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(guó)內(nèi)鐵路不斷提速，現(xiàn)有移動(dòng)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(duì)移動(dòng)通信的影響因素，并針對(duì)CDMA網(wǎng)絡(luò)提出了虛擬專(zhuān)網(wǎng)覆蓋解決方案。
關(guān)鍵詞：高速鐵路；CDMA；虛擬專(zhuān)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(guó)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(zhuān)線7000公里，主要有京滬、京廣、京哈、沈大、隴海等。
由于動(dòng)車(chē)組列車(chē)（CRH）具有密封性能好、車(chē)體穿透損耗高、運(yùn)營(yíng)速度快（最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速350km）等特點(diǎn)，其對(duì)列車(chē)內(nèi)的移動(dòng)通信質(zhì)量影響較大。如何在高速移動(dòng)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(chē)穿透損耗，多普勒效應(yīng)、高速移動(dòng)對(duì)切換帶來(lái)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(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)影響分析
CRH列車(chē)由于車(chē)體結(jié)構(gòu)變化及速度提升，對(duì)移動(dòng)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(duì)CRH列車(chē)影響較普通列車(chē)嚴(yán)重；
（2）車(chē)體密封性能好，穿透損耗大，列車(chē)內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)較普通列車(chē)弱；
（3）終端移動(dòng)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(yǔ)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(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱(chēng)為多普勒效應(yīng)。以下分兩種情況對(duì)多普勒頻移現(xiàn)象進(jìn)行討論。
（1）移動(dòng)臺(tái)向基站方向移動(dòng)，以CDMA 800MHz系統(tǒng)為例，假設(shè)移動(dòng)臺(tái)速度為，基站發(fā)射頻率為，由于多普勒效應(yīng)影響，移動(dòng)臺(tái)收到的頻率為，移動(dòng)臺(tái)以 MHz向基站發(fā)射信號(hào)，基站收到的信號(hào)頻率為，則可以得到：
（1）
（2）
（2）對(duì)于移動(dòng)臺(tái)遠(yuǎn)離基站方向移動(dòng)的情況，同理可以得到：
（3）
（4）
通過(guò)計(jì)算，可以得到移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)速度和相對(duì)頻率變化的關(guān)系。
表1
終端移動(dòng)速度與多普勒頻移的關(guān)系
移動(dòng)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(duì)通信系統(tǒng)的影響。
1）對(duì)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(duì)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(duì)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(guó)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(shuō)多普勒頻移對(duì)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(guó)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(chǎng)景下，移動(dòng)終端和基站間一般存在直射路徑，故接收端信號(hào)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(chē)體穿透損耗
國(guó)內(nèi)運(yùn)行的列車(chē)類(lèi)型主要有動(dòng)車(chē)組列車(chē)、龐巴迪列車(chē)、其他類(lèi)型的空調(diào)快車(chē)以及普通慢車(chē)。下表為國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)的四種動(dòng)車(chē)組列車(chē)基本概況，其中CRH1型動(dòng)車(chē)組為龐巴迪列車(chē)。
表2 不同型號(hào)動(dòng)車(chē)組列車(chē)基本概況
列車(chē)類(lèi)型 | 運(yùn)營(yíng)速度 | 最高速度 | 載客人數(shù) | 列車(chē)長(zhǎng)度 | 列車(chē)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(cè)試統(tǒng)計(jì)，龐巴遞列車(chē)穿透損耗為20～30dB（典型值為24dB），其他型號(hào)動(dòng)車(chē)組及普通快客列車(chē)穿透損耗為10～15dB。由于龐巴迪列車(chē)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(chē)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(chē)的覆蓋要求，必然可以滿足其他類(lèi)型列車(chē)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(zhǎng)度應(yīng)該大于（km），其中（km/h）為終端移動(dòng)速度，為切換所需時(shí)間。
表3 終端移動(dòng)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(dòng)車(chē)組列車(chē)無(wú)線覆蓋面臨的諸多問(wèn)題主要是由于移動(dòng)臺(tái)高速移動(dòng)帶來(lái)的終端在不同小區(qū)間頻繁切換，車(chē)體穿透損耗增大，多普勒效應(yīng)等原因引起。針對(duì)上述問(wèn)題，主要有兩種覆蓋解決方案：現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化與虛擬專(zhuān)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(wèn)題；
2）虛擬專(zhuān)網(wǎng)方案：在高鐵沿線新建基站和小區(qū)。通過(guò)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(zhuān)網(wǎng)——虛擬專(zhuān)網(wǎng)。高鐵上的移動(dòng)終端，只在虛擬專(zhuān)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(zhuān)網(wǎng)小區(qū)間距離是由鏈路預(yù)算嚴(yán)格計(jì)算出來(lái)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(guò)上述對(duì)現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專(zhuān)網(wǎng)兩種高鐵覆蓋方案簡(jiǎn)要分析來(lái)看，虛擬專(zhuān)網(wǎng)與現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化各自特點(diǎn)如下：
虛擬專(zhuān)網(wǎng)：
Ø
專(zhuān)網(wǎng)信號(hào)只覆蓋鐵路，要求對(duì)信號(hào)有很好的控制;
Ø
專(zhuān)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(duì)現(xiàn)網(wǎng)原有覆蓋影響小;
Ø
獨(dú)立執(zhí)行各項(xiàng)檢測(cè)、優(yōu)化及未來(lái)升級(jí).
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(jiàn)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(chē)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(jiǎn)潔清晰的主覆蓋信號(hào)序列.
權(quán)衡各個(gè)方案的優(yōu)缺點(diǎn)，對(duì)于高速鐵路建議采取虛擬專(zhuān)網(wǎng)覆蓋解決方案。
2虛擬專(zhuān)網(wǎng)方案關(guān)鍵技術(shù)
（1）鐵路覆蓋帶狀虛擬專(zhuān)網(wǎng)
列車(chē)行使過(guò)程中發(fā)生頻繁切換，會(huì)嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。為減少移動(dòng)終端在列車(chē)行駛過(guò)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(zhuān)網(wǎng)，通過(guò)對(duì)帶狀專(zhuān)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(dòng)終端首選在這個(gè)虛擬專(zhuān)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(zhuān)網(wǎng)各小區(qū)間距離通過(guò)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(dòng)對(duì)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(zhuān)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(shì)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(jiǎn)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(chē)速度，為火車(chē)相對(duì)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(duì)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(guò)拉大站址和軌道間的距離，使列車(chē)相對(duì)基站的移動(dòng)速度變小來(lái)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(duì)鐵路的覆蓋效果�；谝陨显�，在站點(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(dòng)對(duì)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(zhuān)網(wǎng)小區(qū)信號(hào)外泄，降低對(duì)大網(wǎng)的影響。
（4）采用功分器，來(lái)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(wèn)題。由于同一基站不同小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)無(wú)法保證列車(chē)高速移動(dòng)對(duì)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(hào)來(lái)自一個(gè)小區(qū)，他們之間就不存在切換問(wèn)題，從而解決了同一基站內(nèi)部不同小區(qū)間切換問(wèn)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(hào)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(hào)主要覆蓋鐵路。
（6）切換方案
高速鐵路覆蓋采用虛擬專(zhuān)網(wǎng)覆蓋方案。其切換方案如下。
Ø
列車(chē)停靠站站臺(tái)附近的室內(nèi)分布系統(tǒng)或主覆蓋站臺(tái)的宏站小區(qū)與覆蓋車(chē)站的虛擬專(zhuān)網(wǎng)小區(qū)為大網(wǎng)與專(zhuān)網(wǎng)的自由切換點(diǎn)。在此處，大網(wǎng)用戶與專(zhuān)網(wǎng)用戶可以自由切換；
Ø
除列車(chē)�？空緦�(zhuān)網(wǎng)和大網(wǎng)的自有切換點(diǎn)外，其他大網(wǎng)小區(qū)與專(zhuān)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。
[
本帖最后由 yifan165 于 2010-12-16 10:17 編輯 ]
關(guān)注樓主