京津城際高速鐵路2G覆蓋方案

1、京津城際高速鐵路GSM網(wǎng)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋專題報(bào)告李寧（中國聯(lián)通天津分公司）摘要： 文章針對(duì)時(shí)速高達(dá)350公里/小時(shí)的京津城際高鐵提出了GSM無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的背景及其意義；介紹了三種建設(shè)組網(wǎng)方案模式；針對(duì)天津聯(lián)通GSM網(wǎng)現(xiàn)網(wǎng)覆蓋情況提出了規(guī)劃方案。關(guān)鍵詞：高速鐵路 GSM 網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃1. 項(xiàng)目建設(shè)背景1.1 京津高鐵簡介北京、天津是我國的直轄市和特大城市，隨著京津鐵路客運(yùn)量劇增，年客流量已達(dá)到2555萬人次，預(yù)測(cè)2008年客流量將達(dá)到3200萬人次，2015年將達(dá)到5400萬人次。京津之間交通已成為制約兩地經(jīng)濟(jì)社會(huì)協(xié)調(diào)發(fā)展的瓶頸，為此，按照國家中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，國務(wù)院批準(zhǔn)建設(shè)京津城際鐵路客運(yùn)專線。目前京

2、津城際鐵路已進(jìn)入運(yùn)營階段，時(shí)速高達(dá)350公里/小時(shí)。京津高鐵目前全天開通47對(duì)、發(fā)車間隔15分鐘，客流量非常大。1.2 移動(dòng)通信情況在高速情況下手機(jī)用戶進(jìn)行通信時(shí)，由于受到高速移動(dòng)過程中的快衰落、多普勒效應(yīng)、列車材質(zhì)對(duì)無線信號(hào)衰減以及無主力覆蓋小區(qū)等影響，往往容易發(fā)生切換混亂、無法接通及掉話等現(xiàn)象。另外，鐵路沿線涉及的位置區(qū)過多，在LAC邊界處又會(huì)由于大量位置更新而造成SDCCH溢出。因此，必須通過在京津高鐵沿線新建小區(qū)，加強(qiáng)京津城際高速鐵路沿線覆蓋來解決上述問題，提高通信質(zhì)量。1.3 高鐵車體介紹CRH全稱為“中國高速鐵路列車”，CRH是（ChinaRailwayHigh-speed）英文字

3、母的縮寫。該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4個(gè)種類，其中CRH1、2、5均為200公里級(jí)別（營運(yùn)速度200KM/h，最高速度250KM/h）。 CRH3為300公里級(jí)別（營運(yùn)速度330KM/h，最高速度380KM/h）。而CRH2具有提升至300KM/h級(jí)別的能力。CRH列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗，目前京津高鐵采用的是CRH3型列車，車體損耗約10dB。各車型穿透損耗對(duì)照表車型普通車廂（dB）臥鋪車廂（dB）綜合考慮的衰減值T型列車1212K型列車131414CRH1列車（龐巴迪列車）2424CRH2列車1212CRH3列車

4、10102. 無線覆蓋主要問題2.1. 多普勒效應(yīng)當(dāng)電磁波發(fā)射源與接收器發(fā)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致所接收到的傳播頻率發(fā)生改變。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定閥值時(shí)，將會(huì)引起傳輸頻率的明顯改變，這稱之為多普勒頻移。公式如下所示：fd =/(2 *t) = ( / ) * cos上述公式將多普勒頻移與移動(dòng)速度以及移動(dòng)方向角和電波到達(dá)空間夾角聯(lián)系起來。如果移動(dòng)方向?yàn)榕c電波到達(dá)方向相同，多普勒頻移為正，則接收的頻率明顯增大；反之則會(huì)頻移為負(fù)。2.2. 多經(jīng)衰落根據(jù)信道特性變化率相對(duì)于信道傳輸率變化快慢，信道可以劃分為快速衰落以及慢速衰落，這里我們將主要討論快速衰落。隨著MS的快速移動(dòng)，不同相位和幅度的信號(hào)的疊加而

5、導(dǎo)致的接收信號(hào)波動(dòng)將更大。該快速衰落有時(shí)可以使信號(hào)強(qiáng)度在半個(gè)波長的周期里下降達(dá)30dB。在移動(dòng)環(huán)境中的快速衰落統(tǒng)計(jì)可以參考瑞利分布。在快衰落信道中，信道脈沖響在傳輸信號(hào)周期里快速變化。這樣便導(dǎo)致了多普勒傳播引起的頻散（也稱為時(shí)間選擇性衰減），使得信號(hào)失真。在GSM 里，為了保證一個(gè)良好的話音質(zhì)量，我們需要保證處理的多徑信號(hào)最好是在15us之內(nèi)，否則將會(huì)被系統(tǒng)處理成干擾信號(hào)。對(duì)于多徑衰落和多普勒效應(yīng)并不能孤立的分開分析，在GSM 規(guī)范中，均衡補(bǔ)償只涉及了250 公里/小時(shí)下農(nóng)村、城市地區(qū)和丘陵地形的衰減。但隨著速度的增快，對(duì)于信號(hào)的處理提出了更高的要求。下圖顯示了多徑衰落和多普勒效應(yīng)所造成信號(hào)電

6、平的急劇變化。信號(hào)的解碼處理需要通過增強(qiáng)的信號(hào)處理、高性能的解調(diào)來完成，其中的關(guān)鍵部件是高性能均衡器。在GSM-R 規(guī)范中通過改進(jìn)的均衡算法以及硬件指標(biāo)提升，基站可以處理到500km/h 的高速情況。對(duì)于MS 而言，由于與基站同步的原因，所以系統(tǒng)能否支持高速運(yùn)動(dòng)MS，主要取決于基站系統(tǒng)。2.3. 時(shí)間提前量根據(jù)GSM 規(guī)范定義，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的MS，評(píng)估信號(hào)的延遲滯后值時(shí)誤差必須小于一個(gè)symbol 周期，即1/4 比特，通過計(jì)算可以得出，目前的高速情況所引起的TA 測(cè)量誤差值在標(biāo)準(zhǔn)的允許值范圍內(nèi)。2.4. 切換問題對(duì)于高速移動(dòng)物體而言，高速的移動(dòng)會(huì)造成小區(qū)之間的快速切換。350 公里/小時(shí)的最

7、大列車運(yùn)行速度就是每秒移動(dòng)97 米，以目前天津的小區(qū)密度來說，這樣磁懸浮列車經(jīng)過沿途幾百米覆蓋范圍的小區(qū)就只有短短數(shù)秒。 原有的切換區(qū)域，小區(qū)距離就不適合了，所以切換區(qū)域的長度需要仔細(xì)地規(guī)劃，否則會(huì)對(duì)通信造成難以預(yù)計(jì)的困難，具體表現(xiàn)為切換容易失敗，同時(shí)由于原小區(qū)信號(hào)快速衰落，造成信號(hào)急劇惡化，引起掉話。在高速鐵路場(chǎng)景下，雙頻小區(qū)之間的相對(duì)移動(dòng)使雙頻之間的相對(duì)頻偏更大，直接影響雙頻小區(qū)間的切換性能，所以，要盡量避免高速場(chǎng)景下雙頻網(wǎng)間的切換。相鄰小區(qū)間必須有足夠的重疊長度保證高速條件下切換的安全進(jìn)行。信號(hào)檢測(cè)時(shí)間，測(cè)量值平均時(shí)間、切換執(zhí)行時(shí)間和安全冗余量都必須考慮，希望在自由空間傳播條件下重疊區(qū)域

8、的設(shè)置能夠確保切換成功；允許第一次切換失敗后，系統(tǒng)有充足的時(shí)間嘗試第二次切換。需要注意在重疊區(qū)域內(nèi)兩個(gè)小區(qū)的電平都應(yīng)該比所需的最小接收電平大。切換用小區(qū)所需重疊區(qū)域和最大速度以及成功切換處理所需時(shí)間有關(guān)。homin = Vmax Tho = 350km/h 7s = 680mOverlap 2 x homin所以必須保證高速路段的站間理想重疊覆蓋區(qū)域至少為1400 米，由于實(shí)際的電平衰減傳播并不理想，所以實(shí)際要求的重疊區(qū)域更大，相應(yīng)的站間距也有要求2.5. Idle模式分析小區(qū)選擇/重選：高速移動(dòng)物體同樣對(duì)小區(qū)選擇/重選提出了較高的要求。MS 要對(duì)每一個(gè)鄰近小區(qū)的BCCH 載頻的信號(hào)強(qiáng)度進(jìn)行連

9、續(xù)測(cè)量。當(dāng)發(fā)現(xiàn)新的小區(qū)發(fā)出的BCCH 載頻信號(hào)強(qiáng)度優(yōu)于原小區(qū)時(shí)，MS 將鎖定于這個(gè)新的小區(qū)，并繼續(xù)接收廣播消息及可能發(fā)給它的尋呼消息，直到它移向另一小區(qū)。由于MS 要不斷監(jiān)聽周圍的鄰小區(qū)，鄰小區(qū)的電平值隨MS 位置的變化快速變動(dòng)，雜亂的小區(qū)覆蓋，電平值的急劇變化會(huì)使手機(jī)在尚未搜索到正確的相鄰小區(qū)時(shí)，已經(jīng)連續(xù)經(jīng)過幾個(gè)小區(qū)，造成暫時(shí)脫網(wǎng)，有時(shí)候的表現(xiàn)將是連續(xù)不斷重選。位置區(qū)更新：高速鐵路如果經(jīng)過多個(gè)LAC 區(qū)域，當(dāng)手機(jī)經(jīng)過邊界時(shí)，所有的車內(nèi)移動(dòng)用戶將發(fā)生位置區(qū)更新。根據(jù)以前的地鐵經(jīng)驗(yàn)，如果許多用戶同時(shí)跨越LAC 區(qū)的邊界，那么將出現(xiàn)SDCCH 的擁塞，造成位置更新失敗，造成的現(xiàn)象就是用戶脫網(wǎng)并進(jìn)入

10、“搜索網(wǎng)絡(luò)”狀態(tài)。3. 建設(shè)組網(wǎng)方案模式針對(duì)上述無線覆蓋主要問題，有以下幾種模式解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題。3.1. 宏基站專網(wǎng)覆蓋模式考慮到350 公里/小時(shí)的列車最大速度對(duì)應(yīng)的是每秒97 米的移動(dòng)速度，只有通過合理的小區(qū)規(guī)劃才能得到滿意的覆蓋效果。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃期間，切換參數(shù)、切換重疊區(qū)域的長度，沿途傳播都需要仔細(xì)規(guī)劃。此外，由于對(duì)同一基站不同方向的小區(qū)而言，彼此的重疊區(qū)域只是依靠尾瓣覆蓋的小塊區(qū)域，所以我們并不希望切換發(fā)生在基站處。另外，我們還應(yīng)該在沿線盡可能減少切換數(shù)以保證系統(tǒng)的最好性能。所以，在專網(wǎng)覆蓋中我們提出復(fù)合小區(qū)概念。該概念是每個(gè)基站使用兩個(gè)定向天線，每個(gè)天線分別指向不同覆蓋方向。兩個(gè)天線由

11、一個(gè)功分器連接并且連到基站內(nèi)同一個(gè)發(fā)射機(jī)上，這樣一個(gè)基站的兩個(gè)天線統(tǒng)屬同一個(gè)小區(qū)。 該方案減少了沿線的切換次數(shù)，并且避免了切換在基站位置的切換。專網(wǎng)覆蓋沿途分層覆蓋，LAC 不同，獨(dú)立BSC。方案如下： 沿途高速鐵路小區(qū)和周圍小區(qū)不做切換關(guān)系，不做相鄰關(guān)系。 沿途高速鐵路小區(qū)只和相鄰TR 小區(qū)做切換及相鄰關(guān)系。 沿途高速鐵路小區(qū)CBQ 設(shè)為1（低優(yōu)先級(jí)）。 通過車站小區(qū)確保旅客進(jìn)出分層網(wǎng)絡(luò)。 沿途過程中，車內(nèi)手機(jī)開機(jī)并不能切入專網(wǎng)覆蓋小區(qū)，只能通過普通沿途小區(qū)覆蓋。3.2. 射頻拉遠(yuǎn)專網(wǎng)覆蓋模式1） 采用沿鐵路線專門組網(wǎng)的覆蓋思路，將鐵路列車考慮為一個(gè)話務(wù)流動(dòng)用戶群，為其提供一條服務(wù)質(zhì)量良好的

12、專用覆蓋通道，用戶群從車站出發(fā)，直至抵達(dá)目的站，用戶都附著在專用覆蓋網(wǎng)絡(luò)上，發(fā)生的話務(wù)/數(shù)據(jù)流也都為專用通道吸納，到達(dá)火車站后，重選/切換至車站或周邊小區(qū)，實(shí)現(xiàn)為用戶提供優(yōu)質(zhì)鐵路覆蓋服務(wù)。2） 對(duì)于GSM網(wǎng)絡(luò)，不僅僅要解決列車內(nèi)的弱信號(hào)覆蓋問題，還要解決覆蓋高鐵的小區(qū)間的切換問題，必須保證兩相鄰小區(qū)之間有足夠的重疊覆蓋區(qū)域完成兩小區(qū)間的切換；減少鐵路沿線小區(qū)位置更新的數(shù)量3） 減少高速運(yùn)行列車上的小區(qū)切換，盡可能延長單小區(qū)的覆蓋距離，采用基站+射頻拉遠(yuǎn)單元的組網(wǎng)方式；4）射頻拉遠(yuǎn)系統(tǒng)簡介GSM網(wǎng)絡(luò)的基站覆蓋距離取決于時(shí)間提前量TA，基站TA數(shù)值：0631個(gè)TA3.69sGSM規(guī)范中最大時(shí)延為2

13、33s，單向允許最大時(shí)延為233/2=116.5us又因?yàn)楣饫w傳輸時(shí)延約為無線空間時(shí)延的1.5倍，因此，可允許最大傳輸光程為116.5*300/1.5=23.3Km。由于信號(hào)在通過射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備時(shí)，會(huì)產(chǎn)生14s的時(shí)延。拉遠(yuǎn)設(shè)備允許傳輸光程為（116.5-14）*300/1.5=20.5Km拉遠(yuǎn)設(shè)備覆蓋半徑計(jì)算公式：拉遠(yuǎn)設(shè)備最大覆蓋半徑(116.5-14-(光纖實(shí)際傳輸距離*1.5)/300)*300m覆蓋范圍數(shù)據(jù)表：傳輸距離覆蓋半徑范圍20公里0.75公里19公里2.25公里18公里3.75公里17公里5.25公里16公里6.75公里15公里8.25公里14公里9.75公里由此可見，基站單向最大

14、傳輸拉遠(yuǎn)距離可達(dá)19公里，雙向可達(dá)38Km。單小區(qū)拉遠(yuǎn)距離除了TA限制外，還受到話務(wù)容量、頻率規(guī)劃、光纖資源及網(wǎng)絡(luò)設(shè)備可靠性等因素的限制。3.3. 微功率直放站列車內(nèi)覆蓋模式微功率直放站高鐵覆蓋解決方案在整個(gè)列車的每節(jié)列車車廂內(nèi)建一套室內(nèi)分布系統(tǒng)，在車廂頂部安裝一面全向天線，然后通過微功率直放站中繼放大后送入車廂內(nèi)的室內(nèi)分布天線。 車廂外采用10cm高的脊?fàn)钊蛱炀€，這種天線體積小、風(fēng)阻小、便于安裝；微功率直放站和功分器安裝在車頂夾層內(nèi)，車廂外的全向天線通過饋線與微功率直放站輸入端相連，直放站輸出端通過二功分與兩面室內(nèi)天線相連。CRH車廂長25m，兩面天線分別安裝在距離車體兩端6m左右的位置。

15、微功率直放站從車廂外收到較強(qiáng)的信號(hào)（3575dBm），放大后輸出15dBm的信號(hào)，然后通過功分器最終到達(dá)車廂內(nèi)天線口的功率為9dBm，這樣車廂內(nèi)手機(jī)信號(hào)接收電平可以控制在5070dBm之間，接收信號(hào)強(qiáng)且穩(wěn)定。4. 基站規(guī)劃方案本章主要針對(duì)天津聯(lián)通GSM網(wǎng)做出的宏蜂窩基站規(guī)劃，涉及基站數(shù)據(jù)來自天津聯(lián)通網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心。4.1. 規(guī)劃建議及覆蓋目標(biāo)4.1.1規(guī)劃建議建議采用1個(gè)LAC區(qū)的專網(wǎng)覆蓋模式，專網(wǎng)不能造成對(duì)公網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)造成負(fù)面影響。盡量利用現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源建設(shè)專網(wǎng)，并盡可能少的占用網(wǎng)絡(luò)資源，包括頻率資源、傳輸資源等。盡量減少高鐵上的小區(qū)切換，盡可能延長單小區(qū)的覆蓋距離。例如采用射頻拉遠(yuǎn)模式、小區(qū)

16、復(fù)合模式或其它技術(shù)。規(guī)劃時(shí)盡量考慮到3G覆蓋的共利用問題。4.1.2網(wǎng)絡(luò)覆蓋目標(biāo)邊緣覆蓋場(chǎng)強(qiáng)應(yīng)達(dá)到95%區(qū)域大于-90dBm。覆蓋區(qū)內(nèi)的95位置，99的時(shí)間移動(dòng)臺(tái)可接入網(wǎng)絡(luò)。CRH列車上應(yīng)達(dá)到95%區(qū)域通話質(zhì)量優(yōu)于3級(jí)。覆蓋CRH列車的基站平均掉話率應(yīng)小于1%，里程掉話率小于50KM/1次。4.2. 現(xiàn)網(wǎng)分析4.2.1測(cè)試條件路測(cè)設(shè)備：TEMS聯(lián)通測(cè)試方法：短呼號(hào)碼10011 時(shí)常40秒 間隔5秒（天津至北京）聯(lián)通測(cè)試方法：長呼、隨機(jī)呼叫，測(cè)試通話質(zhì)量（北京至天津）聯(lián)通測(cè)試號(hào)碼：130022900324.2.2測(cè)試情況匯總路線試呼次數(shù)接通次數(shù)掉話次數(shù)接通率掉話率覆蓋率話音質(zhì)量天津至北京3329

17、287.90%6.90%97.40%84.60%北京至天津75071.40%089.30%69.40%天津至北京切換統(tǒng)計(jì)情況： HANDOVER STATISTICS:HANDOVER attempts:40HANDOVER successes:33HANDOVER failures:7Unknown HANDOVER:0北京至天津切換統(tǒng)計(jì)情況： HANDOVER STATISTICS:HANDOVER attempts:34HANDOVER successes:33HANDOVER failures:1Unknown HANDOVER:04.2.3路測(cè)電平圖4.2.4整體測(cè)試感受時(shí)速300公

18、里以上，能保證正常切換（含跨LAC區(qū)及BSC切換）車體損耗不超過15dBm，全程覆蓋問題較小。在基站密集度較大區(qū)域因切換原因?qū)е碌耐ㄔ捹|(zhì)量問題較多。1800網(wǎng)絡(luò)因快衰落損耗造成的切換較多。4.3. 鏈路預(yù)算滿足95%區(qū)域移動(dòng)接入,車體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到-75dBm的情況下的下行鏈路預(yù)算如下:移動(dòng)臺(tái)天線高度(m)1.5 基站天線高度(m)30 覆蓋半徑(km)1.18 滿足95%區(qū)域移動(dòng)接入,車體內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)達(dá)到-80dBm的情況下的下行鏈路預(yù)算如下:移動(dòng)臺(tái)天線高度(m)1.5 基站天線高度(m)30 覆蓋半徑(km)1.64 由以上鏈路預(yù)算結(jié)果分析，考慮重疊區(qū)域等因素本次規(guī)劃基站平均站距2KM左右，在郊縣達(dá)

19、到1800M的連續(xù)覆蓋；詳細(xì)鏈路預(yù)算見附表GSM鏈路平衡預(yù)算和覆蓋距離工具。4.4. 規(guī)劃情況本次高速沿線規(guī)劃將新建20個(gè)基站，利舊10個(gè)基站，前期已規(guī)劃11個(gè)基站，共計(jì)41個(gè)基站；總投資估算約為2042萬元。圖中藍(lán)色十字為新建基站，綠色為利舊基站，黃色為已規(guī)劃基站。4.4.1基站規(guī)劃表序號(hào)區(qū)域基站名稱經(jīng)度緯度備注1北辰藍(lán)海商貿(mào)中心117.1837439.19677已規(guī)劃2北辰普濟(jì)河道橋117.1845639.18953已規(guī)劃3北辰北方汽貿(mào)園117.1793839.20403已規(guī)劃4北辰豐產(chǎn)河北117.1603239.22472已規(guī)劃5北辰第一殯儀館117.1430439.25308已規(guī)劃6河

20、北北寧公園117.2037539.16928已規(guī)劃7河北萬柳莊117.209139.1569已規(guī)劃8河北張興莊大街117.1988339.17944已規(guī)劃9河?xùn)|郵政大廈117.20739.1331已規(guī)劃10河?xùn)|新泰路117.2089739.148537已規(guī)劃11河?xùn)|大王莊供熱站117.2159139.12971已規(guī)劃12武清利尚屯116.8211239.605149新增13武清宋家場(chǎng)116.8351939.589806新增14武清小王古北116.8404939.569546新增15武清李莊116.8718739.533972新增16武清楊莊116.8836639.519356新增17武清大桃園北116.8971939.504873新增18武清南桃園116.9144539.492603新增19武清倉上東116