基于高速铁路无线通信

1、基于高速铁路无线通信解决方案1 引言我国铁路经过几次大幅度的提速后，列车运行速度越来越快。目前正在运行的高速铁路，包括武广高铁、郑西高铁以及京沪高铁，列车速度已经达到并超过了350km/h，这标志着我国高速铁路已经达到了世界先进水平。列车速度的提升和新型车厢的出现带来了高效和舒适，同时对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高，这无疑对铁路无线通信提出了更为苛刻的要求。高速铁路的无线通信环境包罗万象，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，是对通信技术的挑战。2 关键技术对于移动通信

2、系统而言， 当移动终端速度达到350km/h以后，则需要考虑以下关键技术。第一：高速列车使用的传播模型；第二：列车的高速使得多普勒频移效应明显；第三：列车的高速使得终端频繁的切换；第四：高速列车强度的加大使得电波的穿透损耗也进一步增加；第五：高铁覆盖网络和公网之间的相互影响关系。(1) 传播模型在无线网络规划中，通常使用经验的传播模型预测路径损耗中值，目的是得到规划区域的无线传播特性。高铁使用的传播模型，在整个网络规划中具有非常重要的作用。传播模型在具体应用时，必须对模型中各系数进行必要的修正，它的准确度直接影响无线网络规划的规模、覆盖预测的准确度，以及基站的布局情况。(2) 多普勒频移效应高

3、速覆盖场景对通信系统性能影响最大的效应是多普勒效应。当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，这称之为多普勒频移。多普勒频移将使接收机和发射机之间产生频率偏差，而且多普勒频移会影响上行接入成功率、切换成功率，还会对系统的容量和覆盖产生影响。(3) 小区切换对于高速移动的终端而言，高速移动会造成终端在小区之间的快速切换。而高速移动的终端频繁的切换会对系统的性能产生较大的影响，因此必须解决在高铁通信建设中的小区切换问题。为保证用户无缝移动性及QoS要求，最基本的要求就是需要保证用户通过切换区域的时间一定要大于切

4、换的处理时间，否则切换流程无法完成，会造成用户因切换不及时而导致掉话，影响用户的正常使用。(4) 穿透损耗高速铁路列车采用密闭箱体设计， 车体对无线信号的穿透损耗较高。不同车型的火车车厢穿透损耗差异很大，全封闭的新型列车比普通列车穿透损耗大510dB。高铁覆盖链路预算的取值应按未来可能采用的车体类型的损耗考虑，以满足、兼容对全系列高速列车的覆盖要求。(5) 公网和高铁覆盖若在现网上采用小区分裂方式来覆盖高铁，则资源利用率较高，成本相对较低，但是现网很难兼顾一般场景和高速场景的通信需求，对于网优网规来说，优化难度非常大。而当使用专网覆盖高速铁路时，有利于切换链的设计，可以很好提高通信质量；有利于

5、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。但专网和大网的融合问题是必须解决的难题。3 高铁覆盖分析(1) 无线传播模型分析高速覆盖的传播模型以COST231-Hata经验模型为基，可用于150-2 000MHz的无线电波传播损耗预测，如表1，作为无线网络规划的传播模型工具，具有较好的准确性和实用性。数学表达形式是：在无线网络规划中，不同的传播模型可应用于不同的无线场景。在这些模型中，影响电波传播的一些主要因素，如收发天线距离、天线相对高度和地型地貌因子等，都作为路径损耗预测公式的变量或函数。(2) 多普勒效应高速覆盖场景对通信系统性能影响最

6、大的效应是多普勒效应。接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，称作多普勒效应。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附加频移称为多普勒频偏，如图1可用(2)式表示：式(2)中：为终端移动方向和信号传播方向的角度；v是终端运动速度；C为电磁波传播速度；f为载波频率。基站接收受到的最大多普勒频率偏移与UE运动速度成正比，速度越高则频偏越大。(3) 小区切换对于高速移动物体而言，高速的移动会造成小区之间的快速切换。350km/h的最大列车运行速度就是每秒移动97m，以目前高铁沿线的基站密度来说，高速列车经过途几百米覆盖范围的小区就只有短短数秒。在这

7、种高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。主要原因是：UE移动速度越大，在一个小区中驻留的时间越短，造成UE驻留小区时间小于小区选择过程；UE移动速度越快，在相同小区重选时延情况下，小区间需要设置越长的重叠区；UE移动速度越快，相同切换时延情况下，小区间需要设置越长的切换重叠区小区切换带的设置主要和列车运行速度、小区重选与小区切换时间有关。两个相邻小区之间必须保证足够的重叠覆盖区域，以满足终端在高速移动过程中对切换的时间要求。(4) 穿透损耗高速列车采用密闭式厢体设计，车体对无线信号的穿透损耗较高。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。全封闭的新型CRH列车比普通列车穿透损耗大51

8、0dB，穿透损耗最高可达24dB，因此专网设计中，高铁覆盖链路预算的取值应按未来可能采用的车体类型的损耗考虑，以满足、兼容对全系列高速列车的覆盖要求。假如要求车厢内提供用户通信的电平值要达到-85dB以上，则列车车厢外的覆盖电平需达到-60dB。4 高速覆盖解决方案(1) 自适应频偏校正算法从前面描述可知，对于高速移动的用户，多普勒频偏往往非常大，对于基站接收机来说，估计和发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是接收机必须完成的功能，否则将对链路性能造成很大影响，另外，基站接收机还需要应对频偏快速变化的问题，即保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿。适应频偏校正算法，能在基带层面实时地检

9、测出当前子帧频率偏移的相关信息，然后对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，提升基带性解调能。具体实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。从图2的仿真验证来看，引入的频偏校正机制使得频偏估计值与真实频偏值吻合的很好，最大的频偏估计误差不到100Hz。(2) 单小区多RRU级联技术从高铁覆盖特点来看，为了保证小区间的可靠切换，需要增加小区的覆盖范围，减小小区切换次数。为了扩大小区覆盖范围，可采用基带池+RRU（射频拉远单元）的网络覆盖方案，可以将多个RRU组网, 利用基带合并技术组合到一

10、个小区内。属于同一小区的RRU沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能，如图3。在下行方向，基站相当于多个站点同频分集发射，每个RRU的发射信号是相同的。手机可以在多RRU的覆盖重叠区得到接收增益，增强了下行信号的接收效果。上行方向，基站相当于多路接收，处于多个RRU覆盖重叠区手机的上行信号，由多个RRU的天线同时接收到，接收数据通过光纤传递到基带池之后，基带处理板实现多路合并分集接收，提高了上行接收灵敏度和抗干扰能力 。高铁列车车体有较强的屏蔽效果，需要足够的覆盖信号强度，这样便限制了覆盖区域的不能太大。当属于同一逻辑小区的多个RRU，覆盖区域部分重叠连环相连之后，构成一个狭长地带的高

11、信号强度的适合铁路沿线的小区覆盖方案，有利于增加覆盖信号强度。(3) 车厢内覆盖穿透损耗具有以下几个特点：第一，随着掠射角的减小，列车车厢穿透损耗增加幅度增大。第二，当掠射角在10度以内，列车穿透损耗增加幅度明显加快，。第三，列车车厢内不同位置的穿透损耗相差较大。第四，CRH动车车厢整体穿透损耗平均值在25dB左右。电磁波与列车入射角越大，穿透损耗越小，入射角越小，穿透损耗越大。因此在进行站点规划时，应尽量选择基站站址与轨道线有一定的距离，并使得天线主瓣方向与轨道线尽量有一定的夹角，减少穿透损耗。为了进一步降低车体穿透损耗的影响，运营商在建设基站时，网络建设者应该尽量使基站靠近铁路，保证基站与

12、铁路垂直距离在50m到200m之间。(4) 车载直放站方案在高速运行环境中可以使用车载直放站系统，其在列车高速运行的环境下可以极大地改善车厢内的无线信号覆盖。由于车载直放站一般具有较强大的接收功能，其可以较好地处理多普勒偏移效应，同时能兼顾不带频偏处理功能的老式终端。车载直放站一般具有的动态增益控制功能，可以根据下行信号测量，自动调整车载直放站上下行增益，同时，上行增益随下行增益控制，以避免系统在增益过大时产生过高的上行噪声，降低沿线基站系统的接收灵敏度；根据高速列车的移动特点快速调整上下行增益，使得车内无线信号相对平稳；由于车厢覆盖系统下的用户都是车内乘客，高速移动列车的通信系统主要是上行受限，车载直放站一般采用上行功率增强设计。(5) 高铁组网方案对高铁采用专网覆盖方案，即采用专网对铁路沿线进行覆盖的方案，只用于高铁列车内的用户通信。专网组网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。站台高速覆盖时，重点还要考虑公网和专网的切换原则和对应关系，能够