WCDMA無線網絡對高速鐵路的覆蓋

4-WCDMA無線網絡對高速鐵路的覆蓋鐵路提速目前，全國鐵路營運里程為7.6萬公里，到2010年，全國鐵路營運里程將達到8.5萬公里。隨著城市經濟的發(fā)展，鐵路運輸系統(tǒng)承擔起越來越多的客流運送任務。自2007年4月18日起，中國鐵路經過六次大提速，內燃機車、電力機車、動車組，車型不斷更新換代，主要鐵路干線時速達到200km/h，全國范圍內也出現了很多時速超過200km/h的路段，而超過200km/h的高速鐵路也正在動工建設。近年來我國高速鐵路建設事業(yè)飛速發(fā)展，多條城際快速鐵路和高速客運專線已開通運營，還有大量的客運專線正在建設或列入十一五規(guī)劃，可以預見，未來幾年高速鐵路將成為我國地面客運的主流。動車組鐵路提速的同時引入了動車組這一概念，全稱為“中國高速鐵路列車”，分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4個種類。CRH1、2、5營運速度200KM/h，最高速度250KM/h，其中CRH2和CRH5具備提速至300KM/h的條件；CRH3營運速度330KM/h，最高速度380KM/h。動車組分類介紹情況如下表示：列車類型運營速度最高速度具備條件載客人數列車長度列車材質CRH12250km/h670213.5M不銹鋼CRH2200km/h250km/h300km/h610204.9M中空鋁合金CRH3330km/h380km/h600200.0M暫無CRH5200km/h250km/h300km/h604211.5M中空鋁合金高鐵覆蓋的技術難點由于高速鐵路的列車高速運行、車廂材質不同，且全線多經山區(qū)、隧道和丘陵，因此對高速鐵路的覆蓋主要存在以下技術難點：列車穿透損耗高速列車為了適應高速運行的要求，在密封性和車廂材質方面都有了新的變化，對穿透損耗有很大的影響，因此在相同的條件下，高速列車內的接收電平遠低于普通列車。不同車體對無線信號的穿透損耗差別很大，如下表所示。車型普通車廂（dB）臥鋪車廂（dB）播音室中間過道（dB）綜合考慮的衰減值T型列車12－1612K型列車13141614龐巴迪列車24－－24CRH2列車10－－10多普勒頻移當終端在移動中通信時，特別是在高速情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應。多普勒效應所引起的頻移稱為多普勒頻移，用戶移動方向和電磁波傳播的方向相同時，多普勒頻移最大；完全垂直時，沒有多普勒頻移。多普勒頻移對于接收機接收性能有一定的影響，主要是降低了接收的靈敏度。以下為系統(tǒng)通信時的頻移產生示意圖。隨著車速的不斷提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯：1）多普勒頻移的存在，導致基站和手機的相干解調性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。2）因為對于手機是一倍的多普勒頻移，而對基站是二倍的多普勒頻移，所以，多普勒頻移對基站的影響更大。3）根據理論分析和仿真測試，當列車時速為300公里左右時，系統(tǒng)性能有比較明顯的惡化，而列車時速為600公里及以上時，手機就無法解出相鄰小區(qū)的信息了。車速與多普勒頻偏的關系如下表所示。車速（Km/h）最大多普勒頻偏（Hz）120480參數和鏈路預算結果，通過泄露電纜WCDMA信號一般可覆蓋500m。一般建議每公里設置一個RRU/光纖直放站，分兩個方向接入泄露電纜。橋梁覆蓋對于長度在2公里以內的橋梁，可選擇在兩端橋頭附近建設站點，天線設置位置應可視通橋梁。對于跨越大江大河、跨度較長的橋梁，長度達幾公里，由于橋體中間及橋外無法設置基站，可利用橋上的電桿架空安裝泄露電纜。一般建議每公里設置一個RRU/光纖直放站，分兩個方向接入泄露電纜。高鐵覆蓋的組網方式目前高速鐵路覆蓋的主要組網方式有公網覆蓋和專網覆蓋兩種，這兩種組網方式各有優(yōu)略。公網覆蓋主要是對現網基站進行調整，適應高速列車的運行要求，達到增強覆蓋、改善重選切換效率的網絡優(yōu)化方法。常用的方法包括天線調整、分裂專用覆蓋小區(qū)、加裝基站放大器、加裝直放站等，現網調整方案中用于鐵路覆蓋的小區(qū)同時還會為鐵路鄰近區(qū)域的一些用戶提供覆蓋服務。公網覆蓋的優(yōu)點是：充分利用現有基站資源，節(jié)省了投資，見效快。缺點是：覆蓋效果差，小區(qū)多、切換次數較多，位置區(qū)更新較多，掉話率高，影響網絡質量。因為高速移動場景的無線參數設置與常規(guī)不同，為了克服多普勒頻移和小區(qū)快速切換等因素的影響，高速鐵路覆蓋的站點通常要設置特殊的切換算法和參數指標，因此公網難以同時兼顧高速移動場景和周邊普通場景的參數設置需求；同時，高速鐵路和周邊區(qū)域的規(guī)劃優(yōu)化需求不同，兩者互相牽制，造成規(guī)劃及優(yōu)化難度加大，維護成本高。采用公網覆蓋時，鐵路沿線會同時受到多個不同小區(qū)的覆蓋，高速列車在移動過程中速度較快，會頻繁穿越于不同的小區(qū)進行小區(qū)切換，因此就很難保證有足夠的重疊覆蓋區(qū)域來實現小區(qū)切換，加大切換失敗率和掉話率。專網覆蓋是指利用多個RRU級聯或數字射頻拉遠系統(tǒng)、光纖直放站遠端組成一個小區(qū)實現單小區(qū)長距離連續(xù)覆蓋的鐵路專用覆蓋網，僅在車站、鐵路交叉點等與大網設置切換關系。其優(yōu)點是：延長了單小區(qū)覆蓋范圍，減少了覆蓋小區(qū)的數目，減少了小區(qū)切換次數，降低了掉話率；用戶駐留同一小區(qū)的時間延長，可以提升數據業(yè)務提供能力；減少位置區(qū)更新；通過物理設備及參數配置，保證了專網與公網的分離，能最大程度上滿足高速場景下的覆蓋要求；目前各設備廠家都有針對高速條件下獨特的算法和解決方案，通過專網系統(tǒng)即可為高速移動場景配置特別的無線參數及算法，又不會造成對大網的影響。其缺點是：需為高速鐵路覆蓋增設新的設備，投資大，工程周期較長。就WCDMA網絡而言，對于高速鐵路穿越的城區(qū)，周邊區(qū)域較繁華、話務量多、現有站點較多的，可結合目前的網絡質量情況，采取現網優(yōu)化調整的方式；對于高速鐵路穿越的郊區(qū)農村，周邊區(qū)域一般、話務量較少、現有站點較少、干擾比較少或隧道比較多的，可考慮采用專網進行覆蓋；為保證高速數據用戶的體驗，提升數據業(yè)務能力，建議優(yōu)先采用專網方案?，F網調整與專網覆蓋需有機融合，最重要的是建設一條完善的鏈狀覆蓋，對于比較長的高速鐵路，兩種覆蓋手段可以綜合使用。對于專網方案，RNC/RAC區(qū)域的設置原則如下：1)高鐵專網覆蓋小區(qū)、火車站分布系統(tǒng)及火車站周圍基站應歸屬同一個RNC/RAC，使位置更新分散發(fā)生在周邊基站，減輕火車站小區(qū)的信令負荷，改善網絡服務質量。2)同一本地網內的高鐵覆蓋小區(qū)配置在同一個RNC/RAC下，將RNC和RAC邊界設置于低速路段、話務量少的區(qū)域。3)一省內不同本地網內的高鐵覆蓋專網建議為同一個廠家，保證覆蓋水平和切換質量。高鐵覆蓋的設備選取設備類型選取目前不同的設備廠家主推的設備類型不同，但針對高速鐵路的覆蓋，主流的設備廠家主要有以下幾種產品：宏基站、分布式基站和數字光纖直放站等。宏基站宏基站是傳統(tǒng)的基站設備類型，其優(yōu)點主要是容量大、功率大、覆蓋距離遠；其缺點主要是設備占地面積較大、對機房、配套要求較高，且無法進行小區(qū)級聯對傳輸要求較高。由于高速鐵路沿線主要采用的是兩扇區(qū)的站型，如果采用宏基站進行長距離組網時，列車會頻繁的在小區(qū)切換帶上穿過，不僅會增大信令負荷也會增大掉話率，同時隧道內由于涵洞空間有限，很難滿足宏基站及其配套對空間的要求。分布式基站分布式基站是新型的設備類型，其主要優(yōu)點是組網靈活、設備占地面積較小、對配套要求較低、采用光線傳輸損耗較小可進行長距離的拉遠覆蓋，同時可進行多小區(qū)的同Cell級聯增大小區(qū)覆蓋半徑，降低切換頻率，且設備穩(wěn)定性較好；其缺點主要是載頻價格相對較為昂貴。高速鐵路覆蓋面臨最主要的難題就是小區(qū)切換，采用分布式基站進行組網可以較好的克服這個難題。目前，部分廠商的分布式基站已支持多小區(qū)的級聯。通過光纖的拉遠，可以擴大小區(qū)的覆蓋半徑，減少了跨小區(qū)切換的次數，可以降低切換失敗率。同時，由于分布式基站設備小巧、對機房配套要求不高，因此，在隧道內亦可采用這種設備。數字光纖直放站數字光纖直放站是將RF信號經變頻處理變?yōu)橹蓄l數字信號，再通過光纖拉遠進行傳輸。同分布式基站一樣，數字光纖直放站也可作為高速鐵路覆蓋系統(tǒng)的信號源，選用哪一種取決于宏基站的載頻數量和所負載的業(yè)務量。如果宏基站載頻多、容量很富裕，用數字光纖直放站拉遠更合適，同時可減少扇區(qū)擾碼。高鐵覆蓋不宜單一采用數字光纖直放站作為信源，可以考慮數字光纖直放站、RRU和宏基站的聯合組網。高鐵覆蓋的站點設置小區(qū)重疊覆蓋距離在WCDMA通信事件中，小區(qū)重選與小區(qū)切換需要一定的時間來完成接續(xù)工作。其中小區(qū)重選規(guī)則中，當手機測量到鄰小區(qū)C2高于服務小區(qū)C2值且維持0.8秒鐘，手機將發(fā)起小區(qū)重選，若在跨位置區(qū)處，則鄰小區(qū)C2必須高于服務小區(qū)C2與CRH設置值的和且維持0.8秒鐘，手機發(fā)起小區(qū)重選和位置更新。小區(qū)重疊區(qū)域示意圖假定重疊區(qū)域覆蓋是均勻的，在上圖中，點A、C和點B、D分別是兩個小區(qū)的邊界，E點為兩小區(qū)RxLev等值點。BC段為兩小區(qū)重疊覆蓋距離。取小區(qū)重選與小區(qū)切換較長的時間（0.8秒鐘）作為計算基礎，若列車由小區(qū)1行駛至小區(qū)2，則列車在EC段之內必須完成小區(qū)重選或小區(qū)切換，因此重疊覆蓋距離BC段的列車行駛時間為1.6秒鐘，下表為列車不同時速下所需要的重疊覆蓋區(qū)域：列車不同時速下所需重疊覆蓋區(qū)域表序號車速(米/小時）車速（米/秒）小區(qū)重選/切換需要最小時間（秒）重疊覆蓋區(qū)域（米）1180000500.8402200000560.8443250000690.8564300000830.8675330000920.8736350000970.878備注：WCDMA系統(tǒng)的切換時間由廠家提供。WCDMA系統(tǒng)鏈路預算WCDMA是自干擾系統(tǒng)，存在著業(yè)務質量、覆蓋和容量相互制約的問題。在保證網絡質量一定的條件，調整上下行鏈路空中接口的負載會影響覆蓋，通常情況下，WCDMA系統(tǒng)覆蓋受限于上行鏈路，而容量受限于下行鏈路。與GSM鏈路預算不同，WCDMA鏈路預算引入基于WCDMA技術的新特性：1）WCDMA是一個自干擾系統(tǒng)，隨著網絡接入用戶的變化，小區(qū)覆蓋會呈現動態(tài)的“呼吸”效應。2）同時WCDMA系統(tǒng)可提供語音、視頻電話、中低高速數據業(yè)務，不同速率業(yè)務覆蓋上體現極大的差異性。承載速率越高，處理增益越小，覆蓋距離越小。3）WCDMA由于采用部分新技術，因此會帶來參數設置上與GSM存在差異。如軟切換增益、快速功控余量、發(fā)射分集增益等。4）WCDMA網絡的業(yè)務量是非對稱的，即網絡上行和下行鏈路的數據傳輸量不相同。以上因素，均需要在做WCDMA鏈路預算時考慮。針對WCDMA，從無線覆蓋而言，要完成通信建立，需考慮幾方面的問題：1）導頻信道覆蓋（其他公共信道通常基于導頻信道進行功率設置，故只計算導頻信道鏈路預算即可）2）業(yè)務信道上行鏈路覆蓋預算；3）業(yè)務信道下行鏈路覆蓋預算；4）對于WCDMA不同業(yè)務而言，又分為R99業(yè)務和HSDPA以及HSUPA業(yè)務。利舊現網站址原則1）站點密集區(qū)域（市區(qū)或車站）基站與鐵路間距在100米以內，利用其站點和天饋資源，新建第四小區(qū)形成專網來專門進行高鐵覆蓋；使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向。超過100米的站點盡量不考慮。2）站點非密集區(qū)域（農村或開闊地形）基站與鐵路間距在300米以內，通過新建第四小區(qū)的方式提供高鐵覆蓋，所使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向。基站與鐵路間距在300～500米范圍內，一般這個距離的站點不建議使用。除非特殊情況（比如：在合適范圍內無法提供電源、傳輸等），新建第四小區(qū)覆蓋高鐵；所使用的天線為寬波瓣（65度）高增益天線?；九c鐵路間距在500m～1000m范圍，可利用現有機房使用光纖拉遠將射頻單元放置在距離鐵路較近的區(qū)域，或者直接在距離鐵路較近的合適地點建新站點?；九c鐵路間距在1000m以上的，不列入規(guī)劃考慮范圍。新建站址原則本次新建站址要求基站與鐵路間距在50～300米范圍內，所使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向；兼顧覆蓋周邊有業(yè)務需求區(qū)域的天線，可根據實際需求采用寬波瓣（65度）高增益天線。車站室分建設原則車站室內分布系統(tǒng)的建設，應遵循以下基本原則：1）室內分布系統(tǒng)的設計應滿足服務區(qū)的覆蓋質量和用戶容量的需求，并考慮室內、室外網絡的協調發(fā)展。2）新建室內分布系統(tǒng)應具有良好的兼容性和可擴展性，適用頻段必須包含900MHz、1800MHz和3G核心頻段，并能同時滿足多系統(tǒng)的無線接入要求。不同系統(tǒng)無線信號相互之間的干擾應不影響各通信系統(tǒng)的工作性能。引入新的系統(tǒng)時，支路部分應能夠共用，干線部分的改造應盡量少。信號分布系統(tǒng)的功率分配、鏈路損耗至少應滿足GSM、3G等無線通信系統(tǒng)共同使用的要求。3）新建室內分布系統(tǒng)必須滿足WCDMA和DCS、WIFI等業(yè)務發(fā)展；4）室內分布系統(tǒng)必須考慮對所覆蓋車站的電梯、車庫、餐飲娛樂場所、候車室等公共活動區(qū)域進行覆蓋，并實現目標覆蓋區(qū)域內信號的均勻分布，避免與室外信號發(fā)生過多的切換，不能對外部網絡產生干擾。5）室內分布系統(tǒng)所采用的設備和器件必須符合相關技術要求，各個組成部分接口應標準化、獨立化，不同廠家的器件必須能夠互聯，以利于擇優(yōu)選型及統(tǒng)一維護。6）室內分布系統(tǒng)設計必須經過現場模擬測試，系統(tǒng)應能滿足國家有關環(huán)保要求，電磁輻射值滿足國標GB8702-88《電磁輻射防護規(guī)定》，采用的設備與材料及產生的物質對環(huán)境無污染，新增的設備達到環(huán)保部門對噪音指標的要求。7）室內分布系統(tǒng)拓撲結構應易于迭加與組合，方便后續(xù)改造。8）室內分布系統(tǒng)應做到結構簡單，工程實施容易，不影響目標建筑物