毕业论文-四川高速铁路移动通信覆盖研究.doc

编 号： 审定成绩： XXX大学毕业设计（论文）设计（论文）题目：高速铁路移动通信覆盖研究学 院 名 称 ：学 生 姓 名 ：专 业 ：班 级 ：学 号 ：指 导 教 师 ：答辩组 负责人 ：填表时间：2010年6月XXX大学教务处制XXX大学本科毕业设计（论文）摘 要随着铁路的提速，达州到成都动车组的开通，高速铁路方面对通信网络的覆盖质量要求越来越高，而由于铁路场景的特殊性与高速移动对网络各个方面的影响，导致用户的感知度大大降低。本论文重点对高速铁路GSM移动通信系统的覆盖进行研究，以便提供良好的网络覆盖质量。本文首先对GSM移动通信系统的发展史与整体构架进行了大体的叙述；其次就高速铁路中速度、车体、特殊场景等方面造成的问题做出了详细的理论研究，为规划设计、方案建设提供理论依据；然后针对达成高速铁路的实际案例，对高速铁路覆盖的各个方面进行了深入的讨论，其中组网方式、覆盖技术和规划原则是达成高铁覆盖的重点；而基于达成铁路的特殊情况，隧道覆盖成为了一个难点，论文最后就实际建设中隧道覆盖的具体情况进行了有针对的、详细的论述，以便有效的解决各类隧道的网络覆盖，达到全网连续覆盖的最终目的。【关键词】高速铁路 移动通信 覆盖 研究 ABSTRACTWith the speed railway and the EMU from Dazhou to Chengdu opened, high-speed railway network coverage of the communication network have become increasingly demanding. Since the railway scenes special and high-speed mobile network to bring all aspects of impact, resulting in greatly reduced the users perceptions. This thesis focuses on high-speed railway GSM mobile communication system covering research, to provide good quality coverage.This article first has a general description on GSM mobile communication system and the overall framework of the history. Second, the rate on high-speed railway, body, special settings such as the problems caused by making a detailed coverage of theoretical, for the planning and design, providing a theoretical basis for the program. Third，to the actual case for high-speed railway, this article has a in-depth discussion on all aspects of the high-speed railway network coverage , Which network formation, covering technical and planning principles are the key to achieve high-speed railway coverage. The special situation of Dacheng railway, tunnels has become a difficult cover. Finally, this article has a discussion on the actual construction of the specific circumstances of the tunnel coverage, and in detail, to find an effective solution for various types of tunnel network coverage to the whole network, to reach the ultimate goal of continuous coverage.【Key words】High-speed Railway Mobile Communications Cover Research目 录前 言2第一章 移动通信系统概述2第一节 GSM移动通信的发展历史2第二节 GSM移动通信系统简介2一、GSM系统主要性能简介2二、GSM系统的组成2第三节 本章小结2第二章 高速铁路覆盖理论研究2第一节 车体穿透损耗2第二节 多普勒效应的影响2第三节 单站覆盖距离2第四节 相邻基站重叠覆盖区域2第五节 天线选择2第六节 本章小结2第三章 达成高铁现状与建设方案2第一节 达成高铁情况2一、达成铁路情况概述2二、达成铁路信号测试情况2第二节 覆盖解决方案2一、公网组网方式与专网组网方式的比较2二、覆盖方案2三、建站规模方案2四、方案对比分析2第三节 本章小结2第四章 达成高铁覆盖技术与规划原则2第一节 BTS+GRRU技术和BBU+RRU技术对比2一、GRRU与RRU指标比较2二、GRRU与RRU组网方案比较2三、BTS+GRRU组网方案其他优点2四、初步结论2第二节 无线网络规划原则2一、新建宏站站间距选取原则2二、拉远各远端机间距选取原则2三、利旧站点选取原则2四、基站搬迁原则2五、载波配置原则2六、站台站点选取2第三节 传输系统规划原则2一、传输系统建设原则2二、组建传输系统建议2第四节 电源系统规划原则2一、近端站供电原则2二、远端站供电原则2第五节 本章小结2第五章 达成高铁隧道覆盖方案2第一节 隧道覆盖概况2一、隧道分类2二、泄露电缆概况2三、泄漏电缆的损耗2第二节 各类隧道覆盖方案2一、短隧道覆盖2二、长隧道覆盖2三、连续隧道覆盖2第三节 隧道覆盖其他问题2一、隧道内切换2二、杆塔建设2第四节 本章小结2结 论2致 谢2参考文献2附 录2一、英文原文：2二、英文翻译：2- 53 -前 言伴随中国铁路第六次大提速，我国将建设新线19800公里，其中时速在300公里以上高铁就超过5457公里，手机用户进行通信时，由于受到高速移动过程中的快衰落、多普勒效应、列车材质等对无线信号衰减以及无主力覆盖小区的影响，往往容易发生切换混乱，无法接通，掉话等现象，导致用户感知度下降。面对日益增多的客源和用户对感知度的需求，移动运营商如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量，已经成为一个刻不容缓的问题。在此之前，全国已经有多个地方实行了高速铁路的覆盖研究与实际工程建设，如京沪高铁、武广高铁、河北高铁等，都建立了良好的通信质量，也总结了很多高铁覆盖的经验，但就达成高铁覆盖而言，还是有些经验的空白。由于川渝两地地形地势特殊，山路、桥梁、隧道众多，尤其是在隧道覆盖部分前人总结经验较少，其最大难点莫过于全网的连续覆盖与各个隧道的具体网络覆盖，故本课题就解决隧道的覆盖进行了一定的论述与总结。针对GSM高铁覆盖，伴随着场景的特殊性，其高速运行、较强的车体穿透损耗、区域跨度较大和地形区域复杂等情况，出现了各种不同的难度，如多普勒频移过大，导致基站发射和接收频率不一致；高速运行而造成切换频繁，速度越快切换距离也越长，切换距离已经超出原扇区的覆盖范围，终端难以接收到切换信令，导致掉话；中空铝合金车体使得损耗过大，车内覆盖率低；桥梁隧道特殊场景较多、线路和周边的交叉覆盖以至于组网复杂，并且车站、市区等地方公网与专网交错覆盖导致接入困难等等都是本次研究急需解决的问题。本课题重点通过对达成高速铁路GSM网络覆盖工程的研究分析，提出规划建设意见，以便更好的完成达成高铁覆盖的项目，并对以后高速铁路移动网络覆盖提供一定的参考。第一章 移动通信系统概述第一节 GSM移动通信的发展历史GSM全名为：Global System for Mobile Communications，中文为全球移动通讯系统，俗称“全球通”，是一种起源于欧洲的移动通信技术标准，是第二代移动通信技术，其发展主要分为几个阶段： 第一阶段：从上世纪20年代至40年代早期，短波无线通信。 第二阶段：从40年代中期至60年代初期，移动无线通信开始问世。 第三阶段：从60年代中期至70年代中期，大区制移动电话。 第四阶段：从70年代中期至80年代中期，是移动通信蓬勃发展时期。1978年底，美国贝尔实验室研制成功先进的移动电话系统，建成了蜂窝状移动通信网。 第五阶段：从80年代中期开始，欧洲推出GSM体系，美国和日本也制定了各自的数字移动通信体制。随着移动通信技术的迅速发展，80年代以后移动通信系统有了更进一步的飞跃，其演进过程如图1.1所示：图1.1 移动通信系统演进第二节 GSM移动通信系统简介一、GSM系统主要性能简介GSM数字移动通信系统的主要性能总体概况为以下几点： 发射频率为上行890-915MHz，下行935-960MHz。 TDMA多址方式。 FDD双工方式。 45MHz的双工间隔。 载波频道间隔为200KHz，共124载频。 语音编码是规则脉冲激励长期预测编码（RPE-LPC），语音编码速率13kbps。 信道编码采用循环冗余码、1/2卷积码及交织编码。 调制方式为高斯滤波最小移频键控（GMSK），调制速率270.833kbps。 时隙是物理信道/时隙，时隙周期577us，TDMA则为8时隙/帧。 小区结构情况为在农村地区可采用宏小区，小区半径可达35km；城市地区小区半径一般为10-20km；市中心等业务密集地区可采用微小区，半径0.5km。二、GSM系统的组成GSM系统由一系列功能单元组成，从图1.2的系统结构可以看出，整个系统可以分为四个相互独立的子系统，由移动台MS（Mobile Station）、基站子系统BSS（Base Station Subsystem）、网络交换子系统NSS（Network Sub-System）、公共网（Public Networks）组成。图1.2 GSM系统结构1、移动台 MS移动台是公用GSM移动通信网中用户使用的设备，可以分为车载型、便携型和手持型。其中手持型俗称“手机”。2、基站子系统 BSS基站子系统BSS是GSM系统实现无线通信的关键组成部分。基站子系统是在小区内建立无线电覆盖的设备，负责管理无线资源，建立移动台与网络之间的无线信道，传送网络的各种信令及用户信息等。一个基站子系统BSS包含一个基站控制器BSC（Base Station Controller）以及一个或多个基站收发信台BTS（Base Transceiver Station）。一个BTS在一个小区内建立无线电覆盖，故一个基站系统的覆盖区域包含若干个小区。、基站收发信台 BTSBTS主要分为基带单元、载频单元和控制单元三部分。一个完整的BTS包括无线发射/接收设备、天线和所有无线接口特有的信号处理部分。BTS可看作一个无线调制解调器，负责移动信号的接收和发送处理，一般情况下在某个区域内，多个子基站和收发台相互组成一个蜂窝状的网络，通过控制收发台与收发台之间的信号相互传送和接收，来达到移动通信信号的传送。、基站控制器 BSC基站控制器BSC是基站子系统BSS的控制部分，它是基站收发信台（BTS）和移动交换中心（MSC）之间的连接点，也为BTS和MSC之间交换信息提供接口。BSC一般由话路交换和信息交换的中心的AM/CM模块，完成呼叫处理、信令处理、无线资源管理、无线链路的管理和电路维护功能的BM模块和完成复用、解复用及码变换功能的TCSM模块组成。3、网络交换子系统 NSS网络交换子系统NSS主要包含有GSM系统的交换功能和用于用户数据与移动性能管理。NSS由移动业务交换中心MSC（Mobile Switching Center）、归属用户位置寄存器HLR（Home Location Register）访问用户位置寄存器VLR（Visitor Location Register）、鉴权中心AUC（Authentication Center ）、移动设备识别寄存器EIR（Equipment Information Register）和操作维护中心OMC（Operations and Maintenance Center）六个功能单元组成。1、 移动业务交换中心 MSCMSC 整个GSM网络的核心，它控制所有BSC的业务，提供交换功能及和系统内其它功能的连接，作为交换设备，具有完成呼叫接续与控制的功能；作为移动交换中心，具有无线资源管理和移动特性管理等功能。2、 归属位置寄存器 HLRHLR负责移动用户的数据库，包含的用户信息分为两类：一类是有关用户参数的信息，另一类是有关用户当前位置的信息。也可为至某MS的呼叫提供路由信息。3、 访问位置寄存器 VLRVLR是一个数据库，是存储所管辖区域中MS的来话、去话呼叫所需检索的信息以及用户签约业务和附加业务的信息，例如客户的号码，所处位置区域的识别，向客户提供的服务等参数。4、 鉴权中心 AUCAUC是一个管理与移动台相关的鉴权信息的功能实体。完成对移动用户的鉴权，存储移动用户的鉴权参数，并能根据MSC/VLR的请求产生、传送相应的鉴权参数。提供相应的移动管理功能、语音呼叫业务、短消息业务、数据业务，及网络具有的所有基本功能。5、 移动设备识别寄存器 EIREIR就是一个存储有关移动台设备参数的数据库。6、 操作维护中心 OMC OMC-S（对交换分系统的操作维护）操作功能：系统控制、移动用户管理、服务管理、业务管理、计费、路由和网络管理。维护功能：移动用户线维护、局间中继线维护、系统软硬件维护。 OMC-R（对基站分系统的操作维护）包括：人机接口管理、保密管理、配置管理、运行管理、出错管理。4、公共网公共网是多个不同企业与不同人群共同使用的网络，也是为了获得使用权与他人在网上争抢资源的一种网络。电话系统是使用最普通的公共网，其中包括由运营商组建并提供接入广域网服务和高质量数据传输服务的公用数据网PDN、作为全球语音通信电路交换网络的公共交换电话网络PSTN和以数字电话网络为标准的一种典型电路交换网络系统的综合业务数字网ISDN。第三节 本章小结本章前两节主要就GSM系统进行了大体的介绍，包括其发展历史和系统结构，并对其中各个环节进行了一定的详细描述，以便对此次高速铁路移动通信覆盖的GSM系统有一个直观和整体的概念。移动通信正飞速发展，3G通信正逐步成熟，CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA技术已经应用于各个领域，但就达成高速铁路移动通信网络覆盖而言，技术还比较欠缺，所以现阶段高铁的覆盖仍然采用2G技术。第二章 高速铁路覆盖理论研究第一节 车体穿透损耗高速铁路都为CRH列车，其采用密闭式厢体设计，与普通列车相比，增大了车体损耗，各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，对各类型车厢的穿透损耗的测试结果如表2.1。表2.1 各类型车厢穿透损耗车型运营速度最高速度载客人数列车长度综合考虑的衰减值（dB）T型列车12K型列车14CHR1（庞巴迪列车）200Km/h250Km/h670213.524CHR2列车200Km/h250Km/h610201.310CHR3列车300Km/h380Km/h610201.320CHR5列车200Km/h250Km/h604205.224在进行覆盖设计时，必须以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。由于以上测试为列车静态状态下的测试结果，列车在运行途中，衰减会更大，需要加上校正因子，目前在国内运行的和谐号列车，多为庞巴迪列车，其校正因子为5dBm，如果要确保车内的正常通话，我们按最高24dB损耗来算，我们至少要确保车外有信号强度为70dB以上。第二节 多普勒效应的影响当终端在高速运动中通信情况下，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，其计算公式如下： 其中：为终端移动方向和信号传播方向的角度，是终端运动速度，为电磁波传播速度，为载波频率。 从公式中可以看出，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。表2.2显示典型情况下的最大多普勒频移（即假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即=0）。表2.2 最大多普勒频移运行速度（公里/小时）100 150 200 250 300 350 频率偏差（Hz)83 125 167 208 250 292 高铁覆盖中的多普勒频移也可以用以下公式来表示：，其中是收信机接收频率，是发信机发射频率，是移动台移动速度，为电波传播速度。值得注意的是，多普勒频移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的两倍。以GSM900MHz和GSM1800MHz为例，在表2.3中可以看出不同车速下的最大频移。表2.3 最大频移列车行驶速度（km/h）900MHz最大频移（Hz）1800MHz最大频移（Hz）下行信道上行信道下行信道上行信道150125250250500200167333333667250208417417833300250500500100035029258358311674003336676671333随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显，在高铁覆盖中需要重点考虑： 多普勒效应的存在，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。 多普勒效应对于手机（下行信道）是一倍的频移，而对基站（上行信道）是二倍的频移，因此多普勒频移对基站的影响更大。 根据理论分析和仿真测试，当列车时速达到300公里以上时，系统性能有比较明显的恶化，而当列车时速达到400公里以上时，900MHz手机就无法解出相邻小区的信息了。 相同车速时，1800M比900M频偏大一倍，对基站解调能力影响更大，所以高速覆盖建议采用900M频段，3G引入后多普勒频移会更严重。第三节 单站覆盖距离Okumura/Hata模型是应用较为广泛的覆盖预测模型，它是以准平滑地形的市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：其中： 为市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）；为工作频率（MHz）；为基站天线有效高度（m）；为移动台天线有效高度（m）；为移动台与基站之间的距离（km）；为移动台天线高度校正因子；为建筑物密度因子。假设基站为60W，即输出功率为48dBm，以6载波预测每载波输出功率为40dBm，高速覆盖上一般采用两面天线背向发射，设功分器、馈线、接头等损耗为6dB，天线增益为21dBi，水平波瓣角32 度，天线口有效幅射功率为55dBm。当车内信号强度需85dBm时，车外接收信号强度。假设为自由空间传输则允许最大路径损耗为：。由此可得天线高度和覆盖距离的相关数据如表2.4。表2.4 天线高度和覆盖距离频率天线高度（m）覆盖距离（km）密集市区一般市区郊区开阔区900MHz100.2103770.3834911.0783931.330582200.2515730.4737561.4090111.758431300.2819210.5420231.6706182.100094400.3070670.5996191.8982882.399314500.3290430.6506652.1049972.672319对于开阔区，根据车体信号损耗和设备性能等进行分析得到GRRU覆盖距离可达1.4KM。由于GRRU距铁路线有一定距离，以及考虑到将来TD信号覆盖，其车体穿透损耗更大，故设计每个点覆盖有效长度1KM