高速移動(dòng)列車無線組網(wǎng)方案

摘要:為滿足快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸需求，國(guó)家“十一五”規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及3個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)，時(shí)速高達(dá)380 km/h。隨著列車時(shí)速的不斷加快，車廂內(nèi)手機(jī)用戶通信時(shí)發(fā)生切換混亂、接通率低和掉話等現(xiàn)象，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨挑戰(zhàn)。文章立足于高鐵專網(wǎng)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)，基于高速移動(dòng)通信性能影響因素，采用分布式基站和一體化基站，提出一種高速鐵路組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵字:高速鐵路；基帶處理單元；射頻拉遠(yuǎn)單元；動(dòng)車組

英文摘要:In order to meet growing passenger needs for public transportation, a “four vertical and four horizontal” railway passenger system, as well as a three fast trains inter-city express system (with top speeds of 380km/h) has been proposed in the Eleventh Five-Year plan. However, with the increased top speeds of these modern trains, wireless coverage within them faces particular challenges. These include soft switching confusion of mobile phone users, low throughput rate, and call dropout. This paper presents some high-speed rail network solutions, taking into account the overall design objectives of high-speed rail networks, and effective factors of high-speed mobile communications which adopt distributed and integrated base stations.

英文關(guān)鍵字:high-speed railway; BBU; RRU; CRH train

1 高速移動(dòng)通信性能影響因素

1.1高速移動(dòng)帶來的問題

高鐵列車采用全封閉式車體結(jié)構(gòu)，且部分車采用金屬鍍膜玻璃，導(dǎo)致在無線傳輸中車體穿透損耗較大，信號(hào)衰減比普通列車大10 dB以上，特殊的材質(zhì)和極好的密閉性對(duì)手機(jī)信號(hào)的屏蔽會(huì)超過24 db以上，基站信號(hào)覆蓋范圍縮小為原來的1/5。當(dāng)損耗為30 dB時(shí)，相當(dāng)于信號(hào)在透過車體時(shí)只有原來千分之一的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)移動(dòng)用戶通信造成非常大的影響。為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號(hào)發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，要求更高的基站接收機(jī)靈敏度或者要求用戶終端(UE)的發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)。

超過300 km/h的時(shí)速將使用戶在非常短的時(shí)間內(nèi)穿過多個(gè)信號(hào)小區(qū)，引起用戶在通話過程中在不同的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)頻繁切換，會(huì)導(dǎo)致掉話等諸多問題。手機(jī)在不同基站間切換至少需要6 s，而全速行速的高鐵列車通過兩個(gè)基站的時(shí)間要經(jīng)常小于6 s，手機(jī)基本上無法完成切換。

當(dāng)行駛速度高達(dá)200 km/h甚至更高時(shí)，相較于正常狀態(tài)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率會(huì)從99%以上下降到84%左右，話音接通率會(huì)從原來96%以上下降到81%左右，掉話率也會(huì)從原來幾平為0上升到25%以上，其他話音指標(biāo)及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)指標(biāo)均會(huì)有不同程度的下降。

因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，特別是高速鐵路場(chǎng)景下，這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移。

1.2 3G業(yè)務(wù)面臨的挑戰(zhàn)

高速鐵路將是3G業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個(gè)重要場(chǎng)景。高速鐵路的覆蓋是整個(gè)3G覆蓋不能或缺的重要部分。許多高端的3G用戶經(jīng)常由于商務(wù)旅行的原因，需要在高速鐵路上使用各種移動(dòng)通信業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)不僅包括語音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、還有高速數(shù)據(jù)上下行業(yè)務(wù)。

由于高鐵主要的目標(biāo)客戶是商務(wù)出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語音或高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求較為明確。在人們連續(xù)乘坐高速列車的時(shí)候，特別希望能夠通過無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來排解旅途中的無聊與煩悶。這正是3G豐富多彩的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如手機(jī)網(wǎng)游、手機(jī)電視以及視頻通話等大顯身手的時(shí)候。為用戶提供高速上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是3G時(shí)代顯著的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，因此，快速發(fā)展的高速鐵路已成為移動(dòng)話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新熱點(diǎn)。上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量：一方面為了保證高速列車中用戶的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)接受質(zhì)量，抵御車廂的穿透損耗，基站間距需要盡可能縮短；而另一方面，為滿足切換的需要以及減少切換及小區(qū)重選的次數(shù)，基站間又要保持盡量長(zhǎng)的距離。

2 高速移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高速鐵路覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，充分研究鐵路發(fā)展趨勢(shì)，通常以最大穿透損耗的車型作為覆蓋優(yōu)化的目標(biāo)�；�站選址要合理，避免越區(qū)覆蓋產(chǎn)生，在保證覆蓋距離的情況下，盡可能與鐵路保持一定距離，克服多普勒效應(yīng)。盡量將沿線基站放在同一個(gè)基站控制器(BSC)或移動(dòng)交換中心(MSC)中，以減少M(fèi)SC間、BSC間的切換，避免過長(zhǎng)的切換時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量造成不利的影響。

2.1 充分發(fā)揮高速鐵路鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

對(duì)原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，根據(jù)高速鐵路線形覆蓋的特點(diǎn)，將小區(qū)結(jié)構(gòu)規(guī)劃成鏈形鄰區(qū)，并針對(duì)高速鐵路沿線的鏈形鄰區(qū)，讓用戶沿運(yùn)動(dòng)方向優(yōu)先切換到前向鏈形鄰區(qū)，這樣將盡可能減少切換次數(shù)，避免前后小區(qū)乒乓切換，也避免了側(cè)向小區(qū)的無序切換，提升切換效率，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量。

2.2 切換帶的規(guī)劃

切換帶的規(guī)劃一方面保證高速移動(dòng)的手機(jī)終端順利完成切換，同時(shí)要盡可能減少基站數(shù)量，降低投資，因此切換帶的設(shè)計(jì)要合理。根據(jù)快速切換算法觸發(fā)時(shí)間的估算，完成2次快速切換的時(shí)間為5～6 s，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中通常建議為7～8 s。

2.3 站型和天線的選擇

周邊用戶比較少的農(nóng)村區(qū)域，在鐵路比較筆直的場(chǎng)景下，優(yōu)先選擇高增益窄波瓣天線，基站覆蓋范圍大，切換次數(shù)少；對(duì)于市區(qū)、郊區(qū)、沿途有車站、鐵路有弧度區(qū)域適合選擇中等增益天線；功分器雖然增加了3.5 dB損耗，降低了基站覆蓋范圍，但是兩個(gè)扇區(qū)為同一個(gè)小區(qū)，減少了切換次數(shù)，并且不需要考慮天線前后比的問題，在合適的場(chǎng)景下可以考慮使用；8字形天線比較適合覆蓋直線鐵路。