WCDMA高速铁路覆盖解决方案论文文档格式.docx
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CDMA,Networkplanning,Networkcoverage,Networkoptimization
第一章概述
1.1市场需求
1.1.1高速公路场景
高速公路属于交通干线，中国拥有高速公路四点一万公里，位居世界第二。
至2010年，中国新建高速公路将达到二点四万公里以上，总里程将达六点五万公里。
中国东部地区基本形成高速公路网，长江三角洲、珠江三角洲和京津冀地区形成较完善的城际高速公路网，国家高速公路网骨架也基本形成。
高速公路的无线环境有以下特点：
1）传播模型和信道环境
室外传播环境近似农村场景。
在北方，高速公路两旁的树木一般较少，路损较普通农村环境低5~10dB。
在南方，公路两边的植被一般很茂密，与农村环境没有大的区别。
视野一般比较开阔，周围建筑物较少。
终端和基站之间有较大的概率存在直射径；
时延扩散相对较小（山区除外），多径数目较少；
智能天线的赋形增益一般较高。
2）车体损耗
高速公路的用户都位于车内，在覆盖规划时需要考虑车体的穿透损耗。
对于普通的客车，穿透损耗一般在5~8dB。
3）终端移动速度较高
终端移动速度一般在80km~120km范围内。
在此速度范围内，多普勒频移小于200Hz。
可以不用修改基带算法；
4）用户分布
用户基本均匀分布在交通线上，而在收费站附近会有集中分布。
用户业务使用习惯多样。
高速公路的客流量大，同时要求支持CS64kbps的VideoPhone业务和PS64kbps数据业务连续覆盖。
5）公路隧道等特殊环境
对于山区和丘陵地区的高速公路，公路多弯，地势变化快，由于遮挡容易出现死角，在规划时需要进行针对性的考虑。
另外隧道也是一种常见的场景，需进行专门的覆盖。
1.1.2高速铁路场景
高速铁路属于大区域的轨道交通，目前，全国铁路营业里程为7.6万公里，到2010年，全国铁路营业里程将达到8.5万公里。
其中复线里程3.5万公里，电气化里程3.5万公里。
1997年到2007年，中国铁路经过六次大提速，内燃机车、电力机车、动车组，车型不断更新换代，主要铁路干线时速达到200公里。
第六次提速后，全国范围内出现了很多时速超过200km/h的路段，而超过300公里的高速铁路也即将开始动工。
根据未来高铁的发展趋势和欧洲同类国家的运营状况，高铁覆盖方案应该能满足350km/h以上，最快达到450km/h的高速行驶要求。
同时新型全封闭车厢对手机信号的衰耗在24dB之上。
根据建成后的京津高铁GSM-R专用通信网推断，高铁覆盖方案在最短发车间隔（3分钟）状态下应该满足600名以上旅客的话务量需求，网络接通率超过95%,覆盖率为99.5,掉话率不高于5%，切换成功率在90%以上。
下面是我国高铁列车基本信息材料:
表1CRH列车基本信息表
列车类型
运营速度
最高速度
载客人数
列车长度
列车材质
CRH1
200KM/h
250KM/h
670
213.5M
不锈钢
CRH2
610
201.3M
中空铝合金车体
CRH3
330KM/h
380KM/h
暂无
200.0M
CRH5
604
205.2M
注：
武广高速铁路暂时按照CRH3型列车设计，速度按照武广高速的远期时速350KM/h计列，材质考虑为不锈钢。
铁路环境与公路环境有不同的特点：
高速铁路的传播环境和信道环境与高速公路类似，车外传播环境近似农村场景。
同样终端和基站之间有较大的概率存在直射径；
高速铁路的用户都位于高速列车内，在覆盖规划时需要考虑列车体的穿透损耗。
对于普通的列车，穿透损耗一般在10~15dB。
而对于高速列车，如广深高铁上运行的和谐号动车组，测试表明穿透损耗约15～20dB。
穿透损耗对于连续覆盖目标的实现形成巨大的挑战。
终端移动速度一般在150km~200km范围内，个别路段达到250km。
在今后几年内，陆续会有不少路段的速度达到300~350km/h。
在此速度范围内，多普勒频移超过400Hz，基站和终端必须支持动态相位补偿技术才能满足业务质量要求；
与高速公路不同，高速铁路用户集中分布在列车车厢内，随着列车运行全体同步运动。
用户的切换、小区重选等行为都非常集中，所以基站资源的使用呈突发性。
5）铁路隧道等特殊环境
铁路隧道比公路隧道更多，通常距离也更长。
需进行专门的覆盖。
图1高速铁路
1.1.3磁悬浮场景
上海磁浮列车示范运营线是全球首条磁浮列车商业运营线，也是国内目前唯一商业运营的磁悬浮线路，它于2002年12月31日开通试运行，它集交通、观光和旅游于一体，西起地铁二号线龙阳路站南侧、东至浦东国际机场一期航站楼东侧，轨道悬空距离地面可达12～13米，全程30公里，单程行驶约需8分钟。
最高运行时速可达430Km、最高速段约持续20秒。
图2磁悬浮
磁悬浮有以下特点：
上海磁悬浮环境与通常高速铁路、高速公路有所不同，其轨道悬空架设，距离地面可达12～13米。
为保证运行安全和避免对环境的影响，磁悬浮轨道周围20-30米内无建筑物和树木，以灌木和草地为主，周边基本无超过三层的建筑物，周围基站天线主要架设在铁塔上，高度都远高于周边的树木和建筑物，因此终端和基站之间信号传播基本是直射径；
多径数目很少。
用户都位于磁悬浮列车内，由于列车车体为全封闭结构，列车的车体穿透损耗很大，实际测试结果显示，对于TD频段，车体穿透损耗为30—35dB，要大于高速铁路和高速公路的车体穿透损耗，克服车体穿透损耗，是对磁悬浮组网的重大挑战。
3）终端移动速度非常高
上海磁浮全程30公里、单程行驶约需8分钟，最高运行时速可达430公里。
80％的路段速度超过200km/h（约为23km）；
其中超过300km/h的高速路段为18.5km，约占线路全长的60％。
另外超高速路段长度为10km，时速超过400km，占1/3路段。
当速度达到430km/h，终端接收信号的最大频移约为800Hz；
基站侧上行接收信号的频移最大可达1600Hz，其对基站设备和终端对抗多普勒频移的能力有很高的要求。
与高速铁路类似，用户都分布在列车车厢内，随着列车运行全体同步运动。
用户的切换、小区重选等行为都非常集中，对无线资源的占用具有明显的突发性，目前上海磁悬浮线路相对于高速铁路和高速公路，总体运行长度较短。
1.2竞争对手情况
目前，竞争对手都已经开展了超远覆盖的研究并开展了商用实施。
其中华为2006年1月，进行了上海磁悬浮列车WCDMA业务演示活动。
列车穿越了0-431公里/小时的区域，路线涵盖到8个小区，移动视频电话一直保持的情况下，承载在分组域的速流媒体视频点播业务的图像流畅、色彩艳丽，平下载速率保持在350kbps以上。
呼叫建立成功率达到100%，视频电话业务和流体业务的软切换成功率分别达到99%、100%。
此外华为在西班牙的Sevilla—Cordoba城际铁路建设了AVE（高速铁路）试验网，整个网络包括7个基站，覆盖两个城市大约50公里的区域。
列车经过华为试验网络时，速度稳定在250公里/小时左右，2005年11月中旬开展的测试中，语音业务、VP业务、PS384K业务的呼叫建立成功率、切换成功率均达到99％以上，旅客感受不到列车内外通信品质的差别。
第二章高速覆盖对WCDMA的影响分析
2.1传播模型
高速覆盖的传播模型以COST231-Hata经验模型为基础，可用于150-2000MHz的无线电波传播损耗预测，作为无线网络规划的传播模型工具，具有较好的准确性和实用性。
数学表达形式是：
表2COST232-Hata模型各系数含义
系数
说明
Lb
路损
f
中心频率
hb
基站有效高度
hm
移动台有效高度
d
通信距离
Cm
校正因子
在无线网络规划中，通常使用经验的传播模型预测路径损耗中值，不同的模型可应用于不同的无线场景。
在这些模型中，影响电波传播的一些主要因素，如收发天线距离、天线相对高度和地型地貌因子等，都作为路径损耗预测公式的变量或函数。
但是实际的无线环境千变万化，因此传播模型在具体应用时，需要对模型中各系数进行必要的修正，从而找到合理的函数形式。
>
2.2话务模型分析
通过模型校正及覆盖以预测后，我们可以知道在给定的区域内需要建设专网小区的最小数量，而这些小区所需要的载频配置数将是本节的研究重点。
2.2.1列车话音业务估算方法
CRH的标准配置为8节车厢，额定载客人数为600人次，考虑到对开情况，这样用户人数就达到1200人。
按照未来联通客户渗透率50%计算，则这样两班CRH的移动用户为600人。
根据下表我司HSPA网络话务量模型，按稳定期密集城区计算。
用户语音话务量为600*0.045=27Erl,用户可视电话的话务量为600*3.4/1000=2.04Erl。
合计29.04Erl。
表3语音业务的话务量密度
区域
3G用户密度
忙时激活用户比例
忙时激活用户密度
单用户话务量（Erl）
话务量密度
（Erl/km2）
初期
密集城区
1200
100％
0.03
36
一般城区
300
0.013
3.9
发展期
3600
0.04
144
900
0.018
16.2
稳定期
7500
0.045
337.5
1950
0.02
39
表4可视电话的话务量密度
单用户话务量（mErl）
（mErl/km2）
5%
60
0.75
45
2%
6
0.35
2.1
8%
288
1.5
432
0.7
31.5
10%
750
3.4
2550
156
234
2.1.2列车数据业务估算方法
HSDPA用户吞吐量按密集城区稳定期计算为9.6*600=576K=5.7M
表5HSDPA数据业务的吞吐量密度
HSDPA用户密度（/km2）
平均每用户忙时吞吐率（kbps）
吞吐率密度
（kbps/km2）
0.96
58
0.72
0
540
2.4
1296
1.8
81
1500
9.6
14400
195
7.2
1404
2.3穿透损耗
高速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，下表是上海公司对各类型车厢的穿透损的测试结果。
通过对4种类型的高速列车进行穿透损耗测试，可以发现新型CRH列车的穿透损耗未高于庞巴迪列车，因此专网设计中，假如要求车厢内提供用户通信的电平值要达到-85dBm以上，则列车车厢外的覆盖电平需达到-60dBm。
车型
普通车厢（dB）
卧铺车厢（dB）
播音室中间过道（dB）
综合考虑的衰减值
T型列车
12
－
16
K型列车
13
14
庞巴迪列车
24
CRH2列车
10
专网设计采用值
表6各车型穿透损耗总结
铁路上海段目前行驶的CRH为CRH2型，其它类型的CRH穿透损耗需按实际情况重新测试。
2.4多普勒效应
高速覆盖场景对UMTS系统性能影响最大的效应是多普勒效应。
接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，称作多普勒效应。
在移动通信系统中，特别是高速场景下，这种效应尤其明显，多普勒效应所引起的附加频移称为多普勒频移，可用下式表示：
其中：
θ为终端移动方向和信号传播方向的角度；
v是终端运动速度；
C为电磁波传播速度；
f为载波频率，大约为2GHz。
假设高速移动UE通过NodeB时的情景如下图所示：
图3高速移动UE通过NodeB时的情景
在载波频率f、移动速度v固定的情况下，多普勒频移随着cosθ的变化而改变有关。
另外，由于UE根据接收到基站的信号频率调整发射频率，因此对于NodeB而言将产生两倍的多普勒频移，因此进一步表示fd为：
计算不同车速下，当d取值不同时的多普勒频移情况如下图所示：
图4不同车速下，当d取值不同时的多普勒频移情况
从图中可以看出以下特性：
1．在用户移动过程中，多普勒频移随着用户位置的变化而变化；
2．基站接收受到的最大多普勒频率偏移与UE运动速度成正比，速度越高则频偏越大，具体如下表：
表7多普勒频偏与速度的关系
1）车速（Km/h）
2）最大多普勒频偏（Hz）
3）120
4）480
5）300
6）1150
7）350
8）1340
9）430
10）1600
3．用户距离基站越远频率误差越大；
在驶过基站时频偏为0，但是频偏变化速度最快。
2.5切换的影响
在UE高速场景下，对切换的性能会有较大的影响。
为保证用户无缝移动性及Qos，最基本的要求就是需要保证用户通过切换区域的时间一定要大于切换的处理时间，否则切换流程无法完成，会造成用户的Qos下降甚至掉话。
在WCDMA系统中切换类型主要有同频软切换、异频硬切换和系统间切换。
各种切换由于各自的特性不同，在高速场景运用中不尽相同，下面分别进行分析：
11．软切换
软切换，是WCDMA的特有策略，用户通过同时和多个小区存在无线连接以获得更多的链路增益。
在高速移动场景中，相对于普通的场景，需要提供更大的小区覆盖半径，以避免出现过于频繁的切换。
但同时小区之间需要保证较大的切换区域，以使用户尽量处于宏分集中，从而增加宏分集增益，保证用户的Qos和无缝移动性。
在一般情况下软切换的处理时间为400~800ms，为此在不同的移动速度下，切换区域至少要满足下表的需求。
表8不同速度所需要的切换距离
11）场景
12）速度
13）切换距离
14）高速公路
15）120km/h
16）26.67m
17）高速铁路
18）300km/h
19）66.67m
20）高速铁路
21）350km/h
22）77.78m
23）磁悬浮
24）450km/h
25）100.01m
另外通过切换的参数配置提高切换的性能。
可以采用易加难减的策略，即1A配置的较容易触发，1B配置的较难触发，以使链路尽量处于宏分集中。
当链路较差的时候，通过1C剔除出宏分集。
使得用户尽量处于宏分集的状态中。
事件上报的时配置的TimeToTrigger，起测量结果平滑，避免突发信号造成的事件误报的作用。
但在高速移动的场景下，信号由差变好所需的时间可能很短，为此此参数可以配置为最小值200ms，以保证切换的及时性。
在用户量不是很大的情况下，可以考虑配置测量报告上报的方式为周期报告，并配置为最小的周期间隔，以提高切换的判决速度。
但由于测量周期上报方式将会造成较多的信令，在用户较多的情况容易造成信令拥塞，此时则不建议使用周期报告方式。
22．异频硬切换/系统间切换
异频切换和系统间切换都需要先启动压缩模式，UE进行频间/系统间测量，当满足频间/系统间事件触发条件再进行上报，这样存在较大的时延。
一般情况下即便UE激活压模立即触发事件上报切换，所需的时间异频硬切换需要1.4s~2s，系统间切换需要1.4s。
由于存在UE上报事件时间的不确定性，一般情况下不推荐在高速场景下进行异频硬切换/系统间切换。
2.6小区选择与重选
在高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。
主要是由于UE驻留时间小于小区选择过程而造成的。
一般来说规划的高速场景下的小区半径较大的，用户在单个小区应该是可以完成重选的过程的。
主要是在小区交叠覆盖区域，移动速度过快，可能会造成重选失败的现象。
不过此时用户不进行呼叫的话，对用户感受度影响不会很大。
但为了尽量避免这种现象，也要尽量缩短小区选择重选的过程。
这主要涉及到系统消息的读取情况，而系统信息的长度和重复周期都是决定小区选择的因素。
2.7寻呼
受高速移动多普勒频移的影响，寻呼成功率会受到一定的影响。
为了提高系统寻呼成功率，可以在UTRAN和核心网侧分别可重复发起寻呼，可重复发起寻呼的次数分别由UTRAN寻呼最大重发次数和CN寻呼最大重发次数
在位置区更新过程中也会无法响应寻呼消息而造成寻呼失败。
第三章高速覆盖实现方案
本章节从技术角度分析目前存在的种种超远覆盖技术的相应特征和优缺点，为提出我司具体远距覆盖方案给出一个基本的技术思路。
3.1核心技术
3.1.1基带频偏补偿算法
对于高速移动的用户，多普勒频偏往往非常大，对于基站接收机来说，估计和发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是接收机必须完成的功能，否则将对链路性能造成很大影响，另外，基站接收机还需要应对频偏快速变化的问题，即保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿。
基站的基带频偏补偿算法通常分为两大方面：
一个是随机接入过程的频偏估计和补偿；
另一个是专用信道的频偏估计和补偿。
这两种算法存在较大的差异。
在码分多址系统的接入过程中，对于随机接入的频偏估计和补偿，需要重点考虑的是资源和性能之间的折衷。
在解前导信息时，一般采用固定设置多个频偏补偿值同时进行频偏补偿和解调，然后判断哪个频偏补偿值解调结果的前导能量最大，就在解接入消息的过程中用这个频偏补偿值进行频偏补偿。
当磁悬浮等高速列车时速达到430Km/h，对应的最大多普勒频偏近2000Hz。
如果采用目前的随机接入频偏估计和补偿方法，通常需要设置7个以上的预置频偏补偿值，这需要耗费大量软硬件资源（通常一般的无线场景下只配置3个预置频偏），即使如此，得到的频偏估计准确性还是较差。
为了解决这个问题，我司提出一种改进的频偏估计方法，能够在大大节约前导检测资源的前提下保证良好的频偏估计性能，并且可以灵活应用于各种相干积分参数配置下。
例如，采用不同相干积分长度和不同预置频偏间隔的结果如下。
图5相干积分长度=2048码片时，采用不同的预置频偏间隔的频偏估计结果
图6相干积分长度=4096码片时，采用不同的预置频偏间隔的频偏估计结果
从图中可以看出，无论是采用多长的相干积分长度和预置频偏间隔，采用我司的算法都可以较准确的进行频偏估计。
对于专用信道的频偏估计和补偿算法
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