WCDMA网络中的高速铁路规划策略探讨

WCDMA网络中的高速铁路规划策略探讨摘要：本文通过对在3G网络中影响高速铁路网络性能的因素分析，探讨了在现阶段高速铁路网络规划中需要注意的规划难点，同时结合福建联通WCDMA网络高速铁路的规划经验，得出可以应用于实际网络的WCDMA高速铁路规划策略。关键词：WCDMA高速铁路规划策略前言中国联通各省重点城市WCDMA网络一期工程建设已经基本完成，工程优化也已近尾声，目前正在启动一期补点和二期工程的可研规划，在一期补点和二期工程的可研规划中，高速铁路的网络规划目前成为该项目里的重点之一，由于高速铁路目前属于国家重点建设的铁路项目，高速铁路的总里程越来越长，仅在福建省境内，今年就有福厦线、温福线、向莆线、厦龙线和厦深线五条高速铁路在建，而福厦线（福州到厦门）高速铁路将于今年通车，因此，在高速铁路通车前完成高速铁路的3G覆盖将是下阶段WCDMA网络建设的重点之一，同时由于高速铁路列车运行速度在250公里/小时到300公里/小时之间，对移动通信网络的要求也更高，因此，做好前期的高速铁路网络规划将是实现高速铁路良好覆盖的重要基础。影响高速铁路规划的因素分析按照高速铁路的移动通信特性分析，由于高速铁路处于高速的移动过程中，与基站之间的通信容易造成多普勒频率偏移效应和快速切换效应，同时，由于高速列车采用的材料的特殊性，3G信号穿过列车的损耗较大，估计在24db左右，所以也会造成列车内信号衰耗快，信号弱。因此，在高速铁路的WCDMA网络规划中需要重点解决的就是这三个问题。多普勒频率偏移效应分析和规划策略多普勒频率偏移效应分析移动通信过程中多普勒效应是指随着移动物体与基站距离的远近，合成频率会在中心频率上下偏移的现象，这种现象特别会随着运动速度的加快而更加明显，但物体的运动速度超过200公里/小时的时候，多普勒效应将对移动通信质量造成影响。高速铁路的情况正满足产生移动条件下的多普勒效应的前提，目前在建的高速铁路时速将达到250-300公里/小时，同时由于高速铁路的无线传播环境类似农村场景，反射体较少，直射路径占优，多普勒频率扩散现象不突出，但多普勒频率偏移比较严重，以至于对手机终端和基站的接收性能有较大影响。按照基站和终端之间的夹角以及车辆的移动速度，我们可以得到如图一所示的多普勒频移图。图一多普勒频移图通过典型的多普勒频移效应，我们可以得典型情况下的最大多普勒频移，如表一。表一典型情况下的最大多普勒频移速度（Km/h）速度(m/s)f0为900M时的fd(HZ)f0为1800M的fd(HZ)f0为2100M的fd(HZ)20055.6166.7333.3389.025069.4208.3416.7486.030083.3250.0500.0583.3400111.1333.3666.7777.7多普勒频率偏移效应规划策略由于联通3G的频点在2100MHZ，当列车时速在300公里/小时的时候，对应的多普勒频移在583.3HZ，两倍的多普勒频移为1166.6HZ，根据WCDMA系统移动台（UE）与基站收发信台（NODEB）的调制性能，1166.6HZ的频移对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低接收的灵敏度，但幅度会比较小，因此这对于5MHZ带宽的WCDMA网络而言，影响相对较小，只要控制好基站距离火车延线的距离就可以较好的减少多普勒频率偏移效应带来的影响，按以往的经验，基站距离铁路延线的垂直距离控制在一公里以内，同时基站到铁路之间无明显建筑物阻挡，同时基站的不同扇区分别朝铁路的不同方向打，这样可较好的减轻多普勒效应。2.2快速切换效应分析和规划策略2.2.1快速切换效应分析高速铁路最大的特点就是列车的运行速度极快，在WCDMA通信事件中，小区重选与小区切换也需要一定的时间来完成接续工作，当火车内的3G用户在高速运行过程中发生切换或小区重选时候，需要一定的时间才能完成该项工作，因此为了保证能进行良好的重选或切换，铁路沿线的扇区覆盖必须有一定量的重叠，相比较GSM来讲，WCDMA重叠覆盖距离的列车行驶时间仅为800毫秒，表二为列车不同时速下所需要的重叠覆盖区域。表二不同时速下所需要的重叠覆盖区域序号车速车速小区重选/切换需要最小时间（秒）重叠覆盖区域（米）(km/h）（米/秒）1120330.8532200560.889.63250690.8110.44300830.8132.8按照目前高速铁路300公里/小时的车速设计，WCDMA的重叠覆盖距离应为133米，才能完成小区的切换或重选工作。2.2.2快速切换效应的规划策略为了达到重叠覆盖距离应为133米的目标，我们首先要通过链路预算来得到站点间距离，通过链路预算得到的站间距减去重叠覆盖距离的一半即为实际规划的站点距离。链路预算可按场景不同分为隧道外的链路预算和隧道内的链路预算。（1）、隧道外的链路预算及站点距离规划厦门WCDMA网络基于CS64业务模型下的链路预算如表三。表三CS64业务链路预算表WCDMA天线挂高对应覆盖半径(CS64)项目单位天线挂高8米天线挂高10米天线挂高15米天线挂高20米天线挂高25米天线挂高30米天线挂高35米天线挂高40米天线挂高45米32度21dBi双极化天线(1)使用频率fMHz195019501950195019501950195019501950(2)基站天线高度hb米81015202530354045(3)手机高度hm米222222222(4)最大允许路径损耗LdB137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7137.7(1)移动台天线高度修正因子a(hm)000000000(a)最大基站覆盖半径m6356837858719471016108111411198厦门WCDMA网络基于PS128业务模型下的链路预算如表四。表四PS128业务链路预算表WCDMA天线挂高对应覆盖半径(PS128)项目单位天线挂高8米天线挂高10米天线挂高15米天线挂高20米天线挂高25米天线挂高30米天线挂高35米天线挂高40米天线挂高45米32度21dBi双极化天线(1)使用频率fMHz195019501950195019501950195019501950(2)基站天线高度hb米81015202530354045(3)手机高度hm米222222222(4)最大允许路径损耗LdB134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7134.7(1)移动台天线高度修正因子a(hm)000000000(a)最大基站覆盖半径m532570652720780835886933979我们上述的两个链路预算模型，将实际站点信息带入计算，得出实际站点得知覆盖距离，同时好需要考虑两个交叉覆盖扇区重叠覆盖要超过133米的要求，这样就能得出沿线隧道外站点规划的方案。（2）、隧道内的链路预算隧道内采取泄漏电缆的覆盖方式，单条泄漏电缆满足的最大覆盖距离的链路预算如表五。表五隧道内的链路预算表项目单位取值备注CS64WCDMA(1)手机发射功率PindB21(2)基站接收灵敏度PdB-119(3)漏缆耦合损耗L1dB66漏缆指标(4)合路损耗HdB1.5多系统合路损耗(5)二功分损耗FdB3二功分器损耗(6)人体衰耗L2dBCS64业务不考虑人体损耗(7)宽度因子L3dB13.5L3=20lg(d/2),d为手机距离漏缆的距离(单洞双轨，d＝9.5m)(8)衰减余量L4dB14.41(9)车体损耗L5dB16(10)线损及无源器件损耗L6dB3(11)每百米漏缆损耗SdB4.06漏缆指标(12)漏缆的覆盖距离Dm555.6D=(Pin-P-L1-H-F-L2-L3-L4-L5-L6-L7)/S在隧道内，满足基站接收灵敏度的前提下，WCDMA在漏缆内的覆盖距离为555.6米，因此，当隧道长度超过555.6米时，必须考虑两个以上的RRU通过漏缆进行隧道覆盖，还要满足覆盖重叠区大于133米的要求。（3）高速铁路沿线站点的小区设计为了进一步减少在高速铁路上的切换次数，我们建议高速铁路沿线站点每个站点只用一个扰码，即只设计一个逻辑小区，通过功分器分成两个物理小区，朝铁路两个方向覆盖，这样可减少同一物理站点不同小区的切换问题，同时如果传输条件许可，还可以将相邻的两个站点做成超级小区，使用同一个扰码，即实现一个逻辑小区带四个物理小区，可以更大程度的减少切换次数，提高3G通话质量。列车内信号衰耗快分析及规划策略从以往对高速列车的移动通信信号测试来看，高速列车内、外信号衰耗约24db，因此，为了达到列车内的良好覆盖，必然要增加高速铁路沿线的站点数量，靠强的车外信号来弥补车辆外表的信号衰耗问题。高速铁路沿线组网策略分析为了充分利用现有网络资源，我们对高速铁路是使用专网覆盖还是公网覆盖进行了各自的优劣分析，同时对高速铁路沿线不同场景的覆盖提出不同策略。3.1组网策略分析高速铁路按组网方式可分为公网组网覆盖和专网组网覆盖两种覆盖方式，公网覆盖方式指的是利用现有WCDMA网络，对部分站点及天馈进行改造，利用现有网络来覆盖高速铁路；专网覆盖指的是在高速铁路沿线全部新建新的WCDMA基站，同时还新建一个RNC，挂这些覆盖高速铁路的专网站点，这些新建的专网站点专门覆盖高速铁路，同时与公网站点不设置切换关系，列车内的3G用户全部采取专网信号，而只在站台及候车室设置专网、公网的切换关系。公网组网方式的优劣分析公网组网的优势分析：采取公网组网可充分利用现有网络资源，无需新建RNC，同时新建设站点较少，只需要对现有站点进行针对性改造，投资小，建设周期短，同时对现有网络不会造成负面影响。公网组网的劣势分析：采取公网组网可能会导致列车内覆盖部分区域会弱些，同时切换次数较多，切换或小区域重选会较为频繁。高速列车内的WCDMA网络质量可能会比室外差些。专网组网方式的优劣分析专网组网的优势分析：采取专网覆盖将能很好的保证高速列车内的网络质量，能使列车内达到精品网的覆盖目标。专网组网的劣势分析：采取专网组网将要新建RNC，沿铁路沿线新建大量的NODEB，导致大量重复建设，投资较大，如果专网组网与公网采取同一频点，将会对公网造成较大干扰，影响公网用户使用，如果采取异频组网方式，则在专网周围的铁路周围3G用户有可能重选或切换到专网信号，而一但占上专网信号后将无法正常切回公网，导致掉话，因此在密集城区如果采取专网覆盖将对公网造成较大负面影响。因此，在高速铁路沿线的密集城区，不建议采取专网覆盖方式；而在高速铁路沿线的郊区或农村，如果要采取专网覆盖方式，则必须采取与公网不同的频率，采取异频组网方式，避免对公网的WCDMA网络造成自干扰。站点布局策略分析我们对高速铁路沿线站点密集区和非站点密集区的站点布局策略进行分析，同时对典型场景如室外、隧道内、车站及站台的组网方式进行探讨。站点密集区域（市区或车站）的站点布局在这些区域，基站与铁路间距在100米以内，与铁路铁轨视距的站点，利用这些站点资源，天线调整为窄波瓣（33度）高增益天线，天线波束方向沿铁路方向。超过100米的站点尽量不考虑。站点非密集区域（农村或开阔地形）基站与铁路间距在300米以内，可通过这些小区提供高铁覆盖，所使用的天线为窄波瓣（33度）高增益天线，天线波束方向沿铁路方向。基站与铁路间距在300～500米范围内，一般这个距离的站点不建议使用。除非特殊情况（比如：在合适范围内无法提供电源、传输等），改造小区覆盖高铁；所使用的天线为宽波瓣（65度）高增益天线。基站与铁路间距在500m～1000m范围，可利用现有机房使用光纤拉远将射频单元放置在距离铁路较近的区域，或者直接在距离铁路较近的合适地点建新站点。基站与铁路间距在1000m以上的，不列入规划考虑范围。3.2对于室外的铁路覆盖，采用多RRU共小区的方式（华为的设备支持一个BBU级连多个RRU共小区的方式），使用窄波瓣高增益天线前后对打覆盖，尽量减少小区数目和扩大小区覆盖范围，从而减少小区重选次数和切换次数，组网方式如图二所示。图二室外站点组网方式3.2.4隧道的覆盖建议采取RRU加泄露电缆的覆盖方式，如果在洞口使用天线对洞内进行覆盖或者是在长隧道中使用天线，当车体进入隧道时会导致通话质量差、掉话、接通率低等问题；通过链路预算，我们得出单个RRU加泄露电缆可以覆盖的长度约600米，考虑到133米的重叠覆盖面积，因此对于一公里左右的隧道要设置两个RRR+两段泄露电缆方式进行分段覆盖，同时对于超长隧道需要把它分割成几段来进行覆盖。3.2.5如果高速铁路按照专网的设计，则车站及站台的覆盖就很重要。按照专网设计原则，车站是用户专外网进行配合的地方。这样外网小区和站台小区及铁路专网小区不做邻区关系。正常情况下外网小区与此两组小区完全隔离，只能通过候车室室内分布系统进出入。如图三所示，用户从候车室到站台时将会进行位置更新，进入铁路专网。而用户从站台进入车体后，将会从站台小区切换或重选到铁路专网小区并停留在专网小区里，直到到达目的站点。对于到站的用户，首先将会从铁路专网小区切换或重选到站台小区，再进入室内分布系统，进行位置更新，从专网进入外网。外网小区、车站室内分布系统小区、站台小区以及铁路小区的切换和小区重选关系可以通过如图三的设计建设，需要确保的是外网小区的信号在站台处不能过强，不然室内分布小区将会切换到外网，而无法返回铁路专线小区。同样站台小区的信号不能越区覆盖到车站外，避免用户在出站时从室内分布小区误切入站台小区而无法回到外