京津高铁的覆盖方案.doc

京津高铁的覆盖方案8月13日消息，奥运前夕，连接北京、天津两个奥运赛事举办城市的京津城际高速铁路（下简称“京津高铁”）投入运营。经常乘坐动车组的旅客，会发现手机信号异乎寻常的稳定，据了解，这是因为中国移动已经对该铁路的通信网络进行了升级，新的通信网升级后，在最短发车间隔（3分钟）状态下可满足600余名旅客同时通话。目前，该网络接通率已经达到95%，覆盖率为99.5%，掉话率仅为5.3%。中国移动表示，随着下一步网络优化的展开，掉话率还会进一步降低。 实际上，高速铁路的移动通信覆盖是个世界性难题。要保持信号畅通，手机需要在不同的基站服务区域间进行切换“接力”。而京津高速铁路是我国迄今速度最快的铁路，平均时速高达300公里，峰值时速达到350公里，同时新型全封闭车厢对手机信号的衰耗会超过24DB以上，即意味着信号强度减少为原强度的1/256，或者覆盖半径缩小为原来的大约1/5。在这么快的速度下依靠现有网络覆盖京津高铁，旅客就会发现网络信号虽好，但手机基本无法完成切换“接力”，即很难打通，或是接通后又掉话，语音质量也是差强人意。据测试经验数据，如果用现有网络去覆盖高速铁路，接通率一般只能达到70-80%，而掉话率高达20-30%。 凭借多年移动通信建设和优化经验，中国移动在上海磁悬浮列车移动通信覆盖项目中首次采用专网覆盖解决高速铁路移动通信难题，并取得了良好的效果。通过深入总结磁悬浮覆盖经验，同时创新使用“射频信号光纤拉远”和“载波池”技术，中国移动牵头研发了高速轨道交通整体解决方案，并获得了2007年中移动集团科技创新奖。 该解决方案沿铁路线建设专网，所用的服务区域大为减少。建成后的京津高铁专网在最短发车间隔（3分钟）状态下可满足600余名旅客同时通话。网络接通率达到95%，覆盖率为99.5%，掉话率仅为5.3%，而中国移动原先设定的京津高铁接通率目标为85%，覆盖率目标为95%，掉话率目标为8%。中国移动表示，随着下一步网络优化的展开，掉话率还会进一步降低。 为了让移动信号顺利覆盖京津高速铁路，中国移动根据其特点进行了一系列创新。 首先，中国移动发现，如果照搬磁悬浮的移动通信覆盖方案，由于存在移动通信信号衰耗，需要建站60个。如此庞大的基站建设量既投资巨大，又使得施工作业量大增。为此，中国移动独辟蹊径，采用了光纤射频拉远技术，通过1个基站带6个光纤直放站的方式，平均每小区覆盖长度达到6公里，京津高铁全线覆盖只用了15余个基站。在北京市五环内，仅用4个基站就覆盖了几十公里的区域。采用光纤直放站还使得高铁覆盖范围内的小区数量大大减少，减少了用户切换与位置更新的次数，从而提高了用户感知。 其次，与上海磁悬浮不同，京津高铁还存在用户在北京天津之间高速跨省漫游的问题。为此，中移动通过在京津高铁京津交界处设立大容量重叠覆盖基站，使得列车通过时顺利完成切换，用户则得以感受到本地般的通话体验。 2008年3月底，中国移动正式启动了京津高铁移动通信覆盖建设项目。由于移动基站建设后期主要为塔上作业，无法夜间施工，在7月1日京津城际高速铁路全线试运行后，中国移动每天只有早上5点到7点，晚上18点到20点能够进行施工。最多一天，中国移动一次性在京津两地投入800人进行设备安装调测。而在为期4个月的建设期间，中国移动共投入20000人天，克服了工期紧、安全要求高等困难，在列车8月1日正式通车前圆满完成了移动通信覆盖工程。 在建设过程中，中国移动积极与铁道部配合，在塔基建设、基础网络资源租用及合建等多方面展开合作，为移动专网建设提供了多项便利，有效保障了用户的通信畅通。 经过8年来的发展，中国移动目前的网络建设和服务能力大大增强，并经受了青藏铁路通信网络建设、珠峰移动信号覆盖等一系列考验。京津高铁网络覆盖成为中国移动超一流网络建设和服务能力的又一体现。鼎桥通信的TD-SCDMA高铁覆盖解决方案随着铁路列车运行速度的提高，人们在高铁列车中使用通信工具的机会越来越多，对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高，鼎桥提供的高铁环境下的覆盖解决方案，完全可以满足这种日益增长的需求，为人们的旅行生活带来更舒适的通信体验。根据铁道部“十一五”规划，中国将投资12500亿元人民币，建设17000公里铁路新线，其中客运专线7000公里，列车时速将达到200公里至300公里以上。并计划将来更多的投资以建成“五纵五横十联”的高速铁路网络。运动速度的提高对移动通信系统建设提出更高的要求。如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量，是移动运营商和移动设备商共同面对的难题。不仅如此，高速铁路的建设环境包罗万象，除了城市和平原，还有高山、丘陵、戈壁、沙漠、桥梁和隧道。可以说涵盖了几乎所有的无线通信场景。所以，如何在高速移动环境下保持好的网络覆盖和通信质量，是对TD-SCDMA技术的挑战。影响高速移动通信的因素高速移动状态下的通信相比静止状态或低速状态下的通信面临更多的问题，多普勒效应和快速切换带来的影响是高速移动环境下不得不解决的两大难题，速度越高，影响越大，解决难度也越大，对技术的要求也越高。1.多普勒频率偏移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UE和基站的性能有较大影响。假设基站主载频为f0，由于UE移动导致的多普勒频移为f，则UE自动锁定最佳服务小区的接收信号频率f0+f，并将该频率作为参考基准发送上行信号；UE发射的上行信号到达基站天线时，其频率为f0+f+f=f0+2f，该频率与基站主载频的偏差为(图1)。多普勒频移对基站和终端解调信号都产生影响。图1 上行接收信号的多普勒频偏 对基站的影响：TD-SCDMA采用中间码做信道估计，再采用估计出来的信道对两端数据域做联合检测。受多普勒频移的影响，数据域码片与中间码片发生较大的相位变化，从而影响数据域的符号检测。举例说明，当移动速度为300公里时，最大多普勒频移为f556Hz，两倍多频率频移2f1112Hz使得一个时隙中间的码片与时隙两端的码片有5562360/1.28e6(848/2)=133度(90度)的相位变化，这将使得时隙两端的符号无法正确检测。图2 下行接收信号的多普勒频偏 对终端的影响：为了对抗由多普勒效应而产生的频率抖动，用户终端通过自动频率补偿AFC(AutomaticFrequencyCorrection)技术来自动锁定最佳服务小区的接收信号频率，并将锁定的频率作为参考基准发送上行信号。不难看出，AFC算法对于减小多普勒频移产生的影响，提高解调性能，起到至关重要的作用。但多个天线向用户发射下行信号时(图2)，处于交界位置的UE收到的下行信号有两倍频偏的跳变，影响下行信号的解调性能，严重时甚至可能脱网。2.快速切换的影响影响高速铁路覆盖的另一个因素是快速切换。假设切换区大小不变，那么移动速度越高穿越切换区的时间越短。当UE移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成，导致掉话。高速移动使得切换和小区重选频繁。合理规划基站间重叠覆盖区，保证良好的信号覆盖，是保证网络性能的重要前提。此外，要针对高速移动的特殊场景，优化切换判决条件和流程，减少切换和重选的时延，以确保快速越区切换和小区重选成功。对症下药针对上述主要问题的分析，为了解决高速覆盖问题，鼎桥在提高基站接收机性能、提高切换成功率、改善覆盖效果等方面，提出了诸多行之有效的解决方案。1.改善接收机性能对于上行信号的2倍频偏，解决办法是对上行接收信号进行频偏估计和补偿；对UE下行接收信号存在的频率跳变，解决方案是NodeB端对下行发送信号进行频偏预置，使得UE接收到的信号无频偏。为了对抗上行多普勒频率偏移，基站接收机必须进行上行频率纠偏功能。上行频率纠偏对上行性能影响很大：未进行上行频率纠偏时，300公里时速的上行性能比120公里时速恶化了约7dB，而500公里时速的频偏导致信号无法正确解调；采用上行频率纠偏算法之后，300公里时速的上行性能与120公里时速性能相当，而500公里时速的上行性能也有很大提升。为了对抗下行频率跳变引起的性能恶化，基站根据上行接收信号来确定下行频率偏移的大小，然后对发送给终端的下行信号进行频偏预置，使得下行接收信号无频偏，从而解决频率跳变可能引起的掉话、脱网。采用专用的上行频偏补偿算法和下行频偏预置算法，鼎桥基站支持的最大频偏达到2000Hz，在基站信号传播方向与终端运动方向夹角为0或180度的情况下，可以支持539公里/小时的移动速度，完全满足现有高速铁路的覆盖需求。2.提供丰富的切换解决方案高速铁路移动通信网沿着高速铁路建设，无线基站设置为链状结构；由于列车的高速行驶，频繁跨越小区，移动通信系统必须具有快速切换的功能。该问题可以通过以下方法解决：1.合理规划小区间重叠覆盖区域大小。保证将满足切换条件的测量事件上报之后，UE有足够的时间跨越整个重叠覆盖区。2.优化切换参数，及早触发切换，减少切换时延。3.相邻小区考虑异频切换优先。为避免多普勒效应引发的同频邻区相对频偏会影响用户终端的测量精确度，采用异频切换方案更能保证通信质量。4.扩大小区的覆盖范围，减少切换/重选频率。为了扩大小区覆盖范围，可采用基带池+RRU(射频拉远单元)+多幅天线的网络覆盖方案，属于同一小区的多幅天线沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能。这种方案中，同一小区内的天线下面不存在切换，通过相应的基带处理，单小区可以跨越多个RRU覆盖区，可以根据容量的需求，来合理规划小区的覆盖范围。3.组网策略在高铁覆盖中，有专网和大网两种组网方案。专网组网即以专用网络覆盖高速铁路沿线，与大网相对独立。大网组网即不单独考虑高速场景的覆盖，与其他场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖。专网组网有利于切换链的设计，除了在车站和列车停留区域与大网允许切换外，沿线采用链形邻区设计，不与大网发生切换。可以很好保证高铁的用户在高速移动时切换和重选的路径，提高通信质量；有利于应用专用于高速场景的无线资源管理算法、切换和重选策略和网络参数值，从而更好地提高整个网络的质量。但专网一个很大的问题是和大网的融合问题：在密集城区和列车的站点附近，是专网和大网的进出口。如何判断由哪个网络给用户提供服务，如何防止用户误附着，以及对误附着的用户如何处理，是专网方案设计的难题。大网方案则不用考虑误附着等问题，且资源利用率高，成本相对低，但是大网很难兼顾一般场景和高速场景的通信需求，优化难度大。针对目前TD-SCDMA网络的应用场景，一般在普通铁路和高速公路场景下可以考虑采用大网组网方式，在高速铁路场景中建议采用专网方式。考虑到高速铁路沿线覆盖区域低速用户很少，可以在高铁沿线小区采用链形邻区设置、专用于高速场景的无线资源管理算法，根据快速切换的需要规划切换带、优化切换参数。在专网大网出入口，如车站小区，可以根据移动路径灵活规划邻区关系和切换带，从而满足切换需求。近年来我国铁路的连续提速，给国民经济发展带来了强劲动力，大大加快了地区之间的人力流动和物品流通速度。但是随着列车时速的不断加快，无线网络覆盖也面临着越来越多的挑战。高速、全封闭造成覆盖难题从2007年4月开始，我国铁路开始全面提速。伴随着大量CRH动车组的开行，许多列车时速已达到200公里/小时，一些列车时速甚至高达250公里/小时。2008年8月1日开行的京津城际特快列车的最高运行时速达350公里/小时，创造了我国高速铁路的历史之最。此外，由于列车时速的提升，原有的普通列车已经远远不能适应高速、优质服务的需要，新型高速全封闭的“和谐号”系列列车取而代之，开始大规模服役。这一系列的变化，使得过去并无太大问题的铁路无线覆盖领域，出现了许多新的挑战。“每小时超过300公里的时速将使用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，会引起用户在通话过程中在不同的小区覆盖范围内频繁地切换，会导致掉话等诸多问题。”工业和信息化部电信研究院高级工程师张俊峰告诉中国电子报记者。爱立信网络技术咨询部产品经理刘浩告诉中国电子报记者，由于新型“和谐号”列车车厢封闭性好，时速快，信号衰减比普通列车大10dB以上，对移动通信用户的使用会造成非常大的影响。武汉虹信产品行销部经理邱显龙告诉中国电子报记者，CRH高速列车车体采用全封闭式车体结构，车体密封性好，部分车型采用金属镀膜玻璃，信号的穿透损耗较普通列车大，随着列车的高速运动，信号会产生更大的衰减。因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。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频移称为多普勒频移(Dopplershift)，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，并且速度越快，多普勒频移越大。当行驶速度高达200公里/小时甚至更高时，相较于正常状态，移动通信网络的覆盖率会从99%以上下降到84%左右，话音接通率会从原来96%以上下降到81%左右，掉话率也会从原来0%上升到25%以上，其他话音指标及数据业务指标均会有不同程度的下降。专网模式解决高速接入难题实际上高速铁路，尤其是300公里/小时以上的高速铁路无线覆盖需要多种方式并举才能够得到较好的效果。现网调整可以通过逐步对铁路覆盖的基站覆盖进行加强，逐步控制铁路覆盖信号对周边城镇的影响，将现网具备条件的小区进行专网化，实现逐个小区的推进，最终形成专网的覆盖结构，实现全线的专网化。京信通信无线优化事业部总经理刘义波告诉中国电子报记者，京信通信协助北京移动和天津移动建设了京津城际高铁专用网络，通过数据设置将现有的公众网络和高铁专网区分开来，使公网的用户切不进来，专网的用户切不出去，只在两端的车站设置网络的出入口。“在专网和公网的重叠区域，专网和公网通过不同的接入策略，保证低速用户接入公网，高速用户接入专网。”大唐移动市场总监徐敬涛告诉中国电子报记者。邱显龙告诉中国电子报记者，在实现专网化的过程中一个必要条件是实现对专网信号的严格控制，避免对周围城镇用户造成影响，如果条件不具备可以适当考虑建立专网保护带的方式来保证专网的有效运行。专网保护带的思路是在专网覆盖小区的两侧选择一些非专网小区作为专网与公网的隔离带小区，这些小区可以与专网小区进行重选和切换，以此避免周边城镇用户一进入专网就无法正常退出的问题，同时又可以避免专网小区切换关系过多所引起的麻烦。3G面临覆盖新挑战其实高速铁路将是3G业务应用的一个重要场景。许多高端的3G用户经常由于商务旅行的原因，需要在高速铁路上使用各种移动通信业务。这些业务不仅包括语音业务、视频业务、还有高速数据上下行业务。高速铁路的覆盖是整个3G覆盖不能或缺的重要部分。“理想的3G网络应该是无缝的，如果不能够让用户在任何时候、任何地点进行通话和上网，那么将直接影响到3G用户的使用感受，进而对争夺3G用户产生消极影响。”邱显龙告诉中国电子报记者。在人们连续乘坐火车的时候，特别希望能够通过无线数据业务来排解旅途中的无聊与烦闷。这正是3G丰富多彩的数据业务，如手机网游、手机电视以及视频通话等大显身手的时候。可以预见，高速移动中的铁路旅客市场将成为运营商争夺的一块重要阵地。安德鲁中国区销售副总裁唐俊毅告诉中国电子报记者，为用户提供高速上下行数据业务是3G时代显著的业务特点，而上下行数据业务的速率在很大程度上取决于网络的覆盖质量。一方面为了保证高速列车中用户的网络信号接受质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要，减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离。因此，在网络部署中，应用车载直放站的车厢内覆盖系统以及光纤直放站(或射频拉远)的铁路沿线覆盖系统是被证实的有效解决方案。“3G网络基础上的高速数据业务对网络带来的影响较多，主要是解调门限不同、覆盖半径不同等方面。”张俊峰告诉中国电子报记者，“实际上3G网络，尤其是TD网络对高速铁路的无线覆盖还需要在实际工作中不断地进行摸索，网络优化和建设的工作还很多，设备商需要解决的问题还很多。”这是中国第一条完全自主知识产权的城际高速铁路；这也是中国迄今为止绝无仅有的一条为铁路专门设置的信息高速路中国移动：破解高速铁路移动通信建设难题2008年8月1日开通的京津城际高速铁路，是我国第一条高等级城际快速铁路，也是我国铁路现代化示范工程。京津城际高铁在京津之间搭建起了一个30分钟经济圈。坐在飞驰的列车上，乘客可以方便地接打电话、上网、发短信，一如在平地上稳定顺畅，殊不知为保障这短短的30分钟移动通信质量，中国的通信工作者付出了极大艰辛和汗水。高速铁路的移动通信覆盖一直是个世界性难题。超高时速会带来无线多普勒频移效应，信号衰减率大大提高、手机掉线率增加等都是移动通信难点，而京津高铁的众多“国内第一”，也给移动网络信号覆盖提出了巨大挑战。首先，京津高铁的平均时速高达300公里/小时，峰值时速达到350公里/小时，远远超过了gsm技术体制下250公里/小时的设计极限。“手机在不同基站间切换至少需要6秒钟，而全速行速的高铁列车通过两个基站的时间要经常小于6秒，手机基本上无法完成切换接力。”中国移动网络部经理陈洪涛说。其次，京津高铁运行的新crh3车型，特殊的材质和极好的密闭性对手机信号的屏蔽会超过24db以上，即意味着信号强度减少为原强度的1/256，基站信号覆盖范围缩小为原来的1/5。“新车体对信号屏蔽效果相当于要穿透一堵40厘米厚的钢筋混凝土承重墙。”陈洪涛说。短时间的通讯中断似乎是可以理解。因为高投入、低产出，大多数国家在高铁建设时均回避了移动通信覆盖。“如果用常规网覆盖，手机的接通率一般只能达到86%，掉话率为16%。”中国移动北京分公司副总经理范云军说。关键时刻中移动人迎难而上。虽然仅有20多分钟的效益，中国移动先后投入了8000多万元和20000人天次建设成一张覆盖京津高铁全线的移动专网，并攻克了一个世界性