高鐵環(huán)境下CDMA通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案研究
朱晨鳴, 李新
(江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院 南京 210006)
摘要：國內(nèi)鐵路不斷提速，現(xiàn)有移動通信網(wǎng)絡(luò)已不能適應(yīng)高鐵覆蓋要求，從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)性能下降。本文詳細(xì)介紹了高鐵對移動通信的影響因素，并針對CDMA網(wǎng)絡(luò)提出了虛擬專網(wǎng)覆蓋解決方案。
關(guān)鍵詞：高速鐵路；CDMA；虛擬專網(wǎng)
Study on CDMA Communication Coverage Solutions of High-speed Rail
Zhu Chen-ming, Li Xin
(Jiangsu Posts & Telecommunications Planning and Designing Institute CO, LTD, Nanjing, 210006)
Abstract: Along with the speed of rail increasing, the existing mobile communication network can not meet the requirements of high-speed rail coverage, resulting in decreased network performance. This paper describes the high-speed rail on the impact factors of mobile communication and propos a virtual private network coverage solution.
Keywords: high-speed; CDMA; virtual private network;
一 概述
從2006年到2010年，中國鐵路總投資12500億元，其中近80%用于高鐵建設(shè)，新增17000公里鐵路新線，其中客運(yùn)專線7000公里，主要有京滬、京廣、京哈、沈大、隴海等。
由于動車組列車（CRH）具有密封性能好、車體穿透損耗高、運(yùn)營速度快（最高運(yùn)營時(shí)速350km）等特點(diǎn)，其對列車內(nèi)的移動通信質(zhì)量影響較大。如何在高速移動條件下，提供良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量成為當(dāng)前鐵路沿線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)和優(yōu)化的一個(gè)研究熱點(diǎn)。
本文從列車穿透損耗，多普勒效應(yīng)、高速移動對切換帶來影響等方面討論高速鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃及建設(shè)方案。
二高速鐵路對移動通信系統(tǒng)影響分析
CRH列車由于車體結(jié)構(gòu)變化及速度提升，對移動通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：
（1）多普勒頻移和快衰落現(xiàn)象對CRH列車影響較普通列車嚴(yán)重；
（2）車體密封性能好，穿透損耗大，列車內(nèi)場強(qiáng)較普通列車弱；
（3）終端移動速度快，發(fā)生小區(qū)切換和重選而要求小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域增大，現(xiàn)有小區(qū)重疊覆蓋距離難以滿足需求；
（4）在高速環(huán)境下, 基站間正常切換/重選演變?yōu)轭l繁切換/重選、從而影響語音及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)使用。
1多普勒頻移
由于波源或觀察者相對于傳播介質(zhì)的運(yùn)動而使觀察者接收到波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。以下分兩種情況對多普勒頻移現(xiàn)象進(jìn)行討論。
（1）移動臺向基站方向移動，以CDMA 800MHz系統(tǒng)為例，假設(shè)移動臺速度為，基站發(fā)射頻率為，由于多普勒效應(yīng)影響，移動臺收到的頻率為，移動臺以 MHz向基站發(fā)射信號，基站收到的信號頻率為，則可以得到：
（1）
（2）
（2）對于移動臺遠(yuǎn)離基站方向移動的情況，同理可以得到：
（3）
（4）
通過計(jì)算，可以得到移動臺運(yùn)動速度和相對頻率變化的關(guān)系。
表1
終端移動速度與多普勒頻移的關(guān)系
移動速度(km/h) | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 |
頻率偏差(Hz) | 148 | 222 | 296 | 370 | 444 | 519 | 593 | 667 |
以CDMA 800MHz系統(tǒng)為例，分析多普勒頻移對通信系統(tǒng)的影響。
1）對于CDMA 1X系統(tǒng)，使用高通CSM5000和CSM6700芯片。
CSM5000芯片，當(dāng)工作頻率為800MHz時(shí)，其頻移的最大允許值為960Hz；而對于CSM6700芯片，當(dāng)工作頻率為800MHz時(shí)，其頻移的最大允許值為1440Hz。
2）對于EVDO Rev A系統(tǒng)，使用高通CSM6800芯片，其工作頻率為800MHz，其頻移的最大允許值為960Hz。
國內(nèi)建設(shè)中的高速鐵路最高設(shè)計(jì)時(shí)速為350km，此時(shí)多普勒頻移為519Hz，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)芯片的頻偏允許值，因此說多普勒頻移對CDMA系統(tǒng)有一定影響，但影響并不嚴(yán)重，系統(tǒng)仍可以正常工作。
2快衰落
國內(nèi)建設(shè)的高速鐵路，最高時(shí)速為350km，當(dāng)工作于CDMA 800MHz時(shí)，其快衰落速率約為518Hz，衰落深度嚴(yán)重時(shí)達(dá)20～40dB。
在高鐵覆蓋場景下，移動終端和基站間一般存在直射路徑，故接收端信號電平主要受路徑損耗影響較大，而受由多徑效應(yīng)產(chǎn)生的快衰落影響較小，故可以得出結(jié)論：快衰落不是影響高鐵性能的主要因素。
3車體穿透損耗
國內(nèi)運(yùn)行的列車類型主要有動車組列車、龐巴迪列車、其他類型的空調(diào)快車以及普通慢車。下表為國內(nèi)運(yùn)營的四種動車組列車基本概況，其中CRH1型動車組為龐巴迪列車。
表2 不同型號動車組列車基本概況
列車類型 | 運(yùn)營速度 | 最高速度 | 載客人數(shù) | 列車長度 | 列車材質(zhì) |
CRH1 | 200KM/h | 250KM/h | 670 | 213M | 不銹鋼 |
CRH2 | 200KM/h | 250KM/h | 610 | 201M | 中空鋁合金 |
CRH3 | 330KM/h | 380KM/h | 557 | 200M | 輕型鋁合金 |
CRH5 | 200KM/h | 250KM/h | 604 | 205M | 中空鋁合金 |
根據(jù)測試統(tǒng)計(jì)，龐巴遞列車穿透損耗為20～30dB（典型值為24dB），其他型號動車組及普通快客列車穿透損耗為10～15dB。由于龐巴迪列車穿透損耗最大，因此在制定覆蓋方案進(jìn)行鏈路預(yù)算時(shí)，以龐巴迪列車24dB的穿透損耗為基礎(chǔ)進(jìn)行計(jì)算，因?yàn)闈M足龐巴迪列車的覆蓋要求，必然可以滿足其他類型列車的覆蓋要求。
4切換與重選
以CDMA系統(tǒng)為例，根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)及理論分析，完成一次軟切換的時(shí)間為1s，完成一次跨交換機(jī)硬切換時(shí)間為5s。故完成一次切換，兩個(gè)基站間重疊覆蓋區(qū)域長度應(yīng)該大于（km），其中（km/h）為終端移動速度，為切換所需時(shí)間。
表3 終端移動速度與切換區(qū)域設(shè)置關(guān)系
終端速度(km/h) | 100 | 150 | 200 | 250 | 300 | 350 | 400 | 450 |
軟切換區(qū)域（m） | 28 | 42 | 56 | 69 | 83 | 97 | 111 | 125 |
軟覆蓋重疊區(qū)域（m） | 56 | 83 | 111 | 139 | 167 | 194 | 222 | 250 |
硬切換區(qū)域（m） | 139 | 208 | 278 | 347 | 417 | 486 | 556 | 625 |
硬覆蓋重疊區(qū)域（m） | 278 | 417 | 556 | 694 | 833 | 972 | 1111 | 1250 |
三 高速鐵路覆蓋解決方案
1方案選擇
根據(jù)前面理論分析、動車組列車無線覆蓋面臨的諸多問題主要是由于移動臺高速移動帶來的終端在不同小區(qū)間頻繁切換，車體穿透損耗增大，多普勒效應(yīng)等原因引起。針對上述問題，主要有兩種覆蓋解決方案：現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化與虛擬專網(wǎng)方案。
1）現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案：進(jìn)行必要的沿線基站調(diào)整或新建，以最少的基站主力覆蓋鐵路，盡量減少切換次數(shù)，以此解決切換不及時(shí)造成的掉話、話音質(zhì)量差等問題；
2）虛擬專網(wǎng)方案：在高鐵沿線新建基站和小區(qū)。通過鄰區(qū)關(guān)系設(shè)置，只有用于高鐵覆蓋的小區(qū)間才存在鄰區(qū)關(guān)系，而這些小區(qū)不與大網(wǎng)小區(qū)設(shè)置鄰區(qū)關(guān)系，從而割裂了高鐵覆蓋小區(qū)與大網(wǎng)小區(qū)間的聯(lián)系，使高鐵覆蓋小區(qū)在邏輯上獨(dú)立于大網(wǎng)，成為一種邏輯上的專網(wǎng)——虛擬專網(wǎng)。高鐵上的移動終端，只在虛擬專網(wǎng)小區(qū)間發(fā)生小區(qū)切換和重選，從而有效控制并減少小區(qū)切換和重選次數(shù)。由于專網(wǎng)小區(qū)間距離是由鏈路預(yù)算嚴(yán)格計(jì)算出來的，可以有效地控制切換距離，從而可以為高鐵上的用戶提供可靠的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量保證；
3）結(jié)論
通過上述對現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)兩種高鐵覆蓋方案簡要分析來看，虛擬專網(wǎng)與現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化各自特點(diǎn)如下：
虛擬專網(wǎng)：
Ø
專網(wǎng)信號只覆蓋鐵路，要求對信號有很好的控制;
Ø
專網(wǎng)不吸收大網(wǎng)業(yè)務(wù);
Ø
設(shè)計(jì)較復(fù)雜，投資增加;
Ø
高低速兩網(wǎng)分離，網(wǎng)間關(guān)聯(lián)小，對現(xiàn)網(wǎng)原有覆蓋影響小;
Ø
獨(dú)立執(zhí)行各項(xiàng)檢測、優(yōu)化及未來升級.
現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化：
Ø
現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化與大網(wǎng)融為一體;
Ø
減少與外網(wǎng)鄰區(qū)關(guān)系，但一般還保留與大網(wǎng)主要相鄰關(guān)系;
Ø
投資小，復(fù)雜性低，見效快;
Ø
網(wǎng)絡(luò)性能可能不穩(wěn)定；系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置有高低速不同.
除了以上區(qū)別，這兩種方案還有一定的共同點(diǎn)：
Ø
覆蓋設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相同，兩者都基于高速列車的特點(diǎn)提出了覆蓋深度的要求，標(biāo)準(zhǔn)基本相同;
Ø
兩者都要求形成簡潔清晰的主覆蓋信號序列.
權(quán)衡各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對于高速鐵路建議采取虛擬專網(wǎng)覆蓋解決方案。
2虛擬專網(wǎng)方案關(guān)鍵技術(shù)
（1）鐵路覆蓋帶狀虛擬專網(wǎng)
列車行使過程中發(fā)生頻繁切換，會嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。為減少移動終端在列車行駛過程中的切換頻度，在鐵路沿線建設(shè)以覆蓋鐵路為目的的帶狀虛擬專網(wǎng)，通過對帶狀專網(wǎng)的各個(gè)小區(qū)的位置及天線等參數(shù)的合理配置，一方面可以使快速移動終端首選在這個(gè)虛擬專網(wǎng)內(nèi)部小區(qū)之間切換，這樣可以減少切換次數(shù)，另一方面，由于專網(wǎng)各小區(qū)間距離通過鏈路預(yù)算得到，有效地保證了兩個(gè)小區(qū)之間切換區(qū)域，從而滿足高速移動對切換區(qū)域的要求。
圖1 鐵路沿線小區(qū)帶狀覆蓋示意圖
關(guān)于鐵路覆蓋虛擬專網(wǎng)基站建設(shè)方式主要有：宏站、宏站+直放站以及BBU+RRU三種方式，建議采用BBU+RRU方式，其優(yōu)勢如下：
Ø
BBU和RRU設(shè)備體積小、重量輕，易于工程安裝；
Ø
有效擴(kuò)大了基站的覆蓋距離，同一BBU下不同RRU在邏輯上是一個(gè)小區(qū)，從而減少切換次數(shù)；
Ø
組網(wǎng)方式靈活，支持BBU和RRU分布式組網(wǎng)；
Ø
網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃簡單，RRU可以與其他相鄰基站統(tǒng)一進(jìn)行PN碼規(guī)劃；
Ø
RRU同時(shí)支持CDMA 1X和EVDO。
（2）抑制多普勒頻移的方法
下圖中，為火車速度，為火車相對基站的徑向速度，為基站與鐵路的垂直距離，為基站的覆蓋半徑，則：
（5）
圖2 終端相對基站徑向速度與終端物理速度間的關(guān)系
根據(jù)上面公式，多普勒頻移可以通過拉大站址和軌道間的距離，使列車相對基站的移動速度變小來減小多普勒頻移的影響。但由于基站的覆蓋半徑受上下行傳輸損耗限制，故基站不能離鐵路太遠(yuǎn)，以免影響基站對鐵路的覆蓋效果�；谝陨显颍谡军c(diǎn)允許情況下，建議站點(diǎn)距鐵路垂直距離大于50m，小于150m。
（3）采用高增益天線，增加基站的有效覆蓋范圍
采用高增益天線，可以有效提高基站的覆蓋范圍，使不同基站之間的小區(qū)覆蓋重疊區(qū)域滿足高速移動對切換區(qū)域大小的要求，另一方面，由于高增益天線水平波瓣角小，從而可以有效控制專網(wǎng)小區(qū)信號外泄，降低對大網(wǎng)的影響。
（4）采用功分器，來避免基站內(nèi)部小區(qū)間切換
根據(jù)前面分析，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要原因是切換頻繁以及切換區(qū)域的設(shè)置問題。由于同一基站不同小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)無法保證列車高速移動對切換區(qū)域大小要求。因此引入功分器，把一個(gè)小區(qū)的功率用功分器平均分成兩部分，然后用兩幅天線輻射出去，而兩幅天線輻射的信號來自一個(gè)小區(qū)，他們之間就不存在切換問題，從而解決了同一基站內(nèi)部不同小區(qū)間切換問題。
（5）調(diào)整天線方向角，以利于鐵路帶狀覆蓋
天線方向角設(shè)置以保證小區(qū)信號完全覆蓋鐵路為主。在鐵路直道處同一小區(qū)兩扇區(qū)間夾角設(shè)為160度。在鐵路彎道處，方向角的大小根據(jù)鐵路的彎道角度具體情況而定。原則是保證小區(qū)的兩個(gè)扇區(qū)信號主要覆蓋鐵路。
（6）切換方案
高速鐵路覆蓋采用虛擬專網(wǎng)覆蓋方案。其切換方案如下。
Ø
列車停靠站站臺附近的室內(nèi)分布系統(tǒng)或主覆蓋站臺的宏站小區(qū)與覆蓋車站的虛擬專網(wǎng)小區(qū)為大網(wǎng)與專網(wǎng)的自由切換點(diǎn)。在此處，大網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶可以自由切換；
Ø
除列車�？空緦＞W(wǎng)和大網(wǎng)的自有切換點(diǎn)外，其他大網(wǎng)小區(qū)與專網(wǎng)小區(qū)為不設(shè)切換關(guān)系。
（7）鏈路預(yù)算
為了確定鐵路沿線基站小區(qū)的有效覆蓋距離，本文進(jìn)行了鏈路預(yù)算。下面以CDMA系統(tǒng)為例，給出了鏈路預(yù)算結(jié)果，并確定了單小區(qū)的覆蓋半徑。
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本帖最后由 yifan165 于 2010-12-16 10:17 編輯 ]
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