高速铁路移动网络覆盖方案的研究

1、Theselectedexcellentpapersoftheforum论坛获奖文选无线通信李富新谢鹰刘文鹏高速铁路移动网络覆盖方案的研究高速铁路移动网络覆盖方案的研究李富新LiFuxin年毕业于兰州大学，学士学位，现就职于中讯邮电咨询设计院无线处，主要从事移动通信工程设计工作。StudyonMobileNetworkCoverageSchemeofHighSpeedRailway摘要对GSM高速铁路覆盖所涉及的技术原理进行研究，主要包括小区切换带选取、多普勒频移克服、切换关系设置、容量估算、建设覆盖方案等，为在建300km级高速铁路的无线网络规划和优化提供参考。关键词谢鹰GSM高速铁路小区多

2、普勒频移切换GRRUXieYing年毕业于南京邮电学院，后就读于解放军信息工程大学，获硕士学位，现就职于中讯邮电咨询设计院无线处，主要从事移动通信工规划和设计工作。程咨询、AbstractItstudiesonthetechnologytheoryrelatingtoGSMhighspeedrailwaycoverage,whichincludedselectionofcellhandoversec-tion,Dopplershiftrestrained,handoverrelationsetting,capacityestima-tionandbuildcoveragescheme,whic

3、hhavereferencetotheplanningandoptimizationofradionetworkof300kmhighspeedrailwayKeywordsGSMHighspeedrailwayCellDopplershiftdoverGRRUHan-刘文鹏LiuWenpeng年毕业于重庆邮电大学，学士学位，现就职于中讯邮电咨询设计院无线处，主要从事移动通信工程咨询、规划和设计工作。0概述随着城市经济的快速发展，铁路运输系统承担起越来越多的客流运送任务。2007年4月中国铁道部进行了第6次列车提速。我国多条干线运行了高速铁路列车（CRH）。该型列车分为CRH1、CRH2、CR

4、H3和题，对关键技术进行分析，提出解决问题的办法。高速铁路网络覆盖研究内容主要包括小区切换带的设置、如何克服多普勒频移的影响、切换关系设置、覆盖的规划、容量设置及优化方案。1高速铁路开通后网络存在的问题高速列车封闭性较好且运营时速在300km以上，如果不进行高速铁路专项规划，而依靠现网基站覆盖，主要存在以下问题：CRH54个种类，其中CRH1、CRH2、CRH5均为200km级别（营运速度200km/h，最高速度250km/h）。CRH3为300km级别（营运速度330km/h，最高速度380km/h）。而CRH2具有提升至300km/h级别的能力。CRH基本信息见表1所示。本文通过分析高速铁

5、路开通后网络覆盖面临的问表1列车类型a）CRH密封性好，穿透损耗增大，将造成列车内场强相对普通列车变弱；b）速度快，发生小区切换和重选要求小区间重叠覆盖区域增大，现有小区重叠覆盖距离难以满足需求；CRH基本信息列车材质不锈钢中空铝合金铝合金中空铝合金c)由于场强变弱，会引起用户通话接通率低，质量变差；213.5201.3200.0205.2运营速度最高速度载客人数列车长度··/kmh/kmh/人/mCRH1CRH2CRH3CRH5200200330200250250380250670610557604d）由于覆盖铁路的小区较多，切换频繁，掉话率高，影响数据业务的使用；e）由

6、于铁路要经过多个位置区，位置更新频繁，信令负荷大。Theselectedexcellentpapersoftheforum李富新谢鹰刘文鹏高速铁路移动网络覆盖方案的研究论坛获奖文选针对上述问题，提出相应的解决措施，改善网络覆盖，提升服务质量。序号表2列车不同时速下所需要的重叠覆盖区域车速/（m/s）小区重选/切换需要最小时间/s重叠覆盖区域/m车速/（m/h）2高速铁路网络覆盖技术研究高速铁路网络覆盖规划主要涉及小区切换带、多普勒频移、切换关系、容量估算、优化覆盖方案等，下面将详细介绍。123456718000020000025000030000033000035000038000050566

7、9839297106555555550055669483391797210562.1小区切换带的设置小区切换带的设置主要和列车运营速度、小区重选与小区切换时间有关，因此高速铁路网络覆盖规划必须了解所规划铁路的列车最高运营速率。在GSM通信中，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5s，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与小区重选滞后值之和，且维持5s，手机发起小区重选和位置更新。假定重叠区域覆盖是均匀的，在图1中，点A、C（红色区域内）和点B、D（蓝色区域内）分别是2个小区的边界，E点

8、为2小区RxLev等值点。BC段为2小区重叠覆盖距离。取小区重选与小区切换较长的时间（5s）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10s，表2为列车不同时速下所需要的重叠覆盖区域。小区1小区2表3建议设计的小区重叠距离市区内/市区外区域（250km/h）运营速率/最大速率/（330km/h）（380km/h）最小重叠距离/m（小区重选与小区切换时间按照5s计算）建议设计的重叠距离/m（小区重选与小区切换时间按照6s计算）注：重叠区域按照单向6s考虑。7007009201100105612702.1.1基站切

9、换带设置基站切换带设置相对较为简单，在机房内采用功分器将信号分为2路，在铁塔上采用2副天线沿铁路进行覆盖，以减少小区数量，站间距为根据链路计算出的单小区覆盖距离乘以2减去小区重叠覆盖距离。由于切换带的存在，采用基站进行覆盖时，必须保证足够小的站间距，以确保切换距离能够满足要求。2.1.2光纤直放站切换带设置由于切换带设置原因，为了保证切换成功率，降低掉话的出现，需考虑尽可能减少切换发生的概率，因此新一代直放站设备大量地应用于高速铁路沿线覆盖，采用基站新一代光纤直放站进行高铁覆盖设计，减少了切换次数。由于列车运行速度较快，需要的小区间切换和重选重叠覆盖距离较大，可以采用在同一物理站点上设置2套信

10、源的设备，以4副天线沿铁路进行重叠覆盖，保证小区重叠覆盖区域。假设图2左边站点DEACB小区重选和切换区域图1小区重选和切换区域1、2、3为小区1的直放站设备，图2右边站点3、4、5为小区2的直放站设备，站点3为小区1和小区2的切换带。为了保证小区间正常切换，同一小区2副天线的输出功率设置不同（主要采用耦合器），按照图2中所示，小区1天线1（耦合器直通）功率设置强于小区1天线2（耦合器旁路），小区2天线1（耦合器旁路）功率设置弱于小区2天线2（耦合器直通），这样使得在图2左边小区1信号强于小区2，在图2右边小区2信号强于小区1。如果列车由小区1驶向小区2方向，过了假定某条铁路上运营的列车为CR

11、H3型列车，其运营速度为330km/h，根据列车最高速度及运营速率取定，建议设计的小区重叠距离如表3所示，取定小区的设计重叠覆盖距离为市区内平均840m，市区外按运营速率取定1100m，具体铁路还需要参考实际运营速率进行计算。Theselectedexcellentpapersoftheforum论坛获奖文选无线通信李富新谢鹰刘文鹏高速铁路移动网络覆盖方案的研究该点后小区1信号弱于小区2信号，将进行测量，5s后发起小区切换，反方向类似。如图2所示。移动产生的多普勒频移；CTU2、CTU2D中的基带信号处理模块中使用了更为先进的自动频率校正算法，该算法改进了传统的信道估计方法，以达到对抗更大的多

12、普勒频移的目的，使用该算法的GSM基站，可克服小区1站点1站点2站点3站点4站点5天线1小区1小区2小区2天线1小区1天线2小区2天线2480km/h以上的高速移动带来的多普勒频移的影响。2.3如何减小CRH车体穿透损耗的影响运营列车确定后，车体穿透损耗将是影响站点规划的重要因素，降低车体穿透损耗带来的影响，将大大减少站点的数量和改善网络服务质量。注：站点3为切换带图例：耦合器避雷器天线1/2软馈线7/8馈线2.3.1入射角与穿透损耗的关系如图3所示，入射角为覆盖方向与车体的夹角，对于同一站点和列车，当覆盖范围越来越远时，入射角也越来越小，列车车体穿透损耗也越来越大，并且列车覆站点3小区1设备

13、站点3小区2设备小区小区小区小区2天线22天线12天线22天线1盖主要依靠车窗进行覆盖，因此站点与铁路垂直距离不能太小，在站点允许的情况下，建议站点距铁路垂直距离大于50m，小于200m。图2光纤直放站切换带设置d入射角列车2.2如何克服多普勒频移的影响所谓多普勒频移是指在发射的射频（RF）载波和来自运动目标的反射回波之间的频率上的偏移。在无线通信系统中多普勒效应引起频率变化的关系可以通过下面的公式求出：rBTSf=f0-fDcos=f0-（/）cos式中：考虑多普勒效应后的合成频率f系统工作频率f0最大多普勒频移，fD=±/fD多径信号合成传播方向与移动台行进方向夹角移动台的运动速

14、度波长由于覆盖高铁基站天线挂高较低，与列车运行方向形成夹角较小，因此，可近似认为为0°。根据计算，当移动台的速度为100km/h时，相对频率变化为图3入射角与穿透损耗的关系2.3.2减少列车车体穿透损耗带来的影响的措施当站点和列车确定后，列车车体穿透损耗即无法改变，如何降低其对覆盖的影响，可从以下3点考虑。a）对于下行，针对每块载频采用独立的高功放模块，可以提高下行覆盖；b）对于上行，可以采用塔放改善上行覆盖；c）另外还可以采用高增益天线，如21dBi天线。2.4网间切换关系设置分析网间切换如何设置、切换关系设置的好坏对网络指标有较大的影响，下面详细介绍一下切换关系。2.4.1专网与

15、非专网根据切换关系设置方式的不同，可以将高铁覆盖划分为专网和非专网。专网：打造铁路链状覆盖专属网络，与周边基站不设置切换关系，不吸收周边区域话务，仅在站台和铁路分叉处设置切换关系。非专网：打造铁路链状覆盖，但与周边基站设置切换关系，兼顾铁路附近区域覆盖。专网与非专网实现方式对比见表4所示。0.19×10-6，对于900MHz频率偏差为171Hz、1800MHz频率偏差为342Hz。当移动台的速度为300km/h时，对于900MHz频率偏差为260Hz。由于多普勒频率变化，可能会使移动台不能正确接收临近小区的信号，这也是影响切换和掉话的重要原因，要求厂家设备能够克服多普勒频移的影响。可

16、根据用户相对站点的移动方向按照上下行进行频率补偿。摩托罗拉CTU载频板可以克服350km/h的高速Theselectedexcellentpapersoftheforum李富新谢鹰刘文鹏高速铁路移动网络覆盖方案的研究论坛获奖文选表4实现方式对比信号源专网与非专网实现方式对比专网非专网网之间的缓冲区角色。2）非专网方案所有铁路覆盖小区均保持与大网间的切换关系，但在共站点区域容易发生频繁切换，发生掉话，在共站点区域，小区A与共站宏站C的小区不设置切换关系，与相对较远基站B设置切换关系可有效解决该问题，见图5示意图。B基站专用小区，不吸收周边话务天面安装，沿铁路线方向天线安装布放专网有信号但不提供服

17、铁路周边覆盖务，由其他基站覆盖仅在站台和铁路分叉处保参数留与大网的切换关系，其他仅保留专网相邻关系只吸收列车话务，配置较载波配置小列车用户与铁路附近用户兼顾天面安装，沿铁路线方向布放兼顾保留与周边大网的切换关系，通过参数加快重选和切换需吸收周围话务，配置较大2.4.2切换关系的设置1）专网方案火车站一般是铁路专网覆盖的起始点，是专网与外网的过渡与衔接。火车站专网规划主要考虑候车室微小区和站台微小区的规划与设计。候车室整体人流较大，小区配置要求较高，可采用多个小区共同覆盖方式。候车室微小区与外网小区设置切换，使旅客进入候车室后，手机可以切换到专网。对于站台微小区，同一时刻只可能在局部区域发生用户

18、突增现象，因此小区配置要求相对较低，可采用一个小区单独覆盖。站台小区同候车室微小区、铁路专网设置切换关系，使旅客在登车过程中，手机可切换到专网。且同时考虑采用漏斗方式将火车站附近强覆盖基站和铁路专网设置切换关系，使列车内用户在火车站附近仍能切换到专网。同时通过CBQ参数设置，专网小区选择优先级设置较低，从而使铁路附近居民等用户仅有较低概率接入专网，降低专网对铁路附近用户的影响。见图4示意图。铁路附近公网基站宏站C小区A蓝色为铁路覆盖小区A绿色为共站点宏站C图5非专网切换关系设置示意图2.4.3BSC归属和LAC/RAC设置原则铁路优化方案建设的目的除了加强铁路沿线手机信号外，另一个重要的原因就

19、是优化铁路沿线位置区设置，合理的位置区设置可以减少高速铁路的位置更新量和路由区更新量，提高无线接通率。建议将所有铁路覆盖小区归属一个BSC，采用唯一的LAC。位置区边界设置如下：1）火车站/停靠站与大网的边界铁路覆盖组网中，火车站与周围大网可能会出现位置区和路由区边界，因此，工程施工必须严格控制火车站室内分布系统的覆盖，避免专网与大网间频繁位置更新而消耗铁路覆盖小区与大网的SDCCH资源。2）跨省市边界同样，在铁路跨省市边界处，将出现位置区和路由区边界，该处的位置更新解决方案可通过增加边界基站小区及TRX的数目，以增大SDCCH设置。火车站附近公网基站HO/RX外HO/R火车站火车站HO/R专

20、网HO/R专网站台候车室小区小区网X铁路专网切换漏斗2.5容量估算容量估算主要和小区覆盖范围及切换关系有关，具体主要考虑以下几方面：图4专网切换关系设置示意图a）区分专网与非专网，专网不需要考虑对周边话务的吸收，配置相对较小；非专网小区配置则不但要考虑列车用户需求，还要考虑周边用户，配置相对较大；高速铁路专网覆盖独立于外网，相邻专网小区间建立邻区关系，仅在火车站、铁路分叉处等特殊位置设置与外网的切换关系，因此专网与外网的衔接点为火车站和一些铁路分叉点。按图4中切换关系设置原则，火车站候车室充当与大网之间的缓冲区角色，火车站站台充当与铁路专b）单小区覆盖范围，根据列车发车时间间隔，在单小区内除了

21、列车交会情况外是否会出现同一方向有2辆列车运营；c）根据列车容纳人数、市场占有率、单用户模型估算基站配置。Theselectedexcellentpapersoftheforum论坛获奖文选无线通信李富新谢鹰刘文鹏高速铁路移动网络覆盖方案的研究专网情况下容量估算举例：CRH的标准配置为8节车厢，额定载客人数约为900人，根据预计发车时间间隔为5min，那么在单方向1个小区内仅会有1列车，单小区用户最多是发生在两车交会时。两车交会时单小区总用户数为1800人，按照客户渗透率60%计算，那么单小区移动用户数为1080人。以每用户1）方案一：基站、大站距、高挂高本方案采用传统基站覆盖方式，基站距铁路

22、相对较远，入射角相对较好，采用高挂高，单小区覆盖距离较远，站距相对较大，优点是站点相对较少，但需要新建站点，小区数目较多，切换次数多，影响网络质量。0.015Erl计算，将带来16.2Erl话务，考虑小区利用率为80，单小区理论话务量为20.25Erl，查ErlB表（2%呼损）需要29个TCH，考虑到数据业务，单小区至少需配置5块载频。2）方案二：基站GRRU、小站距、中挂高本方案采用基站GRRU设备方式，采用小站距，中挂高方式，优点是减少了小区数量，切换次数较少，提升了网络质量，但建设点数相对较多。为了提升网络质量，建议采用方案二。2.6覆盖建设方案优化覆盖方案的主旨：少小区、多站点、线状覆盖，减少切换次数，提升网络质量。2.6.3站址的选择站址的选择对后期网络优化、网络质量至关重要，因此需要充分重视站点的规划和选择。2.6.1数字射频拉远系统1）数字射频拉远系统（GRRU）GRRU是一种直接耦合基站射频信号，采用软件无线电技术，将GSMUm口信号数字化，通过光纤传送到远端，利用远端射频单元再生、放大，实现基站信号拉远覆盖的无线网络覆盖设备，分为接入控制单元（DAU，放置在基站机房）和射频拉远单元（DRU，放置在远端目标覆盖区域）。见图6。a）综合考虑链路预算和选址过程中的不可预测因素确定最大站间距；b）考虑可利旧的现网站点，根据利