高速铁路覆盖方案研究报告.docx
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高速铁路覆盖方案研究报告
一、研究背景
1.铁路六次提速
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，中国铁道部进行第6次列车提速。
列车时速提升至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。
这次提速最大的亮点是时速200公里及以上动车组投入使用，将首次在我国铁路既有线上开行时速200公里的具有世界先进水平的国产化动车组，其速度目标值、技术含量、提速规模和范围都将超过前五次。
到年底，全国铁路将有480列时速200公里及以上的国产动车组上线运行，覆盖全国17个省、直辖市。
铁路部门以开行时速200公里动车组为龙头，统筹速度、密度、重量三大要素，在提高列车运行速度的同时，努力压缩列车追踪间隔时分，提速干线动车组列车追踪间隔5分钟，其他干线客车6分钟、货车7分钟，进一步增加了干线行车密度。
世界上一般将高速铁路定义在时速200公里以上，中国高速铁路的时速也定义在200公里以上。
目前中国高铁机车主要有四种型号：
CRH1、CRH2、CRH3和CRH5。
图1.1.1铁路第六次提速分布图
2.CRH列车的引入
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（ChinaRailwayHigh-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。
图2.1.1CRH系列高速列车表2.1-2CRH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
200KM/h
250KM/h
610
201.3M
中空铝合金车体
CRH3
330KM/h
380KM/h
602
200.0M
暂无
CRH5
200KM/h
250KM/h
604
205.2M
中空铝合金车体
3.问题的提出
铁路大提速后，为保证乘客的通信畅通和通信质量，特编制高速铁路覆盖方案研究报告。
报告立足于铁路专网设计总体目标，重点解决铁路提速后手机用户通信时发生的切换混乱、接通率低和掉话等现象，提出高速铁路总体解决方案，包括位置区划分、基站配置和BSC归属等，并结合实际情况提出了相应的优化建议，包括专网频率规划和专网小区无线参数设置原则等。
二、研究思路及方法
本项目的研究包括两个部分：
首先，重点分析铁路场景的覆盖方式选择，确定采用专网覆盖或大网覆盖方式；其次，根据高速铁路用户分布、用户行为特点，分析主要的信道类型和不同类型环境的信号传播特性，考虑影响高铁通信的关键因素，针对不同的因素提出相应的解决方法，最终得到高铁通信的规划实施方案。
1.场景特点
高速列车运行速度快，密封性能好，造成车内网络质量较差，城际高速列车网络覆盖具有以下的特点。
（1）高速列车穿透损耗大，车体损耗最大达到25db左右，为了保证车内覆盖信号强度达到-95dBm，室外信号需要达到-60dBm左右；
（2）高速列车运行速度快，按照现运行最高时速约340km/h计算，每秒列车运行约95米，为了保证切换的顺利完成，需要更大的小区重叠覆盖距离；
（3）列车在高速运行中，切换成功率很难保证，所以需尽量采用少了的小区进行覆盖，减少切换请求此数，减小掉话的可能；
表1.1-1某动车组语音测试图
（4）列车高速运行中，多普勒频移影响明显，按照350km/h的时速，在GSM900Mhz频段，多普勒频移能够达到近300hz；在WCDMA2000Mhz频段，多普勒频移能够达到650hz，必然对通信质量造成一定的影响；
（5）列车高速运行中，由于小区切换频繁，数据业务速率降低明显。
如图2-1
表1.1-2某动车组GPRS测试图
2.覆盖方式对比
对于高速铁路的覆盖，采用大网覆盖还是专网进行覆盖是高铁方案中应首要考虑的问题，为此，我们对大网和专网覆盖多了相应的对比分析。
表2.1-1专网与现网调整方式对比
覆盖方式
移动性能
资源效率
建设难度
频率规划
对现网的影响
专网
采用同一位置区，位置更新、切换、重选少
位置更新等次数少，覆盖小区少，资源利用率高
基站要求尽量靠近铁路，需与铁路部门协调，难度较大
条形小区，单小区8个载频，增加频率规划难度
便于参数设置与调整，对现网的影响小
现网调整
位置区多，覆盖小区多，位置更新、切换、重选多
大量的位置更新,导致资源利用效率低
立足现网补盲，建设工程量小，建设难度小
立足现网网络结构，频率规划难度相对较小
对现网影响较大
两种方案各有特点，总体而言：
专网具有更强的覆盖针对性，有利于实现长距离的深度覆盖，网络质量更稳定，因此，本项目重点推荐专网的覆盖解决方式。
专网的设计需要注意以下几点：
2）专网需要保证独立性，减少与周边大网的交互；3）专网需要尽量减少对铁路周边非列车用户的话务吸收；4）专网需要与大网统一进行频率规划，避免相互干扰；5）在专网的起止点，要保证用户进出专网的顺畅，为用户提供连续的覆盖服务。
3.基站专网与光纤直放站专网对比
专网覆盖方式中，重点考虑基站专网和光纤直放站专网两种覆盖方式，对这两种方式，我们做了对比分析：
表3.1-1基站专网与光纤直放站专网对比
项目
内容
基站专网
光纤直放站专网
覆盖
单小区覆盖距离
近，1.7公里
远，10公里以上
需要的小区个数
多
少
容量
载频需求
多
少
质量
通信质量
切换/重选次数多通信质量差
切换/重选次数少通信质量较好
频率规划
可单独预留BCCH频点进行规划
可单独预留BCCH频点进行规划
维护
后期优化难度
设置专网，但与大网重叠覆盖多网络优化难度较大
设置专网,与大网重叠覆盖少网络优化难度低
从工程技术方面考虑，光纤直放站专网具有一定优势。
4.普通模拟光纤直放站和数字光纤直放站对比
在现有技术条件下，光纤直放站存在普通模拟光纤直放站和数字光纤直放站两种。
表4.1-1基站专网与光纤直放站专网对比
设备性能
数字光纤直放站
普通模拟光纤直放站
下行最大功率
60W
20W
上行噪声
采用时隙关断,上行噪声小
上行噪声大
时延色散
可以调整
设备和光纤时延组成,不可调整
话务统计
具备上行时隙检测,
每个远端进行话务统计
全模拟信号,
不具备话务统计功能
带远端能力
由于上行干扰小,
单小区带远端可达32个
由于上行干扰,
单小区带远端可达8个
数字光纤直放站由于采用数字信号处理技术，进行时隙信号监控，可以减少上行噪声干扰，从而具有更高的增益，发射功率更大，可以覆盖距离更大，可以减少建设投资，因此在高速铁路覆盖中被广泛使用。
本项目在考虑以上对比分析的基础上，采用数字光纤直放站专网覆盖思路解决高铁通信的主要问题，形成可实施的覆盖方案。
三、高速移动中的关键问题分析
1.穿透损耗
高铁专网设计中，首先要对各列车类型做相关的穿透损耗测试，以穿透损耗最大的车种作为设计基础，来确保用户在各种车型中都可以获得正常的通话电平值。
为此，我们对铁路行驶的T型列车、K型列车、庞巴迪列车和子弹头CRH2型列车逐一做了相关测试工作。
其中测试发信工具采用爱立信发射设备、定向天线支架和衰减器，该设备安装在列车外空地上；测试收信设备采用SAGEMOT290，该设备将在车厢外及车厢内多点处进行接收采样，从而比较出车厢内外的电平值差异。
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，下表是各类型车厢的穿透损耗的测试结果。
表1.1-1各型号CRH列车穿透损耗
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
专网建议值
24
2.覆盖目标电平
列车中的用手机用户进行通信时，由于受到高速移动过程中的快衰弱影响，列车材质对无线信号衰减的影响，往往会发生切换混乱，无法接通，掉话等现象。
因此，本文专网设计的目标值终端接收电平要求－94dBm，考虑各种衰落余量，车外设计电平应达到－55dBm，如下表所示。
表2.1-1车外覆盖电平预算
类别
数值
单位
终端接收电平要求
-94
dBm
人体损耗
3
dB
衰落余量
10
dB
室内设计电平
-81
dBm
穿透损耗
24
dB
预留余量
2
dB
车外设计电平
-55
dBm
其中预留余量为后期扩容预设的功率余量。
3.多普勒频移
多普勒频移（DopplerShift）是多普勒效应在无线电领域的一种体现。
其定义为：
由于发射机和接收机间的相对运动，接收机接收到的信号频率将与发射机发出的信号频率之间产生一个差值，该差值就是DopplerShift。
列车高速移动中，多普勒频移现象明显，接收机能否容忍频偏完成正确解调任务成为问题分析的关键。
不同频段、不同运动速度的频移量不同，如下表所示。
表3.1-1多普勒频移对GSM900/1800M的影响
移动速度（KM/h）
900M频段频移（Hz）
1800M频段频移（Hz）
100
83
167
200
167
333
250
208
416
300
250
500
350
292
583
由于1800M频段传播损耗大且同样运动速度下频偏更加严重，建议选择GSM900频段信号实现覆盖，避免采用DCS1800频段信号覆盖铁路。
列车在高速运行的情况下，多普勒频移影响变得非常明显，按照360Km/h计算，引起的多普勒频移达到300Hz。
根据3GPPTS51.010-1V7.4.0（2006-12）协议，在RA250的信道环境下，能够容忍的频偏仅为300Hz。
表3.1-2协议规定GSM终端容许的最大频移
T-GSM810,GSM850andGSM 900
DCS 1 800
PCS1900
Propagationcondition
Permittedfrequencyerror
Propagationcondition
Permittedfrequencyerror
Propagationcondition
Permittedfrequencyerror
RA250
±300Hz
RA130
±400Hz
RA130
±420Hz
HT100
±180Hz
HT100
±350Hz
HT100
±370Hz
TU50
±160Hz
TU50
±260Hz
TU50
±280Hz
TU3
±230Hz
TU1,5
±320Hz
TU1,5
±330Hz
多普勒频移更为明显的影响显现在切换上，手机远离一个基站，接近另外一个基站，多普勒频移对两个基站的影响是相反的（为－300hz和＋300hz），可能造成手机不能正常测量邻区信号，造成无切换，形成掉话。
所以在设计中要减少高速铁路的覆盖小区，用尽可能少的小区覆盖整段铁路。
图3.1.1多普勒频移对移动终端的影响
如上图所示，切换中引起频偏为2×
，终端容忍频偏必须能够满足要求，才能保证正常的切换，如果终端只是达到协议要求的最低标准，那么在速度达到250km/h时很难正常完成切换过程。
实际测试中发现，GSM900M频段在列车时速达到330km/h时，多数终端仍可以正常完成切换过程，说明终端的频偏容忍能力有大幅的提高，900M频段高速切换时，可以不考虑多普勒频移的影响。
4.覆盖重叠区域
手机在服务小区的信号强度衰落到一定程度，会触发小区重选（idle模式）或者切换（Active模式）过程，我们必须保证在手机顺利进入新小区之前，当前小区的信号不会进一步衰落到门限值以下，否则空闲的手机可能进入NoServiceMode（即脱网）、或者Active模式的手机切换失败而掉话。
因此需要控制重叠区域的大小，来保证重选或者切换的完成。
小区重选规则中，当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5秒钟，手机将发起小区重选，若在跨位置区处，则邻小区C2必须高于服务小区C2与CRH设置值的和且维持5秒钟，手机发起小区重选和位置更新。
Active模式下的切换由手机和网络共同完成。
切换算法比小区重选复杂，但一般比小区重选的发生要及时。
不考虑各种惩罚和迟滞，只要邻小区信号强于服务小区，BSC即可能发出切换命令，不需要额外等待5秒钟，大约3秒内完成切换（包括滤波、排序、切换执行）。
对相邻小区重叠区域长度的要求小于Idle模式，满足idle模式的重叠距离一定满足active模式下的切换要求。
按5秒钟计算，列车时速达到360km/h时小区重叠区域需500米左右，为了有效加大重叠区域建议采用共址安装方法，通过设计路径损耗的差别（可选用不同增益天线、采用耦合器等方式）实现切换重叠区域，如下图所示：
图4.1.1重叠覆盖区域设置
5.覆盖小区及LAC设置
由于高速运行中切换成功率低，建议在进行小区规划时，尽量减少覆盖高速铁路的小区数（需要一个小区同时带多个光纤直放站远端）；并尽量将所有小区规划在同一位置区（LAC），增加参数调整的空间，减小对网络的冲击。
6.无线参数调整
为了适应高速列车需要，除了进行覆盖的优化调整外，还需要进行必要的无线参数的调整。
主要集中在以下几个方面。
（1）手机空闲状态重选参数
高速城际铁路列车快速运行，车内信号强度变化快，为了适应这一特点，应该加快小区重选的速度，使手机能尽量驻留在最强的小区。
所以需要对小区重选参数进行必要的优化，例如：
统一铁路覆盖小区的RXLEVACCESSMIN、CRO；减小PT、T0和CRH、T3314的设置。
（2）小区切换相关参数
由于切换是发生在用户通话过程中的小区接续，所以比重选更为重要，高速运动的手机容易发生不发起切换、切换失败等问题，因此需要对切换参数进行调整，以保证切换的及时发起和成功，例如：
调整邻区关系；减小切换的最小时间间隔和切换测量报告滤波个数；较小切换判决门限和磁滞。
7.进出专网设置
采用专网方式进行高铁覆盖时，需重点解决进出专网的问题，缓解整列火车同时进行位置更新的SD信道需求，建议分两个部分进行解决：
1.从站台进入专网；2.出本地网跨MSC切换和位置更新。
7.1专网入口
站台上室内覆盖信号与专网信号形成一定的重叠区域，使用户在上车过程中陆续完成位置更新，避免车辆启动即产生SD拥塞的情况，进入专网后，专网信号和大网没有邻区关系，且主导铁路沿线区域，单独进行参数设置，达到专网覆盖的效果。
图7.1.1专网入口设置示意图
7.2专网出口
专网出口部分，需重点考虑跨MSC的切换和跨LAC区的位置更新，为了保证位置更新效率和切换成功率，需在边界区域设置高配置的宏蜂窝基站，已缓解SD信道的需求，并加大重叠区域，完成跨MSC的切换。
8.覆盖距离核算
8.1链路预算
以京津城际高速铁路（北京段）为例。
从北京南站起有3.2公里平原路段，0.8公里坡路路段，46公里采用铁路高架桥，桥面距地面12米左右。
其中，平原路段和坡路路段有少量高层建筑阻挡,其余路段较为开阔。
据此传播环境，采用Okumura-Hata模型进行设计。
Okumura-Hata模型的传播损耗公式为：
式中：
Lp—市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）
f—载频工作频率（MHz）
hb—基站天线有效高度（m）
hm—移动台天线有效高度（m）
d—移动台与基站间距（km）
α—距离衰减因子，取值为1（d＜20km）
α（hm）—移动台天线高度因子（当hm=1.5m时，α（hm）≈0）
—小区类型校正因子
—为地形校正因子
其中:
对于大城市、郊区、乡村a的取值为：
在900MHz频段，α（hm）=3.2（（lg（11.75hm））2-4.97
对于乡村的取值为：
根据以上条件，采用Okumura-Hata郊区传播模型，计算得到链路预算表如下。
表8.1-1单天线覆盖链路预算表
名称
普通光纤
直放站数值
数字光纤
直放站数值
单位
直放站功率
20
60
W
直放站单载波功率
37
41.76
dBm
连接损耗
2
2
dB
天线增益
13
13
dBi
有效发射功率EIRP
48
52.76
dBm
空间需求电平
-55
-55
dBm
允许路损
103
107.76
dB
通信频率
900
900
MHz
发射天线高度
16
16
m
手机天线高度
13
13
m
最大可覆盖距离
0.64872
0.8722985
Km
由表4-2可以看出，根据Okumura-Hata传播模型，采用20W光纤直放站可覆盖距离为0.648Km，采用60W的数字光纤直放站可以覆盖距离为0.872Km，因此选取数字光纤直放站作为规划设计用设备，在后面章节的规划中，取覆盖距离0.8Km。
8.2模拟测试分析
为了取得准确的覆盖能力数据，进行了模拟测试，测试中选用60W数字光纤直放站，天线口输出功率52dBm，天线挂高14米，测试终端高度12米，测试得到覆盖电平强度如下表所示。
表8.2-1模拟测试结果
天线挂高
发射天线
14m
测试终端
12米
距离（m）
250
500
700
800
电平（dBm）
-36
-50
-53
-57
根据模拟测试结果和链路预算结果，在天线输出功率为52dBm时，单天线可覆盖的最大距离约为800米。
9.容量估算
9.1专网内容量核算
专网内部容量估算主要需要考虑列车内用户的语音话务需求，在计算过程中需要注意：
1）列车时速，同向列车间的间距；2）单辆列车定员人数；3）单小区覆盖范围内同向最多有几辆列车；4）用户数要考虑双向列车的人数；5）一般设置一个小区覆盖范围内同向只允许有一辆列车。
以北京移动京津城际铁路覆盖工程为例，设计单小区最大覆盖距离为14公里，列车运行时速约为330km/h，列车最小发车间隔为3分钟，列车最小间距约为16km，单向只会为一辆列车服务，双向两辆列车。
如下图所示。
图9.1.1单小区服务用户数量示意图
按照为双向2辆列车的用户提供服务计算，基础数据取定如下表所示。
表9.1-2京津城际铁路容量估算基础数据
移动用户渗透率为70％
70%
普通单列定员（人）
600
加挂定员（人）
1200
根据以上数据，计算现状和未来发展后的容量，现状按照每用户忙时话务量0.017ERL计算，未来需求按照每用户忙时话务量0.023ERL计算，如下表所示。
表9.1-3京津城际铁路容量估算
现状需求
未来需求
每用户忙时（erl）
0.017
0.023
BCCH配置信道
1
1
SDCCH配置信道
3
3
数据业务配置信道
4
8
语音信道需求
38
49
载频配置
6
8
计算得到现阶段专网小区需要配置载频数为6，未来业务继续扩展后，可能需要扩容至8载频。
9.2出入口容量核算
在专网与大网的出入口，由于可能存在的位置区（LAC）不同，会短时间存在大量的位置更新，在这个小区除了考虑语音话务量需求外，更多的要考虑位置区更新导致的SDCCH话务量需求。
以北京移动京津城际列车覆盖为例。
在北京南站，由于出入站时列车时速较慢，而且专网与大网衔接点位于站台内，有足够的时间进行位置更新；而在北京与天津的交界，列车运行速度在330km/h左右，单列客车用户同时产生大量的位置更新，则可能导致SDCCH拥塞。
列车满员情况下，短时间内需进行LU数量达1200*70%=840。
而一般设备只能提供的SDCCH信道数量为100-200个之间（北京移动交界处最大120个），因此要利用单小区一次完成全车用户的位置更新是不可能的，在此情况下，有两种方法解决。
1）建设多个小区，增加SDCCH信道数量；2）增大重叠覆盖距离：
利用排队机制，每个SDCCH能完成多次LU。
终端触发位置更新约需5s、单次位置更新完成时间<3.5s，如果按照京津城际列车330km/h的时速，列车分别运行约450米/300米，完成一次位置更新需要750米，完成2次位置更新约需要1050米。
在设计中通过两种手段同时使用来达到降低SDCCH拥塞的目的。
在边界处重叠设置两个4载频小区，设置SDCCH信道240个，增加天线挂高（40米左右），使得边界处单向重叠覆盖超过1050米，从而理论上可以保证480用户顺利完成位置更新。
图9.2.1边界小区设置示意图
四、高速铁路总体解决方案
通过前面的分析，已经掌握了高速铁路覆盖需要注意的关键点。
在实际的工程中，还需要注意设备的选型必须满足要求，还有一系列的工程安装问题，如设备安装、天线安装、线缆铺设、电力引入等等。
在本章将对这些问题进行描述。
1.设备选型
在高速铁路GSM网络工程中，设备选型的好坏直接关系到最终的投资规模和网络质量，特别是数字光纤直放站的选择和天线设备的选择，在此对这此加以说明。
1.1数字光纤直放站的选择
在高速铁路工程中，由于要一个信源小区带多个数字光纤直放站远端，因此，需要数字光纤直放站达到以下技术要求。
1.1.1噪声抑制功能
可以单独对各射频拉远单元的上行噪声进行控制，带24个远端时引入的噪声不大于-131dBm,保证链路平衡不受任影响。
1.1.2载频设置
可提供8个以上载频通道。
支持射频跳频，可根据站点需求设置载频数。
自动时延调整功能具备自动时延调整功能，能自动调整各个DRU与接入控制设备DAU之间的时延，消除同扇区DRU之间重叠信号覆盖区域的时延色散干扰。
1.1.3支持E-GPRS
系统支持E-GPRS，能够保障100Kbps以上的下载速度。
1.1.4话务统计功能
能够针对每个时隙、每个DRU进行独立话务统计。
1.1.5工作增益
要求GRRU设备工作增益在20—50dB，可调步长为1dB。
带内波动为≤3dB（峰-峰值）。
1.1.6最大输出功率
GRRU拉远单元下行要求为：
48dBm（60W）；接入单元上行：
0dBm。
1.1.7上行噪声系数
保证在最大增益时，GRRU的上行噪声系数≤5dB。
1.1.8监控功能
接入单元应配置有线或无线（标配）GSMMODEM，可实现远程智能监控。
可利用便携电脑进行本地或对端参数设置与状态查询，接入单元和拉远单元单独可设。
1.2天线选择
天线选取建议选用窄波瓣，高增益的天线，以减少对周边的覆盖，增加沿线覆盖距离，例如a
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