高速铁路移动通信覆盖研究参考论文Word格式文档下载.docx
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第二节GSM移动通信系统简介2
一、GSM系统主要性能简介2
二、GSM系统的组成2
第三节本章小结2
第二章高速铁路覆盖理论研究2
第一节车体穿透损耗2
第二节多普勒效应的影响2
第三节单站覆盖距离2
第四节相邻基站重叠覆盖区域2
第五节天线选择2
第六节本章小结2
第三章达成高铁现状与建设方案2
第一节达成高铁情况2
一、达成铁路情况概述2
二、达成铁路信号测试情况2
第二节覆盖解决方案2
一、公网组网方式与专网组网方式的比较2
二、覆盖方案2
三、建站规模方案2
四、方案对比分析2
第四章达成高铁覆盖技术与规划原则2
第一节BTS+GRRU技术和BBU+RRU技术对比2
一、GRRU与RRU指标比较2
二、GRRU与RRU组网方案比较2
三、BTS+GRRU组网方案其他优点2
四、初步结论2
第二节无线网络规划原则2
一、新建宏站站间距选取原则2
二、拉远各远端机间距选取原则2
三、利旧站点选取原则2
四、基站搬迁原则2
五、载波配置原则2
六、站台站点选取2
第三节传输系统规划原则2
一、传输系统建设原则2
二、组建传输系统建议2
第四节电源系统规划原则2
一、近端站供电原则2
二、远端站供电原则2
第五节本章小结2
第五章达成高铁隧道覆盖方案2
第一节隧道覆盖概况2
一、隧道分类2
二、泄露电缆概况2
三、泄漏电缆的损耗2
第二节各类隧道覆盖方案2
一、短隧道覆盖2
二、长隧道覆盖2
三、连续隧道覆盖2
第三节隧道覆盖其他问题2
一、隧道内切换2
二、杆塔建设2
第四节本章小结2
结论2
致谢2
参考文献2
附录2
一、英文原文：
2
二、英文翻译：
前言
伴随中国铁路第六次大提速，我国将建设新线19800公里，其中时速在300公里以上高铁就超过5457公里，手机用户进行通信时，由于受到高速移动过程中的快衰落、多普勒效应、列车材质等对无线信号衰减以及无主力覆盖小区的影响，往往容易发生切换混乱，无法接通，掉话等现象，导致用户感知度下降。
面对日益增多的客源和用户对感知度的需求，移动运营商如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量，已经成为一个刻不容缓的问题。
在此之前，全国已经有多个地方实行了高速铁路的覆盖研究与实际工程建设，如京沪高铁、武广高铁、河北高铁等，都建立了良好的通信质量，也总结了很多高铁覆盖的经验，但就达成高铁覆盖而言，还是有些经验的空白。
由于川渝两地地形地势特殊，山路、桥梁、隧道众多，尤其是在隧道覆盖部分前人总结经验较少，其最大难点莫过于全网的连续覆盖与各个隧道的具体网络覆盖，故本课题就解决隧道的覆盖进行了一定的论述与总结。
针对GSM高铁覆盖，伴随着场景的特殊性，其高速运行、较强的车体穿透损耗、区域跨度较大和地形区域复杂等情况，出现了各种不同的难度，如多普勒频移过大，导致基站发射和接收频率不一致；
高速运行而造成切换频繁，速度越快切换距离也越长，切换距离已经超出原扇区的覆盖范围，终端难以接收到切换信令，导致掉话；
中空铝合金车体使得损耗过大，车内覆盖率低；
桥梁隧道特殊场景较多、线路和周边的交叉覆盖以至于组网复杂，并且车站、市区等地方公网与专网交错覆盖导致接入困难等等都是本次研究急需解决的问题。
本课题重点通过对达成高速铁路GSM网络覆盖工程的研究分析，提出规划建设意见，以便更好的完成达成高铁覆盖的项目，并对以后高速铁路移动网络覆盖提供一定的参考。
第一章移动通信系统概述
第一节GSM移动通信的发展历史
GSM全名为：
GlobalSystemforMobileCommunications，中文为全球移动通讯系统，俗称“全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其发展主要分为几个阶段：
①第一阶段：
从上世纪20年代至40年代早期，短波无线通信。
②第二阶段：
从40年代中期至60年代初期，移动无线通信开始问世。
③第三阶段：
从60年代中期至70年代中期，大区制移动电话。
④第四阶段：
从70年代中期至80年代中期，是移动通信蓬勃发展时期。
1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统，建成了蜂窝状移动通信网。
⑤第五阶段：
从80年代中期开始，欧洲推出GSM体系，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。
随着移动通信技术的迅速发展，80年代以后移动通信系统有了更进一步的飞跃，其演进过程如图1.1所示：
图1.1移动通信系统演进
第二节GSM移动通信系统简介
一、GSM系统主要性能简介
GSM数字移动通信系统的主要性能总体概况为以下几点：
①发射频率为上行890-915MHz，下行935-960MHz。
②TDMA多址方式。
③FDD双工方式。
④45MHz的双工间隔。
⑤载波频道间隔为200KHz，共124载频。
⑥语音编码是规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LPC），语音编码速率13kbps。
⑦信道编码采用循环冗余码、1/2卷积码及交织编码。
⑧调制方式为高斯滤波最小移频键控（GMSK），调制速率270.833kbps。
⑨时隙是物理信道/时隙，时隙周期577us，TDMA则为8时隙/帧。
⑩小区结构情况为在农村地区可采用宏小区，小区半径可达35km；
城市地区小区半径一般为10-20km；
市中心等业务密集地区可采用微小区，半径0.5km。
二、GSM系统的组成
GSM系统由一系列功能单元组成，从图1.2的系统结构可以看出，整个系统可以分为四个相互独立的子系统，由移动台MS（MobileStation）、基站子系统BSS（BaseStationSubsystem）、网络交换子系统NSS（NetworkSub-System）、公共网（PublicNetworks）组成。
图1.2GSM系统结构
1、移动台MS
移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，可以分为车载型、便携型和手持型。
其中手持型俗称“手机”。
2、基站子系统BSS
基站子系统BSS是GSM系统实现无线通信的关键组成部分。
基站子系统是在小区内建立无线电覆盖的设备，负责管理无线资源，建立移动台与网络之间的无线信道，传送网络的各种信令及用户信息等。
一个基站子系统BSS包含一个基站控制器BSC（BaseStationController）以及一个或多个基站收发信台BTS（BaseTransceiverStation）。
一个BTS在一个小区内建立无线电覆盖，故一个基站系统的覆盖区域包含若干个小区。
⑴、基站收发信台BTS
BTS主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。
一个完整的BTS包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。
BTS可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收和发送处理，一般情况下在某个区域内，多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收，来达到移动通信信号的传送。
⑵、基站控制器BSC
基站控制器BSC是基站子系统BSS的控制部分，它是基站收发信台（BTS）和移动交换中心（MSC）之间的连接点，也为BTS和MSC之间交换信息提供接口。
BSC一般由话路交换和信息交换的中心的AM/CM模块，完成呼叫处理、信令处理、无线资源管理、无线链路的管理和电路维护功能的BM模块和完成复用、解复用及码变换功能的TCSM模块组成。
3、网络交换子系统NSS
网络交换子系统NSS主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性能管理。
NSS由移动业务交换中心MSC（MobileSwitchingCenter）、归属用户位置寄存器HLR（HomeLocationRegister）访问用户位置寄存器VLR（VisitorLocationRegister）、鉴权中心AUC（AuthenticationCenter）、移动设备识别寄存器EIR（EquipmentInformationRegister）和操作维护中心OMC（OperationsandMaintenanceCenter）六个功能单元组成。
1、移动业务交换中心MSC
MSC整个GSM网络的核心，它控制所有BSC的业务，提供交换功能及和系统内其它功能的连接，作为交换设备，具有完成呼叫接续与控制的功能；
作为移动交换中心，具有无线资源管理和移动特性管理等功能。
2、归属位置寄存器HLR
HLR负责移动用户的数据库，包含的用户信息分为两类：
一类是有关用户参数的信息，另一类是有关用户当前位置的信息。
也可为至某MS的呼叫提供路由信息。
3、访问位置寄存器VLR
VLR是一个数据库，是存储所管辖区域中MS的来话、去话呼叫所需检索的信息以及用户签约业务和附加业务的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。
4、鉴权中心AUC
AUC是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。
完成对移动用户的鉴权，存储移动用户的鉴权参数，并能根据MSC/VLR的请求产生、传送相应的鉴权参数。
提供相应的移动管理功能、语音呼叫业务、短消息业务、数据业务，及网络具有的所有基本功能。
5、移动设备识别寄存器EIR
EIR就是一个存储有关移动台设备参数的数据库。
6、操作维护中心OMC
①OMC-S（对交换分系统的操作维护）
操作功能：
系统控制、移动用户管理、服务管理、业务管理、计费、路由和网络管理。
维护功能：
移动用户线维护、局间中继线维护、系统软硬件维护。
②OMC-R（对基站分系统的操作维护）
包括：
人机接口管理、保密管理、配置管理、运行管理、出错管理。
4、公共网
公共网是多个不同企业与不同人群共同使用的网络，也是为了获得使用权与他人在网上争抢资源的一种网络。
电话系统是使用最普通的公共网，其中包括由运营商组建并提供接入广域网服务和高质量数据传输服务的公用数据网PDN、作为全球语音通信电路交换网络的公共交换电话网络PSTN和以数字电话网络为标准的一种典型电路交换网络系统的综合业务数字网ISDN。
第三节本章小结
本章前两节主要就GSM系统进行了大体的介绍，包括其发展历史和系统结构，并对其中各个环节进行了一定的详细描述，以便对此次高速铁路移动通信覆盖的GSM系统有一个直观和整体的概念。
移动通信正飞速发展，3G通信正逐步成熟，CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA技术已经应用于各个领域，但就达成高速铁路移动通信网络覆盖而言，技术还比较欠缺，所以现阶段高铁的覆盖仍然采用2G技术。
第二章高速铁路覆盖理论研究
第一节车体穿透损耗
高速铁路都为CRH列车，其采用密闭式厢体设计，与普通列车相比，增大了车体损耗，各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，对各类型车厢的穿透损耗的测试结果如表2.1。
表2.1各类型车厢穿透损耗
车型
运营速度
最高速度
载客人数
列车长度
综合考虑的衰减值（dB）
T型列车
12
K型列车
14
CHR1（庞巴迪列车）
200Km/h
250Km/h
670
213.5
24
CHR2列车
610
201.3
10
CHR3列车
300Km/h
380Km/h
20
CHR5列车
604
205.2
在进行覆盖设计时，必须以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。
由于以上测试为列车静态状态下的测试结果，列车在运行途中，衰减会更大，需要加上校正因子，目前在国内运行的和谐号列车，多为庞巴迪列车，其校正因子为5dBm，如果要确保车内的正常通话，我们按最高24dB损耗来算，我们至少要确保车外有信号强度为70dB以上。
第二节多普勒效应的影响
当终端在高速运动中通信情况下，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，其计算公式如下：
其中：
为终端移动方向和信号传播方向的角度，
是终端运动速度，
为电磁波传播速度，
为载波频率。
从公式中可以看出，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。
表2.2显示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
=0）。
表2.2最大多普勒频移
运行速度（公里/小时）
100
150
200
250
300
350
频率偏差（Hz）
83
125
167
208
292
高铁覆盖中的多普勒频移也可以用以下公式来表示：
，其中
是收信机接收频率，
是发信机发射频率，
是移动台移动速度，
为电波传播速度。
值得注意的是，多普勒频移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的两倍。
以GSM900MHz和GSM1800MHz为例，在表2.3中可以看出不同车速下的最大频移。
表2.3最大频移
列车行驶速度（km/h）
900MHz最大频移（Hz）
1800MHz最大频移（Hz）
下行信道
上行信道
150
125
250
500
200
167
333
667
208
417
833
300
1000
350
292
583
1167
400
1333
随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显，在高铁覆盖中需要重点考虑：
①多普勒效应的存在，导致基站和手机的相干解调性能降低，直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。
②多普勒效应对于手机（下行信道）是一倍的频移，而对基站（上行信道）是二倍的频移，因此多普勒频移对基站的影响更大。
③根据理论分析和仿真测试，当列车时速达到300公里以上时，系统性能有比较明显的恶化，而当列车时速达到400公里以上时，900MHz手机就无法解出相邻小区的信息了。
④相同车速时，1800M比900M频偏大一倍，对基站解调能力影响更大，所以高速覆盖建议采用900M频段，3G引入后多普勒频移会更严重。
第三节单站覆盖距离
Okumura/Hata模型是应用较为广泛的覆盖预测模型，它是以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。
Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：
为市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）；
为工作频率（MHz）；
为基站天线有效高度（m）；
为移动台天线有效高度（m）；
为移动台与基站之间的距离（km）；
为移动台天线高度校正因子；
为建筑物密度因子。
假设基站为60W，即输出功率为48dBm，以6载波预测每载波输出功率为40dBm，高速覆盖上一般采用两面天线背向发射，设功分器、馈线、接头等损耗为6dB，天线增益为21dBi，水平波瓣角32度，天线口有效幅射功率为55dBm。
当车内信号强度需－85dBm时，车外接收信号强度。
假设为自由空间传输则允许最大路径损耗为：
。
由此可得天线高度和覆盖距离的相关数据如表2.4。
表2.4天线高度和覆盖距离
频率
天线高度（m）
覆盖距离（km）
密集市区
一般市区
郊区
开阔区
900MHz
0.210377
0.383491
1.078393
1.330582
0.251573
0.473756
1.409011
1.758431
30
0.281921
0.542023
1.670618
2.100094
40
0.307067
0.599619
1.898288
2.399314
50
0.329043
0.650665
2.104997
2.672319
对于开阔区，根据车体信号损耗和设备性能等进行分析得到GRRU覆盖距离可达1.4KM。
由于GRRU距铁路线有一定距离，以及考虑到将来TD信号覆盖，其车体穿透损耗更大，故设计每个点覆盖有效长度1KM。
对于隧道区，长隧道内部需连续布放GRRU+漏缆。
由于GRRU只能安装在避车洞里，每500M有一个避车洞。
考虑设备功率和泄漏电缆损耗，每1KM布放一个GRRU站点。
中短隧道内部不布放GRRU站点，而是布放在隧道两端，通过泄漏电缆直通覆盖隧道。
第四节相邻基站重叠覆盖区域
高速列车运动速度快，最高时速为250公里，所以对网络的切换重叠区域要求高，其切换情况分析如图2.1所示：
列车运行在两小区覆盖区域时，从甲小区到乙小区，甲小区的信号越来越弱，乙小区的信号越来越强，从C点手机开始启动切换计时，切换时长为5秒，重叠覆盖区域场强高于－85dBm的列车运行时间需大于10秒，列车运行设计时速为250km/h，则场强重叠区长度为：
。
图2.1切换情况分析
图中：
c点移动台启动越区切换测量计算，a、b点为不同方向移动台完成切换时间，切换在c-b（或c-a）段完成。
图2.1可以看出，当时速为250公里，切换时间为5秒时，需要两个小区信号重叠覆盖区域为694米，场强大于－85dBm，即可保证小区间的顺利切换。
不同速度不同切换时间的重叠覆盖距离见表2.5。
表2.5列车运行速度和重叠区间的关系
列车运行速度（公里/小时）
重叠区间距离（5s）
重叠区间距离（4s）
556m
444m
694m
833m
667m
972m
778m
第五节天线选择
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。
如果专网基站与铁路沿线的垂直距离小于100米，为避免越区覆盖，优先采用32度窄波束天线（如ODP-032R18dB），并且每个小区使用两副天线对铁路实施覆盖。
具体见示意图2.2。
为
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