的覆盖距离越长越好，但拉远距离受到TA限制。
对于高速铁路，最高时速达到250Km/h，即每分钟4.2公里，采用基站覆盖方式，每个基站分两个方向沿铁路线进行覆盖，那么基站最大覆盖距离为3公里，即在列车上的占用时间为3/4.2*60=43秒，很显然，沿线的小区切换仍将频繁，因此需要采用射频拉远技术，将基站信号采用光纤沿铁路线拉远进行覆盖，如下图所示：
图4-2射频拉远覆盖示意图
基站拉远距离受基站时间窗口TA的限止，
基站TA数值：
0～63
1个TA＝3.69µs
GSM规范中最大时延为233µs，单向允许最大时延为233/2=116.5us
又因为光纤传输时延约为无线空间时延的1.5倍，因此，可允许最大传输光程为116.5*300/1.5=23.3Km。
由于信号在通过射频拉远设备时，会产生14µs的时延。
拉远设备允许传输光程为（116.5-14）*300/1.5=20.5Km
覆盖半径计算公式：
载波选频设备最大覆盖半径＝（116.5-14-（光纤实际传输距离*1.5）/300）*300m
覆盖范围数据如下表所示：
传输距离
覆盖半径范围
20公里
0.75公里
19公里
2.25公里
18公里
3.75公里
17公里
5.25公里
16公里
6.75公里
15公里
8.25公里
14公里
9.75公里
表4-1传输距离与覆盖范围数据表
由此可见，基站单向最大传输拉远距离可达19公里，双向可达38Km，考虑到传输线路与铁路线有一定的差异，一般取定单向覆盖铁路线长10Km，即双向覆盖铁路线路长20公里的距离（实际覆盖铁路线长要视光纤传输拉远情况来定）。
20公里的距离手机附着时间为：
20/250*60=4.8（分钟）
单小区拉远距离除了TA限制外，还受到话务容量、频率规划、光纤资源及网络设备可靠性等因素的限制。
例如：
在火车站附近区段，由于在火车站公网与专网之间要相互切换，专网除了覆盖列车外，还将吸纳一部分火车站话务量，话务量相对较大、所需载频资源较多，而在城市中心区域网络结构复杂，退频难度大，因此拉远的距离不宜过长，建议单小区覆盖长度不超过10公里；在郊区及农村区段，基站密度相对较低，频率资源相对较富余，因此单小区覆盖距离可以较长，建议在20公里左右。
将中心机房设置在覆盖区段的中部，向两侧拉光纤进行射频拉远覆盖。
（二）具体设计方案主要考虑因素
1．车厢穿透损耗
以下是铁路相关列车车体损耗的测试分析值：
对于高速铁路的专网覆盖，要充分考虑最大车体损耗，因此列车穿透损耗约取24dB。
2．覆盖电平
（1）覆盖强度理论分析
当车内信号强度需-85dBm时车外接收信号强度:
RXlev=-85dBm+TPL+衰减余量=（-85+24+5）dBm=-56dBm；
其中：
TPL为车体损耗：
取值CRH5型列车24dB；车厢内的衰减余量取值5dB；
可知：
满足车内信号场强-85dBm时车外接收信号强度应该为-56dBm；
如果满足车内信号场强-80dBm时，则车外接收信号强度应该为-51dBm。
（2）覆盖模型
一般采用OkumuraHata作为无线覆盖模型，市区的覆盖模型经验公式为：
La＝69.55＋26.16lgf－13.82lghb－α（hm）＋（44.9－6.55lghb）lgd
La：
市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）
f：
工作频率（MHz）
hb：
基站天线有效高度（m）
hm：
移动台天线有效高度（m）
d：
移动台与基站之间的距离（km）
α（hm）：
移动台天线高度修正因子
a（hm）=3.2*（log11.75hm）2-4.97=1.045
天线高度取值为2米，则：
a（hm）=1.045
市区的覆盖模型是考虑了市区建筑物对无线信号的衰减，对于郊区或乡村环境，主要是因为建筑物的密度较小，对信号造成的衰减较小，需要减去修正因子，即：
Lb=La-C
C：
建筑物修正因子
采用郊区修正模式，C=2*[lg（f/28）]2+5.4=10dB
对于市区来讲，建筑物比较多，对电磁波的阻挡相对郊区较大，因此在这里预留3dB余量，因此C=7dB。
A、市区覆盖模型可参考下表：
市区天线挂高8米左右，站间距为810米左右
链路预算模型
序号
参数
单位
取值
1
设备每载频功率
dBm
39
2
二功分插损值
dB
-3.5
3
馈线损耗
dB
-1.5
4
天线增益
dBi
21
5
天线口有效发射功率
dBm
55
6
车外最小覆盖场强
dBm
-56
7
修正因子S（a）
dB
7
8
最大允许链路损耗
dB
118
9
主机天线高度Hb
m
8
10
手机高度Hm
m
2
11
修正因子a（Hm）
dB
1.045
12
最远覆盖距离
Km
0.406
表4-2市区链路预算模型
市区天线挂高与覆盖站距的关系:
车内接收场强
天线高度
单天线覆盖距离（米）
站间距（米）
60W设备
30W设备
60W设备
30W设备
-80
8
302
253
604
506
-80
10
321
268
642
536
-85
8
406
340
812
680
-85
10
433
362
866
724
表4-3市区天线挂高与覆盖站距关系
B、郊区覆盖模型可参考下表：
郊区天线挂高15米左右，站间距最大为1200米左右
链路预算模型
序号
参数
单位
取值
1
设备每载频功率
dBm
39
2
二功分插损值
dB
-3.5
3
馈线损耗
dB
-1.5
4
天线增益
dBi
21
5
天线口有效发射功率
dBm
55
6
车外最小覆盖场强
dBm
-56
7
修正因子S（a）
dB
10
8
最大允许链路损耗
dB
121
9
主机天线高度Hb
m
15
10
手机高度Hm
m
2
11
修正因子a（Hm）
dB
1.045
12
最远覆盖距离
Km
0.591
表4-4郊区链路预算模型
郊区天线挂高与覆盖站距的关系：
车内接收场强
天线高度
单天线覆盖距离（米）
站间距（米）
60W设备
30W设备
60W设备
30W设备
-80
10
384
321
768
642
-80
15
434
360
868
720
-80
20
475
393
950
786
-85
10
519
433
1038
866
-85
15
591
491
1182
982
-85
20
651
539
1302
1078
表4-5效区天线挂高与覆盖站距关系
3．多普勒频移
当终端在运动中通信时，特别是在高速情况下，终端和基站都有直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。
多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移（Dopplershift），其计算公式为：
其中：
θ为终端移动方向和信号传播方向的角度；
υ是终端运动速度；
C为电磁波传播速度；
f为载波频率。
从公式
（1）可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大；完全垂直时，没有多普勒频移。
图1展示了多普勒频移对移动通信系统的影响，其中fo是中心频率，fd为多普勒频移。
图1 多普勒频移的影响
表1为典型情况下的最大多普勒频移（即假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即θ=0）。
表1 典型情况下的最大多普勒频移
由于多普勒频移对移动通信系统的影响最大是2fd，因此当火车速度达到400km/h，频移的最大影响是667/1333.4Hz（中心频率为900MHz/1800MHz时）。
根据GSM系统移动台（MS）与基站收发信台（BTS）的调制性能，667/1333.4Hz的频偏，对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低接收的灵敏度，但幅度会比较小。
因此，可以认为目前高速铁路给GSM网络带来的影响中，多普勒频移不是主要因素。
4．小区重叠覆盖区
在本方案中，保定高铁专网南段内部存在6次切换，切换点都设计在郊区，这几个切换点类型相同，现以北庄子北和大屯的切换点为例进行分析。
图4-3专网内部切换站点示意图
为保证两小区之间的重叠覆盖区域，将北庄子北和大屯的天线挂高设计为17米，根据模测结果表明，天线挂高17米时，单天线覆盖距离可以达到1公里（车内场强达到-90dBm），由此可见重叠覆盖区域满足切换及重选要求。
图4-4专网内部切换站点天线覆盖示意图
5．光纤直放站重叠区切换带设置
本次铁路专网覆盖系统中涉及到以下切换点：
在专网两端公网小区与专网小区之间的切换；在火车站专网与公网之间的切换；专网内部小区间的切换；以及进入到专网小区的非铁路列车用户与公网间的切换等四个方面。
以下对保定高铁专网的几个切换进行分析：
（1）专网两端公网与专网小区之间的切换
保定南段高铁专网包括南、北两个切换点，现以南边专网与公网的切换点为例进行分析。
图4-5专网与公网间切换站点示意图
保定南段高铁公网与专网切换
升级会员 