高鐵環(huán)境下CDMA通信網(wǎng)絡覆蓋解決方案研究

1、高鐵環(huán)境下CDMA通信網(wǎng)絡覆蓋解決方案研究1、概述 動車組列車具有密封性能好、車體穿透損耗高、運營速度快（最高運營時速350km）等特點，對列車內的移動通信質量影響較大。如何在高速移動條件下，提供良好的網(wǎng)絡服務質量成為當前鐵路沿線網(wǎng)絡建設和優(yōu)化的一個研究熱點。本文從列車穿透損耗、多普勒效應、高速移動對切換帶來影響等方面討論高速鐵路移動網(wǎng)絡覆蓋規(guī)劃及建設方案。2、高速鐵路對移動通信系統(tǒng)影響分析 動車組列車（CRH）由于車體結構變化及速度提升，對移動通信系統(tǒng)產(chǎn)生嚴重的影響，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：（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重；（2）車體密封性能好，穿透損耗大，列車內場

2、強較普通列車弱；（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)間重疊覆蓋距離增大，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、影響了語音及數(shù)據(jù)業(yè)務使用。2.1 多普勒頻移由于波源或觀察者相對于傳播介質的運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。通過計算，可以得到移動臺運動速度和相對頻率變化的關系，如下表所示：     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)，采用高通CSM5000和C

3、SM6700芯片。CSM5000芯片，工作頻率為800MHz，頻移的最大允許值為960Hz；CSM6700芯片，工作頻率為800MHz，頻移的最大允許值為1440Hz。     （2）對于EVDO Rev A系統(tǒng)，采用高通CSM6800芯片，工作頻率為800MHz，頻移的最大允許值為960Hz。     國內規(guī)劃中的高速鐵路最高設計時速為350km，根據(jù)計算，此時多普勒頻移為519Hz，遠小于系統(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，但影響并不嚴重，系統(tǒng)仍可以正常工作。  

4、   2.2 快衰落     國內建設的高速鐵路，最高時速為350km/h，工作于CDMA 800MHz時，其快衰落速率約為518Hz，衰落深度嚴重時可達2040dB。     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，而受由多徑效應產(chǎn)生的快衰落影響較小，故可以得出結論：快衰落不是影響高鐵性能的主要因素。     2.3 車體穿透損耗     國內運行的列車類型主要有

5、動車組列車、龐巴迪列車、其它類型的空調快車以及普通慢車。下表為國內運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。     根據(jù)測試統(tǒng)計，龐巴遞列車穿透損耗為2030dB（典型值為24dB），其它型號動車組及普通快客列車穿透損耗為1015dB。由于龐巴迪列車穿透損耗最大，因此在制定覆蓋方案進行鏈路預算時，以龐巴迪列車24dB的穿透損耗為基礎進行計算，一旦滿足龐巴迪列車的覆蓋要求，必然可以滿足其它類型列車的覆蓋要求。      2.4 切換與重選     以CD

6、MA系統(tǒng)為例，根據(jù)工程經(jīng)驗及理論分析，完成一次軟切換的時間為1s，完成一次跨交換機硬切換時間為5s。故完成一次切換，兩個基站重疊覆蓋區(qū)域長度應該大于2*V*T/3600（km），其中V（km/h）為終端移動速度，T為切換所需時間。     3、高速鐵路覆蓋解決方案      3.1 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，多普勒效應等原因引起。針對上述問題，主要有兩種覆蓋解決

7、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：進行必要的沿線基站調整或新建，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造成的掉話、話音質量差等問題。     （2）虛擬專網(wǎng)方案：新增加站點和小區(qū)。采取合理的專網(wǎng)覆蓋方式，可以減少切換次數(shù)，控制切換距離，提供可靠的網(wǎng)絡質量。     （3）結論     通過對現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)高鐵覆蓋方案簡要分析來看，虛擬專網(wǎng)與現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案各自特點如下表所示： 

8、           對比以上兩種方案的優(yōu)缺點，對于高速鐵路建議采取虛擬專網(wǎng)覆蓋解決方案。     3.2 虛擬專網(wǎng)方案關鍵技術     （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，會嚴重影響網(wǎng)絡質量。為減少移動終端在列車行駛過程中的切換頻度，需要在鐵路沿線建設以覆蓋鐵路為目的的帶狀虛擬專網(wǎng)。     關于鐵路覆蓋帶狀虛擬專網(wǎng)基站建設方式

9、主要有：宏站、宏站直放站以及BBURRU三種方式，建議采用BBURRU方式，其特點如下：     （a）BBU和RRU設備體積小、重量輕，易于運輸和工程安裝；     （b）有效擴大了基站的覆蓋距離，同一BBU下不同RRU在邏輯上是一個小區(qū)，從而減少切換次數(shù)；     （c）支持BBU和RRU分布式組網(wǎng)，組網(wǎng)方式靈活；     （d）網(wǎng)絡規(guī)劃簡單，RRU可以與其它相鄰基站統(tǒng)一進行PN碼規(guī)劃；    

10、; （e）RRU同時支持CDMA 1X和EVDO。     （2）多普勒頻移抑制方法     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降低來減小多普勒頻移的影響。但由于基站覆蓋半徑受上下行傳輸損耗限制，故基站不能離鐵路太遠，以免影響基站對鐵路的覆蓋效果?；谝陨显?，在站點允許情況下，建議站點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，

11、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，避免基站內部小區(qū)間切換     根據(jù)前面分析，影響網(wǎng)絡質量的主要原因是切換頻繁以及切換區(qū)域的設置問題。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小區(qū)，他們之間就不存在切換

12、問題，從而解決了同一基站內部不同小區(qū)間切換問題。     （5）調整天線方向角，以利于鐵路帶狀覆蓋     天線方向角設置以保證小區(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：     （a）

13、列車停靠站站臺附近的室內分布系統(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。在此處，大網(wǎng)用戶與專網(wǎng)用戶可以自由切換；     （b）除列車停靠站專網(wǎng)和大網(wǎng)的自有切換點外，其它大網(wǎng)小區(qū)與專網(wǎng)小區(qū)為不設切換關系。     （7）鏈路預算     為了確定鐵路沿線基站小區(qū)的有效覆蓋距離，本文進行了鏈路預算。下面以CDMA系統(tǒng)為例，給出了鏈路預算結果，并確定了單小區(qū)的覆蓋半徑。       

14、60;                                                         （8）容量計算 &#

15、160;   對于虛擬專網(wǎng)覆蓋方案，在鐵路沿線，專網(wǎng)與大網(wǎng)不發(fā)生重選和切換關系，故其只吸收鐵路上的業(yè)務量，專網(wǎng)基站配置相對較小。     列車行車“自動閉塞區(qū)間”為10公里，在20公里范圍內，單向僅一列列車，對于復線鐵路，最多同時有2列客車運行。     對于普通16節(jié)旅客列車，滿員人數(shù)約為1600人，考慮復線情況，則總客流量3200人。按超員20計算，則總客流量多于3840人；對于動車組列車，以CRH1型列車為例，單組滿員670人，動車組列車編組一般為兩組，滿員為1340人，考慮復線，則總客流

16、為2680人。     容量計算時，以CDMA網(wǎng)絡為例，并以普通列車的客流量為參考，單用戶話務量按0.02Erl計算，在列車上以手機持有率85，其中CDMA用戶占有率10來計算，則話務量計算公式及結果如下：     話務量客流量×手機持有率×CDMA用戶占有率×單用戶話務量     預測C網(wǎng)最大話務量3840×85×10×0.026.53Erl     （9）頻率及PN碼規(guī)劃     對于CDMA系統(tǒng)：專網(wǎng)基站和大網(wǎng)基站采用同頻組網(wǎng)方式，PN碼與大網(wǎng)整體規(guī)劃。     （10）BSC和LAC/RAC設置原則     高鐵優(yōu)化方案建設的目的除了加強鐵路沿線覆蓋強度外，另一個重要的目的就是優(yōu)化鐵路沿線位置區(qū)設置，合理的位置區(qū)設置可以減少位置區(qū)