高速铁路规划建设0606宁波诺西.docx
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高速铁路规划建设0606宁波诺西
NSN高速铁路GSM无线覆盖规划和解决方案
附：
甬台温高速铁路宁波段详细站点设计报告
目录
1、概述4
2、NSN高速铁路覆盖解决方案简介4
2.1NSN在GSM-R领域的成就4
2.2高速铁路对网络影响分析5
2.2.1高速动车组覆盖要求和穿透损耗5
2.2.2多普勒效应与解决建议5
2.2.3传播损耗8
2.2.4快速切换8
2.2.5人车话务隔离9
2.3通用高铁覆盖规划思路10
2.3.1如何增强车内覆盖10
2.3.2如何保证快速切换12
2.3.3如何隔离话务15
2.4NSN高铁GSM网络覆盖规划建设思路16
2.4.1主要区域设计16
2.4.2特殊场景设计17
2.5NSN高速铁路GSM覆盖网络规划建设总结20
3浙江高速铁路情况20
1、浙江高铁现状20
2、浙江高铁外部环境21
3、浙江高铁动车组运营情况22
4、浙江动车组运行速度分布22
5、高铁网络现状24
4甬台温高速铁路宁波段规划建议25
4.1甬台温高铁介绍25
4.2规划项目组成与工作内容26
4.3设计原则26
4.4设计案例27
4.4.1密集城区27
4.4.2密集乡镇28
4.4.3郊区29
4.4.4一般隧道30
4.4.5相连的隧道群31
4.4.6长隧道32
4.4.7U型地堑33
4.4.8站台34
5宁波段高铁规划总结35
5.1工作成果35
5.2工作内容以及工作进度35
5.3目前存在的遗留问题35
5.4后续工作建议36
6附件：
甬台温高速铁路宁波段设计结果36
1、概述
随着中国高速铁路的大规模建设和不断发展，高速铁路动车组内的覆盖对移动通信网络来说是一个新的挑战。
现有的常规GSM网络并不是专门为高速服务的,以高速铁路动车组为例，其设计时速可达300公里/小时，对于普通GSM移动网络来说，会存在诸如多径延迟、多普勒频移、穿透损耗、快速切换等问题,这些因数会影响高速动车组内的通话质量并降低用户对高速动车组内使用移动通信业务的感知度.
为此诺基亚西门子给出针对高速铁路GSM无线覆盖规划和解决方案,本方案主要基于高速铁路动车组的车速,穿透损耗和覆盖要求并结合诺基亚西门子无线产品特点为基础来给出,通过本方案能够为浙江移动在解决高速铁路动车组内的GSM覆盖的有效问题提供参考.
2、NSN高速铁路覆盖解决方案简介
2.1NSN在GSM-R领域的成就
NSN在高速铁路的GSM覆盖方面具有丰富的经验,截至目前已经累积交付了37910km的高速铁路GSM-R专项覆盖和解决方案,
同时NSN根据在GSM-R的丰富经验以及高性能的基站产品,成功地完成了上海磁悬浮线的GSM专项覆盖方案,在时速高达430km/h的磁悬浮环境下,保持了良好的无线网络覆盖和性能.
2.2高速铁路对网络影响分析
2.2.1高速动车组覆盖要求和穿透损耗
高速铁路动车组在运行速度可达到300公里/小时,高速移动环境下对于GSM电平覆盖的要求更高,借鉴基于欧洲铁路电信联盟制定的GSM-R标准，对于时速高达300km/h的高速移动通信（语音＋数据），至少应该满足对于95％的覆盖地区，95％的时段里,GSM接收信号应满足:
Ø信号强度大于－90dBm.
Ø载干比C/I为12dB.
同时高铁动车组时采用铝合金或不锈钢材料制造的全封闭车辆,具有良好的屏蔽性,对GSM信号穿透损耗比较大,通过实际车厢测试，动车组车厢的衰减变化大，从不到20dB到超过30dB，这一衰减值会随着沿途所经过的站址的天线高度不同，以及车厢的接收位置不同不断变化。
根据上海高铁对现有述4种类型的列车进行穿透损耗测试，庞巴迪列车的损耗最强，测试结果如下：
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
12
K型列车
13
14
16
14
庞巴迪列车
－
24
－
24
CRH2列车
10
－
－
10
专网设计采用值
24
2.2.2多普勒效应与解决建议
Ø问题说明
多普勒效应影响
在移动通信中,当电磁波发射源与接收器发生相对运动时，会导致所接收到的传播频率改变，当这一相对运动达到一定阀值时，将会引起传播频率的明显改变，称之为多普勒频移，给出以下公式：
fd=Φ/（2π*t）=（υ/λ）*cosθ
上述公式将多普勒频移与移动速度以及移动方向和电波到达方向间空间夹角联系起来。
如果移动方向与电波到达方向相同，多普勒频移为正，显示为接收频率的明显增大；反之，如果移动方向远离电波到达方向，则多普勒频移为负。
多径衰落影响
依赖于信道特性变化率相对于信道传输率的变化快慢，信道可以被划分为快衰减或慢衰减两种。
移动通信的信道动作于快衰落，并叠加有服从对数正态分布的信号复读的慢衰落，这里主要讨论快衰落。
随着MS速度的提高，在接收机上，不同相位和幅度的信号的叠加而导致的接收信号波动将更大。
该快速衰落有时可以使信号强度在半个波长的周期里下降达30dB。
在移动环境中的快速衰落统计可以参考瑞利分布。
在快衰落信道中，信道脉冲响在传输信号周期里快速变化。
这样便导致了多普勒传播引起的频散（也称为时间选择性衰减），使得信号失真。
由快衰落引起的信号电平波动中的不同衰落距离大约是λ/2，并影响接收机灵敏度。
在频域中看，快衰落引发的信号失真随着与传输信号带宽相关的多普勒传播的增加而增大。
在GSM里，为了保证一个良好的话音质量，需要保证处理的多径信号最好是在15us之内，否则将会被系统处理成干扰信号。
对于多径衰落和多普勒效应并不能孤立的分开分析，在GSM规范中，均衡补偿只涉及了250公里/小时下农村、城市地区和丘陵地形的衰减。
但随着速度的增快，对于信号的处理提出了更高的要求。
下图显示了多径衰落和多普勒效应所造成信号电平的急剧变化。
接收信号的解码处理主要通过增强的信号处理、高性能的解调来完成，其中的关键部件是高性能均衡器。
在GSM-R规范中通过改进的均衡算法以及硬件指标提升，基站可以处理到500km/h的高速情况。
对于MS而言，由于与基站同步的原因，所以系统能否支持高速运动MS，主要取决于基站系统。
ØNSN解决方案
诺基亚西门子基站设备内置高性能均衡器,其被集成到CU当中,能基于每一个突发调整信道参数来补偿信号强度快速抖动的负面影响.
其强大的软件功能算法能对每个burst都即时估计基站和终端间的频偏，并根据估计的结果实时地消除基站和终端间的频偏，从而达到提高接收性能的目的,除了估计即时频偏f1，该算法还估计一段时间内的长时间频偏f2，将f1+f2作为估计的频偏。
由于长时间频偏能更有效地跟踪终端的高速移动，增强型算法将比原算法能够更好的适应高速运动的场景。
通过改进的均衡算法以及硬件指标提升，目前诺基亚西门子基站设备支持250km/h的环境在众多的GSM-R项目及上海磁悬浮项目中得到验证，在仿真环境下900M可以支持660km/h，1800M可以支持330km/h的终端速度。
2.2.3传播损耗
Ø问题说明
关于高速铁路沿线的无线传播模型也很重要，根据欧洲铁路以及诺基亚西门子的经验，沿铁路的传播模型有别于沿线地区的无线传播，关于铁轨及其周边无线特性影响和铁塔高度对电磁波传播的影响需要调整新的传播模型并通过添加偏置来达到更好的适用度,对于架设在高架上的高速铁路,应该通过考虑补偿因子来考量其影响。
对于位于U形路堑,由于受到路堑阻挡所引起的阴影衰落会影响动车组内的接收电平,而对于隧道内的高速铁路覆盖,由于室外站点的信号无法有效对隧道内进行覆盖,会引起覆盖盲点.
ØNSN解决方案（或建议）
对于普通室外区域的GSM无线信号的传播,可以按照Okumura-Hata模型来衡量,通过该模型公式,当高速铁路架设在高于地面以上时,理论上带来的传播影响计算如下:
（
和
）
当考虑高速铁路动车组接收天线高度为10m时,相应的补偿因子大约为+9dB.
对于位于U型路堑的高速铁路,通过考虑不同的堑形角度来修正传播模型来路堑对覆盖的影响,同时在路堑地形基站应靠近路轨沿两边覆盖，适当应用一些直放站，能使信号覆盖效率最大化。
对于隧道内的铁路覆盖,需要针对实际地形建设直放站或泄漏电缆系统补偿覆盖盲点.
2.2.4快速切换
Ø问题说明
对于高速移动手机而言，高速的移动会造成小区之间的快速切换。
300公里/小时的最大列车运行速度就是每秒移动约83米，以目前小区密度来说，这样高速列车经过沿途几百米覆盖范围的小区就只有短短数秒。
相对高速而言，沿途的基站覆盖不均匀，有长有短，切换距离，重叠区域设置不合理，无法达到保证短时间切换的覆盖距离，所以切换区域的长度需要仔细地规划，否则会对通信造成难以预计的困难，具体表现为切换容易失败，同时由于原小区信号快速衰落，造成信号急剧恶化，引起掉话。
ØNSN解决方案（或建议）
为确保高速移动手机能正常,快速地切换,NSN建议主要通过如下方式来解决:
1）确保对高速铁路的主导覆盖,没有过多的杂乱信号.
2）确保充分的信号交叠区域,实现在快速移动状态下具有足够的切换的时间
3）通过参数控制,加快切换速度,防止由于切换不及时而导致掉话.
2.2.5人车话务隔离
Ø问题说明
在高速铁路的部分路段尤其是密集城区，普通GSM网络（外网）信号和高速铁路专用网络（专网）信号重叠区域较大，外网用户在高铁附近可能占用专网，而专网用户也有可能测到较强外网信号后错误重选，从而脱离专网,这需要通过合理措施将普通GSM业务和高速列车内的话务进行隔离.
ØNSN解决方案（或建议）
将高铁专网小区定义为快速层，在高铁列车内的用户定义为快速用户；外部网络定义为慢速层，外部用户定义为慢速用户。
空闲状态（Idle）下可用DoubleBA和C2来控制快速用户停留在快速层，慢速用户停留在慢速层。
在市区区域的铁路经常有铁道闸口，会有很多用户穿插经过，如只用C2控制则会产生很大量的位置更新，通过DoubleBA以及专网BCCH规划，可以使快速层网络和慢速层网络的用户互相不知对方网络存在，因而不会进行位置更新。
但要考虑以下两点：
快速用户如在车内开关机，重开机后有可能登陆到慢速层，但在市区车速较慢，登陆到慢速层不会造成大的影响，且较短时间内到达车站后会回到快速层，如期间打电话可以通过MSSpeed回到快速层。
在铁道边的居民开机的话，有可能会登陆上快速层，这个应该问题不大，空闲下可停留在快速层，如远离铁道的话可以脱网后重选慢速层，如打电话的话亦可以通过MSSpeed切到慢速层。
郊区开阔地穿行的不多，位置更新不严重，C2的应用可以解决快速用户与慢速用户的开关机问题。
车站快速层与慢速层的分界设计在车站候车大厅和出站处的大门口，这样在大门口进出的用户不会有连续的大流量，避免在短时间有大量位置更新；让乘车的用户进入快速层，出站的用户进入慢速层。
通话状态（Dedicate）可以应用MSSpeed的功能，关键是设置好高速度门限和低速度门限，让高于高速度门限的快速用户通话保留在快速层，低于低速度门限的慢速用户通话停留在慢速层。
2.3通用高铁覆盖规划思路
2.3.1如何增强车内覆盖
在高速铁路位于密集城区,城区等地段时,由于普通GSM网络站点比较多,这会导致高速列车内收到的GSM信号比较复杂,容易产生小区重选/切换混乱,没有主导信号,而对于位于郊区,农村,山区,以及江河湖面,隧道等地段时,由于普通GSM站点比较稀少,通常无法对高速动车组实现有效覆盖.这都需要通过各种方式来增强动车组列车内的覆盖.
下面给出几种常用的增强车内覆盖的方式,并对各种方式的设计思路,优缺点进行了简单比较.
Ø小区分裂
o设计思路
利用沿线现有基站站址，新建一套独立于现网的BTS并统一挂接到铁路专网BSC上。
新建BTS主要覆盖高速铁路沿线，根据高铁路线走向，利用高增益天线尽可能扩延覆盖距离缩减服务小区数量、减少切换。
当两个小区分别覆盖铁路上两个相反方向的时候，两个小区之间具有很大的天线夹角,有时候能达到近180度，此时两个小区间的交叠区由两个天线的旁瓣覆盖，这样存在信号不够强,交叠区比较小的问题,到高速列车从基站下快速通过时可能会因为两个小区之间较弱的信号和狭窄的切换区导致频繁的小区间切换而掉话。
为此,建议覆盖铁路的两个方向都是由同一小区的功放功率输出,经过功分器之后分别接入覆盖两个方向的高增益天线系统中,通过小区分裂来实现对铁路的覆盖。
主要用于郊区和开阔地带。
o优点
宏站覆盖主要在网络稳定性方式有突出优势，建设周期较快，监控和后期维护相对比较方便。
o缺点
对外网影响较大，覆盖受限于基站位置和环境，单小区覆盖距离较近,频率规划难度大，小区分裂后功率有所下降。
o投资
造价较低,功分器成本大概为1300/个.
Ø射频拉远
o设计思路
将基带信号转成光信号传送，在远端放大后利用高增益天线尽可能扩延覆盖距离缩减服务小区数量、减少切换，主要用于开阔地带。
o优点
通过拉远覆盖后，延伸了覆盖距离，减少了切换和重选次数，容量大,射频拉远模块配置灵活
o缺点
对外网影响较大，覆盖受限于基站位置和环境，频率规划难度很大，投资成本比较大,实施时间长。
o投资
一般说来每公里造价在15万左右（包括工程施工费和主设备费用等）.
Ø光纤直放站
o设计思路
从基站的射频输出口耦合出射频信号转换为光信号在光纤中传输，然后在在铁路沿线通过远端转为射频放大后通过高增益天线沿铁路连续挂接的方式实现单小区连续覆盖一大段铁路，主要用于密集城区以及一些特殊地形的路段。
o优点
由于天线较低，对外网影响很小，通过连续挂接的方式可以延伸单小区的覆盖距离达5公里以上，切换和重选减少，频率规划难度不高。
o缺点
直放站在稳定性上和宏站比稍差，天线位置也有特殊要求，需要铁路部门配合，在监控和维护上难度较大。
o投资
需要沿铁路布设光纤和电源线，并600米左右建H杆站点，其工程费用相对较高。
一般说来在普通城区每公里造价在15万左右（包括工程施工费和主设备费用等）
Ø泄露电缆
o设计思路
泄露电缆是一种具有特殊结构的同轴电缆，有传输线和收、发天线的功能。
在一些封闭空间，通过泄露电缆在铁路沿线的分布，依靠电缆内部传输的高频电磁能辐射实现覆盖，主要应用于隧道等长条形特殊地形。
o优点
设计相对简单，信号阴影和遮挡小，信号波动范围减少，与其它天线系统相比，隧道内信号覆盖均匀。
o缺点
成本较高，监控和维护难度较大
o投资
一般来说泄漏电缆的造价在200000/km
Ø微蜂窝
o设计思路
微蜂窝是在宏蜂窝的基础上发展起来的一门技术。
与宏蜂窝相比，它的发射功率较小，基站天线置于相对低的地方，利用无线波束折射、反射、散射于建筑物间或建筑物内，消除宏蜂窝中的“盲点”，主要用于站台等室内覆盖。
o优点
由于发射功率小，对外网影响较小，基站稳定性比直放站好，监控和后期维护相对比较方便。
o缺点
相对直放站建设周期长，投资高。
o投资
专门微蜂窝站点,造价较高
2.3.2如何保证快速切换
ØGSM标准的切换算法
根据规范定义,GSM标准的切换类型和算法主要包括如下几个方面:
o基于更好小区的切换
当相邻小区具有更好的接收电平时发生更好小区的切换。
o基于接收质量的切换
切换触发条件是：
上/下的接收质量差，电平高。
目标小区的选
择可以设置为优先小区内还是小区外。
o基于接收电平的切换
切换触发条件是：
上/下行的电平差。
o基于基站与移动台距离的切换
判决流程分服务小区是普通小区、扩展小区两类。
a、如果服务小区是普通小区，则切换触发条件是：
TA值超过门限MsRangeMax。
可以有三种处理供选择：
立即释放呼叫；1~60S内尝试切换，不成功再释放呼叫；仅仅尝试切换。
b、如果服务小区是扩展小区，则还包含两个门限：
MsDistanceHoThresholdExtCellMin和MsDistanceHoThresholdExtCellMax，用于扩展小区内的基于TA的切换。
当TA小于等于MsDistanceHoThresholdExtCellMin，则会引起从扩展小区的扩展区域到普通区域的切换；当TA大于等于MsDistanceHoThresholdExtCellMax，则会引起从扩展小区的普通区域到扩展区域的切换。
o基于小区负荷原因的切换
MSC根据资源指示，确定是否需要在小区之间进行负荷分担。
如果需要就通过切换候者选查询，将一些呼叫从负荷重的小区切换到负荷轻的小区。
由于是MSC发起负荷切换，因此可以跨BSC调整负荷。
ØNSN特有切换算法
oRapidFieldDrop
oEnhancedFastDrop
oMSSpeed
RapidFieldDropHandover（RFD）
✓当高速移动MS的上行电平迅速下降至一定程度（dBm），对该MS采取RFD的快速切换。
✓RFD参数设置主要基于两个因素：
一个是电平值低于设定门限将触发RFD切换；另一个是在设定时间内应该触发RFD切换。
✓在设置RFD切换的相邻小区时需要定义Chaincell,即定义了RFD切换的方向，对在高铁环境下由于电平突降可以快速地切向前方的小区（被定义为Chaincell）。
EnhancedRapidFieldDropHandover（ERFD）
✓当高速移动MS的上、下行电平在规定的时间下降到一定幅度（dB）时，对该MS采取ERFD的快速切换。
✓ERFD参数设置首先考虑在规定时长（ERMW参数）内电平下降的幅度，当电平下降超过一定幅度（ERT参数）时，网络将加速对该MS的切换判断，使MS尽快通过ERFD切换至周边相邻小区。
✓在设置ERFD切换的相邻小区时需要定义Chaincell,即定义了RFD切换的方向，对在高铁环境下由于电平突降可以快速地切向前方的小区（被定义为Chaincell）。
在高速铁路的移动通信中，很大概率会遇到无线信号突然降低的情况，有针对性的开启RFD和ERFD切换，在这种情况下MS进行快速切换，保证切换的及时性，避免掉话。
MSSpeedfeature
在高速铁路区域通常会出现快速用户与慢速用户共存情况,特别是在架空的高速铁路动车组里面的用户以及高架桥下普通GSM慢速用户。
为了减少切换过多和切换不及时的现象，保持用户通话的连贯性，可以采用分层覆盖方式来实现,共分为两层:
✓快速层：
快速用户占用该层小区通话。
快速小区沿着高速路覆盖，直线距离远，基站之间可能已跨越了好几个普通层的基站。
快速用户尽量在快速小区之间切换，避免切换到普通层基站，减少不必要的切换，或由于速度过快，切换不及时而造成的掉话；
✓普通层：
大量的慢速用户，尽量占用普通的基站通话，不占用快速小区的资源。
NSN基站系统通过监测速度的变化，将快速用户保留在快速层小区，非快速用户保留在普通层。
✓通过速度切换和电平切换,共同调节高速铁路上的主导信号：
o当速度高于慢速切换门限（如80Km/h）时，信号足够好的时候，用户将会保留在快速层，由快速层主控，当速度低于慢速切换门限时，用户将会切换到普通层；
o如果普通层小区的跳频是关闭的，则当速度高于快速切换门限（如100Km/h）时，用户将会切换到快速层，否则，用户将保留在普通层；
o如果普通层小区的跳频是打开的，则普通层切换到快速层，将主要通过电平切换来实现。
✓切换快慢控制:
在快速层，通过调整参数MsSpeedDetection，可以加快切换测量的速度，从而加快切换的速度，减少由于速度过快，造成的切换不及时的情况。
MsSpeedDetection=80，意味着切换测量时间是原来的80%。
最终使得快速用户尽量占用快速层，慢速用户占用普通层；在快速移动的时候，切换测量的更快，减少切换不及时的情况，充分考虑用户的感知！
Ø切换带设计原则
对于高速铁路覆盖小区之间的切换带设置与常规GSM网络的切换带设置有所不同,主要需要考虑快速移动引起的足够的信号交叠区,主要需要遵循如下原则:
1）足够长的切换区域，在一次切换失败后要有足够的时间尝试第二次切换。
2）重叠区域的信号电平值必须高于RXLEV_MIN。
3）重叠区域必须平均分布（参考下图）。
4）选取6秒为最大切换时间用于切换长度的计算。
切换区域长度[m]=列车最大运行速度[km/h]*最大切换时间[s]/3.6
HOmin=Vmin*Tmin=250km/h*6s/3.6=416m
建议的切换带分布
不建议的切换带分布
2.3.3如何隔离话务
Ø专网覆盖
利用专网的概念，将铁路覆盖专网和外部大网分割开来，使得外部用户无法占用上专网内小区，从而实现话务分离。
尤其在密集城区，沿线建筑物众多，还有很多道路和铁路交叉，为了尽可能避免外网和专网间的联系，建议采用微专网方式。
而郊区则可采用宏专网的方式实现专网覆盖。
Ø参数设计
oIdle
空闲状态下可用DoubleBA和C2来控制快速用户停留在专网，慢速用户停留在外网。
在市区区域的铁路经常有铁道闸口，会有很多用户穿插经过，如只用C2控制则会产生很大量的位置更新，通过DoubleBA以及专网BCCH规划，可以使专网和外网的用户互相不知对方网络存在，避免错误的位置更新。
另外还可以设置专网小区的CBQ＝1，从而防止外网用户重选入专网。
oDedicate
通话状态下可以通过邻小区设置割裂专网与外网的关联。
另外也可以应用MSSpeed的feature，关键是设置好高速度门限和低速度门限，让高于高速度门限的快速用户通话保留在专网，低于低速度门限的慢速用户通话停留在外网
2.4NSN高铁GSM网络覆盖规划建设思路
2.4.1主要区域设计
Ø城市区域
o场景说明
密集城区基站密集，建筑物复杂，信号快衰落现象繁多，信号杂乱，还有一些和铁路交叉的立交和道路，易引起切换频繁以及切换不及时等现象，从而引起掉话和未接通。
另外小区频率复杂，BCCH解码不顺畅，容易因解码错误而产生切换紊乱。
o规划建议概述
▪覆盖
为了避免过多的切换和重选，提升服务质量，建议采用光纤直放分布系统（微专网）方式进行覆盖。
▪参数
空闲状态下可用DoubleBA和C2来控制位置更新，另外通过BCCH的分段规划以及专网小区的CBQ的设置防止外网用户重选入专网。
通话状态下可以通过邻小区设置割裂专网与外网的关联。
另外还可用MSSpeed的feature来辅助控制切换。
▪投资
一般说来每公里造价在10万左右。
Ø市郊区域
o场景说明
市郊区域覆盖环境仍然十分复杂，信号衰减叫较快，易引起切换频繁以及切换不及时等现象。
o规划建议概述
▪覆盖
为了保证覆盖，避免过多的切换和重选，建议采用分裂小区+高增益天线的方式（宏专网）进行覆盖
▪参数
空闲状态下可用DoubleBA和C2来控制位置更新，另外通过BCCH的分段规划以及专网小区的C
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