京津城際高速鐵路2G覆蓋方案

1、京津城際高速鐵路GSM網無線網絡覆蓋專題報告李寧（中國聯通天津分公司）摘要： 文章針對時速高達350公里/小時的京津城際高鐵提出了GSM無線網絡建設的背景及其意義；介紹了三種建設組網方案模式；針對天津聯通GSM網現網覆蓋情況提出了規(guī)劃方案。關鍵詞：高速鐵路 GSM 網絡規(guī)劃1. 項目建設背景1.1 京津高鐵簡介北京、天津是我國的直轄市和特大城市，隨著京津鐵路客運量劇增，年客流量已達到2555萬人次，預測2008年客流量將達到3200萬人次，2015年將達到5400萬人次。京津之間交通已成為制約兩地經濟社會協(xié)調發(fā)展的瓶頸，為此，按照國家中長期鐵路網規(guī)劃，國務院批準建設京津城際鐵路客運專線。目前京

2、津城際鐵路已進入運營階段，時速高達350公里/小時。京津高鐵目前全天開通47對、發(fā)車間隔15分鐘，客流量非常大。1.2 移動通信情況在高速情況下手機用戶進行通信時，由于受到高速移動過程中的快衰落、多普勒效應、列車材質對無線信號衰減以及無主力覆蓋小區(qū)等影響，往往容易發(fā)生切換混亂、無法接通及掉話等現象。另外，鐵路沿線涉及的位置區(qū)過多，在LAC邊界處又會由于大量位置更新而造成SDCCH溢出。因此，必須通過在京津高鐵沿線新建小區(qū)，加強京津城際高速鐵路沿線覆蓋來解決上述問題，提高通信質量。1.3 高鐵車體介紹CRH全稱為“中國高速鐵路列車”，CRH是（ChinaRailwayHigh-speed）英文字

3、母的縮寫。該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4個種類，其中CRH1、2、5均為200公里級別（營運速度200KM/h，最高速度250KM/h）。 CRH3為300公里級別（營運速度330KM/h，最高速度380KM/h）。而CRH2具有提升至300KM/h級別的能力。CRH列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗，目前京津高鐵采用的是CRH3型列車，車體損耗約10dB。各車型穿透損耗對照表車型普通車廂（dB）臥鋪車廂（dB）綜合考慮的衰減值T型列車1212K型列車131414CRH1列車（龐巴迪列車）2424CRH2列車1212CRH3列車

4、10102. 無線覆蓋主要問題2.1. 多普勒效應當電磁波發(fā)射源與接收器發(fā)生相對運動的時候，會導致所接收到的傳播頻率發(fā)生改變。當運動速度達到一定閥值時，將會引起傳輸頻率的明顯改變，這稱之為多普勒頻移。公式如下所示：fd =/(2 *t) = ( / ) * cos上述公式將多普勒頻移與移動速度以及移動方向角和電波到達空間夾角聯系起來。如果移動方向為與電波到達方向相同，多普勒頻移為正，則接收的頻率明顯增大；反之則會頻移為負。2.2. 多經衰落根據信道特性變化率相對于信道傳輸率變化快慢，信道可以劃分為快速衰落以及慢速衰落，這里我們將主要討論快速衰落。隨著MS的快速移動，不同相位和幅度的信號的疊加而

5、導致的接收信號波動將更大。該快速衰落有時可以使信號強度在半個波長的周期里下降達30dB。在移動環(huán)境中的快速衰落統(tǒng)計可以參考瑞利分布。在快衰落信道中，信道脈沖響在傳輸信號周期里快速變化。這樣便導致了多普勒傳播引起的頻散（也稱為時間選擇性衰減），使得信號失真。在GSM 里，為了保證一個良好的話音質量，我們需要保證處理的多徑信號最好是在15us之內，否則將會被系統(tǒng)處理成干擾信號。對于多徑衰落和多普勒效應并不能孤立的分開分析，在GSM 規(guī)范中，均衡補償只涉及了250 公里/小時下農村、城市地區(qū)和丘陵地形的衰減。但隨著速度的增快，對于信號的處理提出了更高的要求。下圖顯示了多徑衰落和多普勒效應所造成信號電

6、平的急劇變化。信號的解碼處理需要通過增強的信號處理、高性能的解調來完成，其中的關鍵部件是高性能均衡器。在GSM-R 規(guī)范中通過改進的均衡算法以及硬件指標提升，基站可以處理到500km/h 的高速情況。對于MS 而言，由于與基站同步的原因，所以系統(tǒng)能否支持高速運動MS，主要取決于基站系統(tǒng)。2.3. 時間提前量根據GSM 規(guī)范定義，對于高速運動的MS，評估信號的延遲滯后值時誤差必須小于一個symbol 周期，即1/4 比特，通過計算可以得出，目前的高速情況所引起的TA 測量誤差值在標準的允許值范圍內。2.4. 切換問題對于高速移動物體而言，高速的移動會造成小區(qū)之間的快速切換。350 公里/小時的最

7、大列車運行速度就是每秒移動97 米，以目前天津的小區(qū)密度來說，這樣磁懸浮列車經過沿途幾百米覆蓋范圍的小區(qū)就只有短短數秒。 原有的切換區(qū)域，小區(qū)距離就不適合了，所以切換區(qū)域的長度需要仔細地規(guī)劃，否則會對通信造成難以預計的困難，具體表現為切換容易失敗，同時由于原小區(qū)信號快速衰落，造成信號急劇惡化，引起掉話。在高速鐵路場景下，雙頻小區(qū)之間的相對移動使雙頻之間的相對頻偏更大，直接影響雙頻小區(qū)間的切換性能，所以，要盡量避免高速場景下雙頻網間的切換。相鄰小區(qū)間必須有足夠的重疊長度保證高速條件下切換的安全進行。信號檢測時間，測量值平均時間、切換執(zhí)行時間和安全冗余量都必須考慮，希望在自由空間傳播條件下重疊區(qū)域

8、的設置能夠確保切換成功；允許第一次切換失敗后，系統(tǒng)有充足的時間嘗試第二次切換。需要注意在重疊區(qū)域內兩個小區(qū)的電平都應該比所需的最小接收電平大。切換用小區(qū)所需重疊區(qū)域和最大速度以及成功切換處理所需時間有關。homin = Vmax Tho = 350km/h 7s = 680mOverlap 2 x homin所以必須保證高速路段的站間理想重疊覆蓋區(qū)域至少為1400 米，由于實際的電平衰減傳播并不理想，所以實際要求的重疊區(qū)域更大，相應的站間距也有要求2.5. Idle模式分析小區(qū)選擇/重選：高速移動物體同樣對小區(qū)選擇/重選提出了較高的要求。MS 要對每一個鄰近小區(qū)的BCCH 載頻的信號強度進行連

9、續(xù)測量。當發(fā)現新的小區(qū)發(fā)出的BCCH 載頻信號強度優(yōu)于原小區(qū)時，MS 將鎖定于這個新的小區(qū)，并繼續(xù)接收廣播消息及可能發(fā)給它的尋呼消息，直到它移向另一小區(qū)。由于MS 要不斷監(jiān)聽周圍的鄰小區(qū)，鄰小區(qū)的電平值隨MS 位置的變化快速變動，雜亂的小區(qū)覆蓋，電平值的急劇變化會使手機在尚未搜索到正確的相鄰小區(qū)時，已經連續(xù)經過幾個小區(qū)，造成暫時脫網，有時候的表現將是連續(xù)不斷重選。位置區(qū)更新：高速鐵路如果經過多個LAC 區(qū)域，當手機經過邊界時，所有的車內移動用戶將發(fā)生位置區(qū)更新。根據以前的地鐵經驗，如果許多用戶同時跨越LAC 區(qū)的邊界，那么將出現SDCCH 的擁塞，造成位置更新失敗，造成的現象就是用戶脫網并進入

10、“搜索網絡”狀態(tài)。3. 建設組網方案模式針對上述無線覆蓋主要問題，有以下幾種模式解決網絡覆蓋問題。3.1. 宏基站專網覆蓋模式考慮到350 公里/小時的列車最大速度對應的是每秒97 米的移動速度，只有通過合理的小區(qū)規(guī)劃才能得到滿意的覆蓋效果。網絡規(guī)劃期間，切換參數、切換重疊區(qū)域的長度，沿途傳播都需要仔細規(guī)劃。此外，由于對同一基站不同方向的小區(qū)而言，彼此的重疊區(qū)域只是依靠尾瓣覆蓋的小塊區(qū)域，所以我們并不希望切換發(fā)生在基站處。另外，我們還應該在沿線盡可能減少切換數以保證系統(tǒng)的最好性能。所以，在專網覆蓋中我們提出復合小區(qū)概念。該概念是每個基站使用兩個定向天線，每個天線分別指向不同覆蓋方向。兩個天線由

11、一個功分器連接并且連到基站內同一個發(fā)射機上，這樣一個基站的兩個天線統(tǒng)屬同一個小區(qū)。 該方案減少了沿線的切換次數，并且避免了切換在基站位置的切換。專網覆蓋沿途分層覆蓋，LAC 不同，獨立BSC。方案如下： 沿途高速鐵路小區(qū)和周圍小區(qū)不做切換關系，不做相鄰關系。 沿途高速鐵路小區(qū)只和相鄰TR 小區(qū)做切換及相鄰關系。 沿途高速鐵路小區(qū)CBQ 設為1（低優(yōu)先級）。 通過車站小區(qū)確保旅客進出分層網絡。 沿途過程中，車內手機開機并不能切入專網覆蓋小區(qū)，只能通過普通沿途小區(qū)覆蓋。3.2. 射頻拉遠專網覆蓋模式1） 采用沿鐵路線專門組網的覆蓋思路，將鐵路列車考慮為一個話務流動用戶群，為其提供一條服務質量良好的

12、專用覆蓋通道，用戶群從車站出發(fā)，直至抵達目的站，用戶都附著在專用覆蓋網絡上，發(fā)生的話務/數據流也都為專用通道吸納，到達火車站后，重選/切換至車站或周邊小區(qū)，實現為用戶提供優(yōu)質鐵路覆蓋服務。2） 對于GSM網絡，不僅僅要解決列車內的弱信號覆蓋問題，還要解決覆蓋高鐵的小區(qū)間的切換問題，必須保證兩相鄰小區(qū)之間有足夠的重疊覆蓋區(qū)域完成兩小區(qū)間的切換；減少鐵路沿線小區(qū)位置更新的數量3） 減少高速運行列車上的小區(qū)切換，盡可能延長單小區(qū)的覆蓋距離，采用基站+射頻拉遠單元的組網方式；4）射頻拉遠系統(tǒng)簡介GSM網絡的基站覆蓋距離取決于時間提前量TA，基站TA數值：0631個TA3.69sGSM規(guī)范中最大時延為2

13、33s，單向允許最大時延為233/2=116.5us又因為光纖傳輸時延約為無線空間時延的1.5倍，因此，可允許最大傳輸光程為116.5*300/1.5=23.3Km。由于信號在通過射頻拉遠設備時，會產生14s的時延。拉遠設備允許傳輸光程為（116.5-14）*300/1.5=20.5Km拉遠設備覆蓋半徑計算公式：拉遠設備最大覆蓋半徑(116.5-14-(光纖實際傳輸距離*1.5)/300)*300m覆蓋范圍數據表：傳輸距離覆蓋半徑范圍20公里0.75公里19公里2.25公里18公里3.75公里17公里5.25公里16公里6.75公里15公里8.25公里14公里9.75公里由此可見，基站單向最大

14、傳輸拉遠距離可達19公里，雙向可達38Km。單小區(qū)拉遠距離除了TA限制外，還受到話務容量、頻率規(guī)劃、光纖資源及網絡設備可靠性等因素的限制。3.3. 微功率直放站列車內覆蓋模式微功率直放站高鐵覆蓋解決方案在整個列車的每節(jié)列車車廂內建一套室內分布系統(tǒng)，在車廂頂部安裝一面全向天線，然后通過微功率直放站中繼放大后送入車廂內的室內分布天線。 車廂外采用10cm高的脊狀全向天線，這種天線體積小、風阻小、便于安裝；微功率直放站和功分器安裝在車頂夾層內，車廂外的全向天線通過饋線與微功率直放站輸入端相連，直放站輸出端通過二功分與兩面室內天線相連。CRH車廂長25m，兩面天線分別安裝在距離車體兩端6m左右的位置。

15、微功率直放站從車廂外收到較強的信號（3575dBm），放大后輸出15dBm的信號，然后通過功分器最終到達車廂內天線口的功率為9dBm，這樣車廂內手機信號接收電平可以控制在5070dBm之間，接收信號強且穩(wěn)定。4. 基站規(guī)劃方案本章主要針對天津聯通GSM網做出的宏蜂窩基站規(guī)劃，涉及基站數據來自天津聯通網絡優(yōu)化中心。4.1. 規(guī)劃建議及覆蓋目標4.1.1規(guī)劃建議建議采用1個LAC區(qū)的專網覆蓋模式，專網不能造成對公網的網絡指標造成負面影響。盡量利用現有網絡資源建設專網，并盡可能少的占用網絡資源，包括頻率資源、傳輸資源等。盡量減少高鐵上的小區(qū)切換，盡可能延長單小區(qū)的覆蓋距離。例如采用射頻拉遠模式、小區(qū)

16、復合模式或其它技術。規(guī)劃時盡量考慮到3G覆蓋的共利用問題。4.1.2網絡覆蓋目標邊緣覆蓋場強應達到95%區(qū)域大于-90dBm。覆蓋區(qū)內的95位置，99的時間移動臺可接入網絡。CRH列車上應達到95%區(qū)域通話質量優(yōu)于3級。覆蓋CRH列車的基站平均掉話率應小于1%，里程掉話率小于50KM/1次。4.2. 現網分析4.2.1測試條件路測設備：TEMS聯通測試方法：短呼號碼10011 時常40秒 間隔5秒（天津至北京）聯通測試方法：長呼、隨機呼叫，測試通話質量（北京至天津）聯通測試號碼：130022900324.2.2測試情況匯總路線試呼次數接通次數掉話次數接通率掉話率覆蓋率話音質量天津至北京3329

17、287.90%6.90%97.40%84.60%北京至天津75071.40%089.30%69.40%天津至北京切換統(tǒng)計情況： HANDOVER STATISTICS:HANDOVER attempts:40HANDOVER successes:33HANDOVER failures:7Unknown HANDOVER:0北京至天津切換統(tǒng)計情況： HANDOVER STATISTICS:HANDOVER attempts:34HANDOVER successes:33HANDOVER failures:1Unknown HANDOVER:04.2.3路測電平圖4.2.4整體測試感受時速300公

18、里以上，能保證正常切換（含跨LAC區(qū)及BSC切換）車體損耗不超過15dBm，全程覆蓋問題較小。在基站密集度較大區(qū)域因切換原因導致的通話質量問題較多。1800網絡因快衰落損耗造成的切換較多。4.3. 鏈路預算滿足95%區(qū)域移動接入,車體內場強達到-75dBm的情況下的下行鏈路預算如下:移動臺天線高度(m)1.5 基站天線高度(m)30 覆蓋半徑(km)1.18 滿足95%區(qū)域移動接入,車體內場強達到-80dBm的情況下的下行鏈路預算如下:移動臺天線高度(m)1.5 基站天線高度(m)30 覆蓋半徑(km)1.64 由以上鏈路預算結果分析，考慮重疊區(qū)域等因素本次規(guī)劃基站平均站距2KM左右，在郊縣達

19、到1800M的連續(xù)覆蓋；詳細鏈路預算見附表GSM鏈路平衡預算和覆蓋距離工具。4.4. 規(guī)劃情況本次高速沿線規(guī)劃將新建20個基站，利舊10個基站，前期已規(guī)劃11個基站，共計41個基站；總投資估算約為2042萬元。圖中藍色十字為新建基站，綠色為利舊基站，黃色為已規(guī)劃基站。4.4.1基站規(guī)劃表序號區(qū)域基站名稱經度緯度備注1北辰藍海商貿中心117.1837439.19677已規(guī)劃2北辰普濟河道橋117.1845639.18953已規(guī)劃3北辰北方汽貿園117.1793839.20403已規(guī)劃4北辰豐產河北117.1603239.22472已規(guī)劃5北辰第一殯儀館117.1430439.25308已規(guī)劃6河

20、北北寧公園117.2037539.16928已規(guī)劃7河北萬柳莊117.209139.1569已規(guī)劃8河北張興莊大街117.1988339.17944已規(guī)劃9河東郵政大廈117.20739.1331已規(guī)劃10河東新泰路117.2089739.148537已規(guī)劃11河東大王莊供熱站117.2159139.12971已規(guī)劃12武清利尚屯116.8211239.605149新增13武清宋家場116.8351939.589806新增14武清小王古北116.8404939.569546新增15武清李莊116.8718739.533972新增16武清楊莊116.8836639.519356新增17武清大桃園北116.8971939.504873新增18武清南桃園116.9144539.492603新增19武清倉上東116