WCDMA无线网络对高速铁路的覆盖

4-WCDMA无线网络对高速铁路的覆盖铁路提速目前，全国铁路营运里程为7.6万公里，到2010年，全国铁路营运里程将达到8.5万公里。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200km/h，全国范围内也出现了很多时速超过200km/h的路段，而超过200km/h的高速铁路也正在动工建设。近年来我国高速铁路建设事业飞速发展，多条城际快速铁路和高速客运专线已开通运营，还有大量的客运专线正在建设或列入十一五规划，可以预见，未来几年高速铁路将成为我国地面客运的主流。动车组铁路提速的同时引入了动车组这一概念，全称为“中国高速铁路列车”，分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4个种类。CRH1、2、5营运速度200KM/h，最高速度250KM/h，其中CRH2和CRH5具备提速至300KM/h的条件；CRH3营运速度330KM/h，最高速度380KM/h。动车组分类介绍情况如下表示：列车类型运营速度最高速度具备条件载客人数列车长度列车材质CRH12250km/h670213.5M不锈钢CRH2200km/h250km/h300km/h610204.9M中空铝合金CRH3330km/h380km/h600200.0M暂无CRH5200km/h250km/h300km/h604211.5M中空铝合金高铁覆盖的技术难点由于高速铁路的列车高速运行、车厢材质不同，且全线多经山区、隧道和丘陵，因此对高速铁路的覆盖主要存在以下技术难点：列车穿透损耗高速列车为了适应高速运行的要求，在密封性和车厢材质方面都有了新的变化，对穿透损耗有很大的影响，因此在相同的条件下，高速列车内的接收电平远低于普通列车。不同车体对无线信号的穿透损耗差别很大，如下表所示。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12－1612K型列车13141614庞巴迪列车24－－24CRH2列车10－－10多普勒频移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。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移，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。以下为系统通信时的频移产生示意图。随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显：1）多普勒频移的存在，导致基站和手机的相干解调性能降低，直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。2）因为对于手机是一倍的多普勒频移，而对基站是二倍的多普勒频移，所以，多普勒频移对基站的影响更大。3）根据理论分析和仿真测试，当列车时速为300公里左右时，系统性能有比较明显的恶化，而列车时速为600公里及以上时，手机就无法解出相邻小区的信息了。车速与多普勒频偏的关系如下表所示。车速（Km/h）最大多普勒频偏（Hz）120480参数和链路预算结果，通过泄露电缆WCDMA信号一般可覆盖500m。一般建议每公里设置一个RRU/光纤直放站，分两个方向接入泄露电缆。桥梁覆盖对于长度在2公里以内的桥梁，可选择在两端桥头附近建设站点，天线设置位置应可视通桥梁。对于跨越大江大河、跨度较长的桥梁，长度达几公里，由于桥体中间及桥外无法设置基站，可利用桥上的电杆架空安装泄露电缆。一般建议每公里设置一个RRU/光纤直放站，分两个方向接入泄露电缆。高铁覆盖的组网方式目前高速铁路覆盖的主要组网方式有公网覆盖和专网覆盖两种，这两种组网方式各有优略。公网覆盖主要是对现网基站进行调整，适应高速列车的运行要求，达到增强覆盖、改善重选切换效率的网络优化方法。常用的方法包括天线调整、分裂专用覆盖小区、加装基站放大器、加装直放站等，现网调整方案中用于铁路覆盖的小区同时还会为铁路邻近区域的一些用户提供覆盖服务。公网覆盖的优点是：充分利用现有基站资源，节省了投资，见效快。缺点是：覆盖效果差，小区多、切换次数较多，位置区更新较多，掉话率高，影响网络质量。因为高速移动场景的无线参数设置与常规不同，为了克服多普勒频移和小区快速切换等因素的影响，高速铁路覆盖的站点通常要设置特殊的切换算法和参数指标，因此公网难以同时兼顾高速移动场景和周边普通场景的参数设置需求；同时，高速铁路和周边区域的规划优化需求不同，两者互相牵制，造成规划及优化难度加大，维护成本高。采用公网覆盖时，铁路沿线会同时受到多个不同小区的覆盖，高速列车在移动过程中速度较快，会频繁穿越于不同的小区进行小区切换，因此就很难保证有足够的重叠覆盖区域来实现小区切换，加大切换失败率和掉话率。专网覆盖是指利用多个RRU级联或数字射频拉远系统、光纤直放站远端组成一个小区实现单小区长距离连续覆盖的铁路专用覆盖网，仅在车站、铁路交叉点等与大网设置切换关系。其优点是：延长了单小区覆盖范围，减少了覆盖小区的数目，减少了小区切换次数，降低了掉话率；用户驻留同一小区的时间延长，可以提升数据业务提供能力；减少位置区更新；通过物理设备及参数配置，保证了专网与公网的分离，能最大程度上满足高速场景下的覆盖要求；目前各设备厂家都有针对高速条件下独特的算法和解决方案，通过专网系统即可为高速移动场景配置特别的无线参数及算法，又不会造成对大网的影响。其缺点是：需为高速铁路覆盖增设新的设备，投资大，工程周期较长。就WCDMA网络而言，对于高速铁路穿越的城区，周边区域较繁华、话务量多、现有站点较多的，可结合目前的网络质量情况，采取现网优化调整的方式；对于高速铁路穿越的郊区农村，周边区域一般、话务量较少、现有站点较少、干扰比较少或隧道比较多的，可考虑采用专网进行覆盖；为保证高速数据用户的体验，提升数据业务能力，建议优先采用专网方案。现网调整与专网覆盖需有机融合，最重要的是建设一条完善的链状覆盖，对于比较长的高速铁路，两种覆盖手段可以综合使用。对于专网方案，RNC/RAC区域的设置原则如下：1)高铁专网覆盖小区、火车站分布系统及火车站周围基站应归属同一个RNC/RAC，使位置更新分散发生在周边基站，减轻火车站小区的信令负荷，改善网络服务质量。2)同一本地网内的高铁覆盖小区配置在同一个RNC/RAC下，将RNC和RAC边界设置于低速路段、话务量少的区域。3)一省内不同本地网内的高铁覆盖专网建议为同一个厂家，保证覆盖水平和切换质量。高铁覆盖的设备选取设备类型选取目前不同的设备厂家主推的设备类型不同，但针对高速铁路的覆盖，主流的设备厂家主要有以下几种产品：宏基站、分布式基站和数字光纤直放站等。宏基站宏基站是传统的基站设备类型，其优点主要是容量大、功率大、覆盖距离远；其缺点主要是设备占地面积较大、对机房、配套要求较高，且无法进行小区级联对传输要求较高。由于高速铁路沿线主要采用的是两扇区的站型，如果采用宏基站进行长距离组网时，列车会频繁的在小区切换带上穿过，不仅会增大信令负荷也会增大掉话率，同时隧道内由于涵洞空间有限，很难满足宏基站及其配套对空间的要求。分布式基站分布式基站是新型的设备类型，其主要优点是组网灵活、设备占地面积较小、对配套要求较低、采用光线传输损耗较小可进行长距离的拉远覆盖，同时可进行多小区的同Cell级联增大小区覆盖半径，降低切换频率，且设备稳定性较好；其缺点主要是载频价格相对较为昂贵。高速铁路覆盖面临最主要的难题就是小区切换，采用分布式基站进行组网可以较好的克服这个难题。目前，部分厂商的分布式基站已支持多小区的级联。通过光纤的拉远，可以扩大小区的覆盖半径，减少了跨小区切换的次数，可以降低切换失败率。同时，由于分布式基站设备小巧、对机房配套要求不高，因此，在隧道内亦可采用这种设备。数字光纤直放站数字光纤直放站是将RF信号经变频处理变为中频数字信号，再通过光纤拉远进行传输。同分布式基站一样，数字光纤直放站也可作为高速铁路覆盖系统的信号源，选用哪一种取决于宏基站的载频数量和所负载的业务量。如果宏基站载频多、容量很富裕，用数字光纤直放站拉远更合适，同时可减少扇区扰码。高铁覆盖不宜单一采用数字光纤直放站作为信源，可以考虑数字光纤直放站、RRU和宏基站的联合组网。高铁覆盖的站点设置小区重叠覆盖距离在WCDMA通信事件中，小区重选与小区切换需要一定的时间来完成接续工作。其中小区重选规则中，当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持0.8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0.8秒钟，手机发起小区重选和位置更新。小区重叠区域示意图假定重叠区域覆盖是均匀的，在上图中，点A、C和点B、D分别是两个小区的边界，E点为两小区RxLev等值点。BC段为两小区重叠覆盖距离。取小区重选与小区切换较长的时间（0.8秒钟）作为计算基础，若列车由小区1行驶至小区2，则列车在EC段之内必须完成小区重选或小区切换，因此重叠覆盖距离BC段的列车行驶时间为1.6秒钟，下表为列车不同时速下所需要的重叠覆盖区域：列车不同时速下所需重叠覆盖区域表序号车速(米/小时）车速（米/秒）小区重选/切换需要最小时间（秒）重叠覆盖区域（米）1180000500.8402200000560.8443250000690.8564300000830.8675330000920.8736350000970.878备注：WCDMA系统的切换时间由厂家提供。WCDMA系统链路预算WCDMA是自干扰系统，存在着业务质量、覆盖和容量相互制约的问题。在保证网络质量一定的条件，调整上下行链路空中接口的负载会影响覆盖，通常情况下，WCDMA系统覆盖受限于上行链路，而容量受限于下行链路。与GSM链路预算不同，WCDMA链路预算引入基于WCDMA技术的新特性：1）WCDMA是一个自干扰系统，随着网络接入用户的变化，小区覆盖会呈现动态的“呼吸”效应。2）同时WCDMA系统可提供语音、视频电话、中低高速数据业务，不同速率业务覆盖上体现极大的差异性。承载速率越高，处理增益越小，覆盖距离越小。3）WCDMA由于采用部分新技术，因此会带来参数设置上与GSM存在差异。如软切换增益、快速功控余量、发射分集增益等。4）WCDMA网络的业务量是非对称的，即网络上行和下行链路的数据传输量不相同。以上因素，均需要在做WCDMA链路预算时考虑。针对WCDMA，从无线覆盖而言，要完成通信建立，需考虑几方面的问题：1）导频信道覆盖（其他公共信道通常基于导频信道进行功率设置，故只计算导频信道链路预算即可）2）业务信道上行链路覆盖预算；3）业务信道下行链路覆盖预算；4）对于WCDMA不同业务而言，又分为R99业务和HSDPA以及HSUPA业务。利旧现网站址原则1）站点密集区域（市区或车站）基站与铁路间距在100米以内，利用其站点和天馈资源，新建第四小区形成专网来专门进行高铁覆盖；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。超过100米的站点尽量不考虑。2）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，通过新建第四小区的方式提供高铁覆盖，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），新建第四小区覆盖高铁；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。新建站址原则本次新建站址要求基站与铁路间距在50～300米范围内，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；兼顾覆盖周边有业务需求区域的天线，可根据实际需求采用宽波瓣（65度）高增益天线。车站室分建设原则车站室内分布系统的建设，应遵循以下基本原则：1）室内分布系统的设计应满足服务区的覆盖质量和用户容量的需求，并考虑室内、室外网络的协调发展。2）新建室内分布系统应具有良好的兼容性和可扩展性，适用频段必须包含900MHz、1800MHz和3G核心频段，并能同时满足多系统的无线接入要求。不同系统无线信号相互之间的干扰应不影响各通信系统的工作性能。引入新的系统时，支路部分应能够共用，干线部分的改造应尽量少。信号分布系统的功率分配、链路损耗至少应满足GSM、3G等无线通信系统共同使用的要求。3）新建室内分布系统必须满足WCDMA和DCS、WIFI等业务发展；4）室内分布系统必须考虑对所覆盖车站的电梯、车库、餐饮娱乐场所、候车室等公共活动区域进行覆盖，并实现目标覆盖区域内信号的均匀分布，避免与室外信号发生过多的切换，不能对外部网络产生干扰。5）室内分布系统所采用的设备和器件必须符合相关技术要求，各个组成部分接口应标准化、独立化，不同厂家的器件必须能够互联，以利于择优选型及统一维护。6）室内分布系统设计必须经过现场模拟测试，系统应能满足国家有关环保要求，电磁辐射值满足国标GB8702-88《电磁辐射防护规定》，采用的设备与材料及产生的物质对环境无污染，新增的设备达到环保部门对噪音指标的要求。7）室内分布系统拓扑结构应易于迭加与组合，方便后续改造。8）室内分布系统应做到结构简单，工程实施容易，不影响目标建筑物