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一、主要内容:
随着高速铁路的建设，四川移动通信行业必然面临高速铁路的移动通信网络覆盖和优化问题。
因此，有必要探讨高速移动用户的优化问题，从无线信号覆盖、切换、多普勒效应等研究高速移动覆盖的特点，制定优化要点，解决高速铁路移动通信的产生的问题。
以便未来数年内，对可能的高速铁路（包括动车）的移动通信问题作好准备。
二、设计要求：
分析高速移动用户在无线移动网络可能遇到的问题。
从无线信号覆盖、切换、多普勒效应等方面研究高速移动覆盖的特点，（另外还要考虑高铁列车车体衰减大等细节）制定优化要点，解决高速铁路移动通信所产生的问题。
三、主要设计步骤：
1.3月20日前完成选题及对资料的收集和整理；
2.4月1日前完成提纲
3.4月20日前完成初稿
4.5月1日前补充完善资料，调整改善内容，完成修改稿；
5.5月15日前完成定稿。
主要参考文献、资料：
1、高速铁路覆盖解决方案分析李明春
2、高铁专项优化问题和案例分析中国电信深圳无线网络运营中心
3、李明春,李博.高速铁路覆盖解决方案分析[J].通信世界，2008（33）.
4、蔡桂浩.高铁环境下CDMA网络覆盖与优化研究[J].移动通信,2009,33（16）.
要求完成时间
2012年5月15日
浅析高速铁路的无线网络优化
内容摘要：
铁路提速后,由于CRH车体密封性好、损耗高\列车速度快等原因,车厢内通信质量明显下降。
移动通信网络的覆盖和通话畅通和成为了网络中急需要解决的问题,传统的网络规划、网络建设和优化思路已经不能满足在高速移动的场景下的通信需要,高速铁路现网优化的技术解决方案成为当前网络优化的重要课题。
高时速使得移动通信的掉话率与接通率面临考验。
本文从高速铁路的网络覆盖的现状入手,立足于高速铁路现网的调整和优化,通过在浙江省、广东省投入运行的高速铁路上进行大量实地验证测试和研究结果,综合分析了高速列车对网络质量的覆盖的需求和对网络质量影响的主要因素,解决了铁路提速后出现的接通率低和掉话等现象,建立并明确了高铁覆盖和优化工作的目标,提出了基于光纤专网拉远的解决方案,并结合现网中的实际应用情况,进一步提出了光纤直放站技术近端拉远端的覆盖解决思路,并论证了这种方案在实际中的应用效果。
通过对覆盖方案的优化和现网参数的调整实施,使得高铁网络的覆盖方案基本上达到了和普通高速公路的覆盖水平。
关键词：
高速铁路、穿透损耗、小区重选、切换、网络优化
第一章前言
无线信号的接受和移动台的移动速度密切相关,随着铁路的提速,无线网络的覆盖和质量受到了前所未有的挑战,一方面无线电的传播受到了全封闭车厢的严重影响,覆盖能力急剧下降,另一方面网络的切换速度不能为高速移动的手机客户提供支撑,业务连续性受到了极大的考验。
随着城市经济的发展,铁路运输系统承担起越来越多的客流运送任务。
自2007年4月18日起,中国铁道部将进行第6次列车提速。
届时,列车时速将提升至200公里,而京哈、京沪、京广、胶济等提速干线部分区段可达到时速250公里。
第二章无线电传播的基础知识
第一节CRH简介
CRH简介在本次铁路提速的同时,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”该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH4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。
第二节无线电波传播的基础知识
在讨论移动通信的电波传播之前，有必要首先讨论固定无线通信的电波传播，因为这不仅有助于比较移动和固定无线通信电波传播之间的差别及特点，而且由于在移动通信系统中，除了移动用户外，也会有少量的固定用户。
此外，固定无线通信电波传播的某些模式和数据在适当条件下也适用于移动通信。
因此，对移动通信的工程设计人员而言，既要掌握移动通信的电波传播规律，也要掌握固定通信的电波传播规律。
第三节自由空间传播
在无线通信电波传播研究中，最简单的是自由空间传播。
当讨论到其他传播方式时，通常都要用它作为参考，故在许多场合，需要用到自由空间传播的计算公式。
所谓自由空间是指相对介电常数和相对磁导率均恒为1即介电常数和磁导率分别等于真空介电常数及真空磁导率的均匀介质所存在的空间，该空间具有各向同性、电导率为零等特点。
自由空间传播与真空中传播一样，只有扩散损耗的直线传播。
即在此空间中没有反射、折射、绕射、色散、吸收、磁离子分裂等现象，而且电波传播速度等于真空中的光速c。
因此，自由空间是某些实际空间的一种科学的抽象。
原则上电波传播总是要受到实际介质或障碍物不同程度的影响。
但在研究具体的无线电波传播时，如果实际介质与障碍物对电波传播的影响可以忽略，则这种情况下的电波传播可认为是自由空间传播。
第三章高速列车场景下的无线信号接收质量需求研究
我们知道,无线电波在空间中的传播有4种方式:
直射、反射、绕射和衍射。
这几种传播情况是在不同的传播环境下产生的。
本章将着重研究在高速列车场景下的无线信号接收问题,主要包括无线信号对于高速列车的穿透损耗、高速列车中网络覆盖质量的要求和满足覆盖要求下的基本组网策略等几个方面。
第一节穿透损耗
无线电波在空间中的传播除了有以上的4种传播方式,还存在以下3种传播机制。
存做无线电波传播模型校正时,需要对这3种传播机制进行仔细的区分。
大尺度传播机制:
描述区域均值,它具有幂定理传播特性,即中值信号功率与距离长度增加的某次幂成反比。
中尺度传播机:
描述阴影衰落。
小尺度传播机:
描述瑞利衰落。
根据列3种传播机制的区分,模型校正丰要考虑的是在大尺度传播机制和中尺度传播机制下,信号在不同环境下的路径损耗以及障碍物阴影效应所带来的慢衰落影响。
无线电波通过以上几种方式中的一种或者几种结合在一起形成的传播效果共同作用成为覆盖效果。
CRH列车采用密闭式厢体设计,增大了车体损耗。
第二节高速列车对网络质量的影响的因素
（1）车体密闭造成的额外的穿透损耗增加,具体增加量与不同的车型相关,广深铁路采用的型列车穿CHR1透损耗为14db。
（2）按照250km/h的高速计算,小区的重叠覆盖区要达到694米。
（3）按照250km/h的高速计算,满足GPRS数据传输时间不少于75%,则小区的主覆盖距离要达到560米。
（4）高速运行造成小区切换边缘信号强度要求提高,根据典型传播模型和基站参数和最高时速计算,切换边缘信号强度要求达到-61.16dbm（车体外）。
现网的铁路覆盖大多采用城乡基站兼顾铁路覆盖的形式,在低速情况下可以满足覆盖要求,但提速后往往不能满足要求,主要表现为:
（1）覆盖深度达不到要求,无法达到切换边缘信号强度-62dbm（车体外）的要求。
（2）小区重选切换混乱。
由于重叠覆盖区不够,小区重选和切换滞后于信号衰减速度,造成无法占用最强信号,进一步恶化了覆盖。
第四章高速铁路的现网覆盖优化的策略
第一节高速列车的通信质量目标
针对铁路GSM网络的特性,高速列车的通信质量应达到以下标准:
（1）覆盖场强:
CRH列车边缘场强应达到-97dbm;
（2）接通率:
CRH列车上无线信道接通率应大于98%;
（3）通话质量:
列车上应达到95%区域通话质量优于3级;
（4）掉话指标:
列车的基站平均掉话率应小于1%;
CRH列车的平里程掉话比应高于50公里/次;
（5）E-GPRS业务:
高速运行状态下,采用具备4时隙能力的终端下载速率应高于60kb/s。
第二节优化方面
为适应高速列车的特点,网络优化应从三个方面对网络进行适应调整;
（1）加强覆盖,延长重叠覆盖区,针对性地进行覆盖调整和补点建设;
（2）加强覆盖,延长单小区覆盖距离,减少切换重选次数;
（3）优化重选切换参数,使重选切换反应更迅速,能及时跟踪信号的衰落变化情况,使手机能够使用最强的信号。
加强覆盖是基础,只有基础覆盖达到要求,参数优化才能取得效果,否则参数调整措施可能导致切换更混乱。
第三节覆盖优化
针对高速铁路特点,网络必须实现深度覆盖才能保证网络质量。
网络覆盖应达到足够的重叠覆盖区（与车速相关）,以及足够的切换边界信号强度。
为此要对沿线的覆盖进行较大的调整,包括:
（1）对于较大范围的覆盖空洞需要建设新基站进行补充覆盖;
（2）对于频繁切换的区域可以通过光纤直放站分布系统来建设长距离的单一小区覆盖,减少切换;
（3）对于局部的信号混乱或特殊覆盖路段,（如隧道等）需要建设直放站进行补充覆盖;
（4）对于现网铁路覆盖小区需要进行天线、发射功率方面的调整,增加铁路的覆盖深度;
（5）减少铁路覆盖小区数量,形成长距离的主覆盖信号,将覆盖距离短、覆盖衰落快的信号清理出铁路覆盖,避免频繁重选和切换。
第四节重选与切换算法优化
小区重选与切换算法的各项参数要保证重选与切换的顺畅和快速完成,以配合高速列车的信号快速衰减的特点,尽量使手机能及时地占用到最强的覆盖信号。
主要涉及的参数优化方法包括:
（1）简化BA-LIST表的;
（2）优化c1、c2算法参数,使手机可以更及时地按照信号强度选择驻留小区;
（3）优化切换滤波、决策的相关参数,使切换能更准确及时地跟踪信号的变化;
（4）优化其他辅助功能参数,避免对信号传播、切换的负面影响。
第五节专网覆盖与现网调整
针对高速列车质量优化的主要的思路包括现网调整和专网覆盖两类：
现网调整是基于现网的结构进行局部的基站建设和调整，加强现网基站对高速铁路的覆盖，其特点是铁路覆盖站还兼顾铁路附近区域的信号覆盖；
专网覆盖则使用专用的基站或小区对铁路进行覆盖，其技术特点是专网基站信号只覆盖铁路线，只用于列车通信，在某些情况下专网与大网实现重选和软切换上完全的隔离。
专网覆盖与现网调整在基础覆盖的标准是相同的，在建设优化的方式以及对铁路周边的覆盖控制要求上存在差异。
第六节高铁通信高要求
高铁时代的来临，改变的不仅是城市间的空间距离，它所带来的还包括不同地域民众旧有的生活节奏和观念的巨变，主要是人们对出行方式的选择——乘飞机不再是速度的唯一体现。
更为重要的是，乘坐高铁还能享受到乘坐飞机所不具备的通信服务。
在飞驰的列车上，人们依旧可以打电话、发短信、浏览网页、收发邮件。
与平地上的通信不同，打造稳定的高铁通信网络，提供可靠的通信质量，运营商必须克服下面两个问题：
首先是列车提速带来通信区域的频繁重选与切换。
坐过“和谐号”列车的旅客都遇到过短信发不出去，电话经常掉线或者不通的情况，这是因为手机会在高铁的运行过程中频繁重选和切换。
其次是多普勒频移。
列车运行速度越快，多普勒频移越大。
当列车时速为350km/h、电磁波频率800MHz时，多普勒频移的范围是±
260Hz。
发生频移后，系统测算的信号接收点，不是实际信号的最强接收点，这样会降低通信的质量。
第七节破解通信难题延伸切换重叠区域
CRH3型高速列车时速可达350km/h，每秒约达到100米，传统方式假设CDMA网络每小区覆盖铁路范围1.5km，平均每次通话时长60s，那么平均每次通话要发生4次切换。
任何一次切换失败都将导致用户短信发送失败、通话断续。
若想保证切换成功率，最有效的方法就是延伸切换重叠区域。
CDMA网络规划时应根据列车移动速度预留一定的切换重叠区域，防止用户刚进入切换带，源侧信号突然变弱，此时新分支还没有来得及加进来，或者用户刚通过切换带，删除了源侧分支，但目标侧信号突然波动变弱，导致掉话。
考虑到C网切换从触发到交互完成，整个软切换过程大约需要1秒。
在时速为350km/h的高速列车中，单边切换区长度要求大于97.2m，若双向运行切换，重叠区域要大于194m。
鉴于硬切换过程通常为软切换的5倍，因此高铁对于跨厂家硬切换重叠距离要求为软切换重叠距离的5倍。
另外，运营商还可根据实际情况采用扇区功分或同PN（Pseudo-Noise，伪/随机噪声）RRU级联技术，延伸切换重叠区，减少切换频率，提高终端用户感知。
第八节调整距离
移动通信领域，将因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。
在每小时超300km/h的高速移动场景下，这种效应尤其明显。
多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移。
CDMA反向信号接收采用搜索窗原理，相比GSM的反向接收时隙设置范围更大，但由于高速移动导致接收机不能在最高功率点的相位与接收信号作扩频解调，信号能量存在部分丢失，这样就对有用信号能量强度造成了影响，这就是为何列车在高速行驶时所产生的多普勒效应，会影响下载速率和用户感知。
因此，降低多普勒频移效应可通过加大站址和轨道之间的距离，减缓列车相对基站移动速度，减少高速移动对频率解调的影响。
优化测试发现，基站距铁路垂直距离大于50m、小于150m时效果最佳。
优化京津高铁网络覆盖
高速铁路的移动通信覆盖是一个世界性难题。
京津高铁作为国内首条时速达380km/h的铁路极具代表性，其全长113.54km，采用CRH3型列车，年客流量达到2555万人次。
北京电信在2009年4月摸底测试时发现，该高铁部分区域存在覆盖空洞、切换掉话、PDSN（PacketDataServingNode）间无法切换等网络问题，影响了用户的业务体验。
北京电信现场技术人员通过延伸相邻基站或同一基站不同扇区的重叠区域，如对“永乐开发区”等必掉点进行PN改造、功分器共用扇区信号等方式，成功解决了该类场景的切换问题。
在北京电信网优中心、电信研究院以及华为公司为期数月的联合攻关下，京津高铁网络质量得到了有效优化，在2009年11月的三方测评中，话音质量（FER<
3）从优化前的91.67%提升至98.14%，里程掉话比从之前的17026m/次提升至113540m/次，网络整体指标得到了显著改善。
随着中国3G网络的全面商用，以及社会经济的快速发展，人们在高速移动环境下使用通信工具进行语音和数据业务的需求越来越多，因此对高速环境下通信网络建设方案进行研究有着极其重要的意义。
对高铁沿线无线网络覆盖进行专项规划和优化，能提高整体网络覆盖水平，改善网络通信质量，提升用户满意度。
第五章高速铁路覆盖解决方案分析
第一节高速铁路覆盖解决方案分析
高速列车对移动通信的影响主要是由于车体损耗和高速移动的速度造成的，不同车体对无线信号的穿透损耗差别很大。
当终端在移动中通信时，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。
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。
多普勒频移对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低了接收的灵敏度。
因此高速铁路覆盖的主要技术难点包括对多普勒频移的校正、有针对性的网络覆盖设计和降低网络建设成本等。
第二节降低多普勒频移影响的措施
工作频率越高，多普勒频移越大，相同车速时，1800MHz比900MHz多普勒频偏大一倍，性能损失更大，因此对于GSM网络优先采用900MHz频段是有效的解决方案。
另外，900MHz频段覆盖能力比1800MHz频段大6～10dB，现在900MHz在现网已经连续覆盖，优化现有900MHz频段网络解决高速铁路覆盖问题，会更经济。
另外设备本身具有自动频率控制（AFC）功能，AFC是针对铁路快速移动的特点设计的基站频率校正算法，通过快速测算由高速所带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，可以提高设备的解调性能。
第三节加强网络规划设计工作
1.加强网络规划设计工作
在进行高速铁路覆盖设计时，充分研究铁路发展趋势，通常以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。
基站选址要合理，避免越区覆盖产生，在保证覆盖距离的情况下，尽可能与铁路保持一定距离，克服多普勒效应。
当基站远离铁路边时，可以采用宽波瓣天线，扩大覆盖范围，同时抑制覆盖边缘天线增益的快速下降。
严格控制切换区域，保证切换区域的切换时间满足最少两次切换。
合理选择天馈系统，针对不同场景合理选择天线，天线方位角尽可能不与铁路平行，使主瓣与铁路线有一定夹角。
有针对性地选择站型，可以使用功分器把小区分裂为单小区双方向，连接两副定向的高增益天线，以扩大覆盖范围，同时减少切换。
特殊场景特殊考虑，对于弱场覆盖需考虑特殊覆盖方案，如使用直放站等。
可考虑使用功放、塔放或MCPA（多载波功率放大器）扩大小区的覆盖范围。
尽量将沿线基站放在同一个BSC或MSC中，以减少MSC间、BSC间的切换，避免过长的切换时间对网络服务质量造成不利的影响。
2.充分发挥高速铁路链型网络结构的特点
对原有网络结构进行改造，根据高速铁路线形覆盖的特点，将小区结构规划成链形邻区，并针对高速铁路沿线的链形邻区，让用户沿运动方向优先切换到前向链形邻区，这样将尽可能减少切换次数，避免前后小区乒乓切换，也避免了侧向小区的无序切换，提升切换效率，提升业务质量。
3.切换带的规划
切换带的规划一方面保证高速移动的手机终端顺利完成切换，同时要尽可能减少基站数量，降低投资，因此切换带的设计要合理。
根据快速切换算法触发时间的估算，完成2次快速切换的时间为5～6秒，网络设计过程中通常建议为7～8秒。
采用硬切换的GSM满足切换条件时，组网拓扑结构相同且共用天馈的CDMA也一定能良好切换。
4.站型和天线选择方案
周边用户比较少的农村区域，在铁路比较笔直的场景下，优先选择高增益窄波瓣天线，基站覆盖范围大，切换次数少；
对于市区、郊区、沿途有车站、铁路有弧度区域适合选择中等增益天线；
功分器虽然增加了3.5dB损耗，降低了基站覆盖范围，但是两个扇区为同一个小区，减少了切换次数，并且不需要考虑天线前后比的问题，在合适的场景下可以考虑使用；
8字形天线比较适合覆盖直线铁路。
5.分布式基站和一体化基站合理使用
分布式基站将原来基站分割成基带和射频两部分，用光纤代替传统的馈线将射频部分拉远，实现塔上安装。
铁路沿线比较容易铺设光缆，为分布式基站的建设提供了便利条件，另外BBU集中放置，适用于沿线城镇容量较大区域，减少对机房资源的需求，便于站址获取、集中管理和维护。
室外一体化基站体积小、重量轻，不需要机房，安装方式灵活，适合铁路沿线覆盖使用。
第四节隧道覆盖解决方案分析
隧道作为铁路的组成部分，直接影响到铁路覆盖的指标，覆盖势在必行。
通常隧道有单洞双轨、双洞单轨、单洞单轨之分，隧道的长度影响信源选取、覆盖方式等，因此将长度小于200m的隧道称为短距离隧道，200m～2000m之间的隧道称为中长距离隧道，大于2000m的隧道称为长距离隧道。
中短隧道通常采用八木天线在隧道入口对隧道进行覆盖，八木天线覆盖隧道的长度和隧道的横截面大小、建设材料、弯曲情况等有关，通常切换带不要设置在隧道内。
如果基站可以建设在隧道口，可以采用基站连接泄露电缆覆盖隧道内，出隧道后泄露电缆末端加天线覆盖隧道出口空间，也可采用光纤直放站+泄露电缆对隧道内覆盖，泄露电缆安装一般建议距离轨面1.8m，这种覆盖方案通常成本比较低，便于安装和维护。
长隧道覆盖通常采用光纤直放站+泄露电缆覆盖，光纤直放站可以用一个近端站+多个远端站覆盖方式。
在长隧道覆盖中，通常采用多种类型天线，一类解决隧道外覆盖，一类是用于信号延伸等。
切换带不要设置在隧道内。
由于在隧道内基站设备的安装维护比较复杂，建议不要在隧道内安装基站设备。
不同隧道对覆盖信源的选取有所不同，对于独立的短隧道可以采用无线直放站进行覆盖；
对于连续隧道群采用同一专用信源（仅用来覆盖隧道），利用光纤拉远进行覆盖，并将隧道与隧道之间的区域纳入隧道覆盖中，避免切换；
对于长距离隧道采用专用信源，利用光纤拉远进行覆盖。
为了保证隧道口信号顺利切换，通常在隧道口顶部安装天线，通常采用高增益天线，以保证足够的天线功率。
隧道覆盖投资大，需要协调的工作量大，因此在一次覆盖工程中，要充分考虑未来系统的发展：
适应未来铁路列车的发展,在功率预算方面有一定余量；
适应未来3G网络的升级，器件频段适应未来3G要求，电源、光纤传输、主设备位置预留等基础设施方面也要予以充分考虑。
第六章总结
本论文首先回顾了无线电波传播的理论知识，并分析了无线电波在不同场景下的传播特征，并对现有的一些解决方案进行了比较和分析。
对专网覆盖思路和现网调整思路进行对比分析。
并提出了现网调整和优化的方向和思路。
详细分析了光纤专网的应用场景和应用前景。
同时结合实际应用情况突出了现网优化调整的方向和重要性
参考文献
【1】高速铁路覆盖解决方案分析李明春
【2】高铁专项优化问题和案例分析中国电信深圳无线网络运营中心
【3】李明春,李博.高速铁路覆盖解决方案分析[J].通信世界，2008（33）.
【4】蔡桂浩.高铁环境下CDMA网络覆盖与优化研究[J].移动通信,2009,33（16）.
毕业论文（设计）实施过程记录表
毕业论文（设计）题目
选题
与布
置任
务书
阶段
进展情况记录：
2月22日前在学院网站按照学院教务处通知要求，已选好了相关“课题”和下载整理好“相关的格式、标准和表格”并做好详细的工作计划和安排。
指导教师意见：
先搜集资料，阅读相关内容，先制定论文大纲，然后再开始撰写。
指导教师签名
年月日
资料
收集
和
初稿
撰写
3月25日已完成相关的资料和素材的收集；
4月7日完成初稿的写作.
内容和结构需要进一步调整，格式要严格按照学校模板要求详见原文上的批注和修订。
修改
完善
定稿
4月底，按指导老师的反馈意见，正文逻辑不够清晰内容不够完善，并对论文格式进行调整。
经过反复修改，基本符合要求。
毕业论文（设计）评审表
设计（论文）题目
评价内容
具体要求
满分
评分
调查论证、查阅文献资料能力
能独立查阅文献和从事其他调研；
能正确引用资料；
有收集、分析各种信息及获取新知识的能力
20分
设计能力
论文（设计）的整体思路清晰，结构完整有序。
10分
分析解决问题，综合运用知识能力
能运用所学知识和技能去发现和解决实际问题；
能正确处理数据；
能合理的进行理论分析；
得出正确合理的结论。
分析方法和应用的能力
立论正确
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