WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)對高速鐵路的覆蓋

4-WCDMA無線網(wǎng)絡(luò)對高速鐵路的覆蓋鐵路提速目前，全國鐵路營運里程為7.6萬公里，到2010年，全國鐵路營運里程將達到8.5萬公里。隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展，鐵路運輸系統(tǒng)承擔(dān)起越來越多的客流運送任務(wù)。自2007年4月18日起，中國鐵路經(jīng)過六次大提速，內(nèi)燃機車、電力機車、動車組，車型不斷更新?lián)Q代，主要鐵路干線時速達到200km/h，全國范圍內(nèi)也出現(xiàn)了很多時速超過200km/h的路段，而超過200km/h的高速鐵路也正在動工建設(shè)。近年來我國高速鐵路建設(shè)事業(yè)飛速發(fā)展，多條城際快速鐵路和高速客運專線已開通運營，還有大量的客運專線正在建設(shè)或列入十一五規(guī)劃，可以預(yù)見，未來幾年高速鐵路將成為我國地面客運的主流。動車組鐵路提速的同時引入了動車組這一概念，全稱為“中國高速鐵路列車”，分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4個種類。CRH1、2、5營運速度200KM/h，最高速度250KM/h，其中CRH2和CRH5具備提速至300KM/h的條件；CRH3營運速度330KM/h，最高速度380KM/h。動車組分類介紹情況如下表示：列車類型運營速度最高速度具備條件載客人數(shù)列車長度列車材質(zhì)CRH12250km/h670213.5M不銹鋼CRH2200km/h250km/h300km/h610204.9M中空鋁合金CRH3330km/h380km/h600200.0M暫無CRH5200km/h250km/h300km/h604211.5M中空鋁合金高鐵覆蓋的技術(shù)難點由于高速鐵路的列車高速運行、車廂材質(zhì)不同，且全線多經(jīng)山區(qū)、隧道和丘陵，因此對高速鐵路的覆蓋主要存在以下技術(shù)難點：列車穿透損耗高速列車為了適應(yīng)高速運行的要求，在密封性和車廂材質(zhì)方面都有了新的變化，對穿透損耗有很大的影響，因此在相同的條件下，高速列車內(nèi)的接收電平遠低于普通列車。不同車體對無線信號的穿透損耗差別很大，如下表所示。車型普通車廂（dB）臥鋪車廂（dB）播音室中間過道（dB）綜合考慮的衰減值T型列車12－1612K型列車13141614龐巴迪列車24－－24CRH2列車10－－10多普勒頻移當(dāng)終端在移動中通信時，特別是在高速情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移，用戶移動方向和電磁波傳播的方向相同時，多普勒頻移最大；完全垂直時，沒有多普勒頻移。多普勒頻移對于接收機接收性能有一定的影響，主要是降低了接收的靈敏度。以下為系統(tǒng)通信時的頻移產(chǎn)生示意圖。隨著車速的不斷提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯：1）多普勒頻移的存在，導(dǎo)致基站和手機的相干解調(diào)性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。2）因為對于手機是一倍的多普勒頻移，而對基站是二倍的多普勒頻移，所以，多普勒頻移對基站的影響更大。3）根據(jù)理論分析和仿真測試，當(dāng)列車時速為300公里左右時，系統(tǒng)性能有比較明顯的惡化，而列車時速為600公里及以上時，手機就無法解出相鄰小區(qū)的信息了。車速與多普勒頻偏的關(guān)系如下表所示。車速（Km/h）最大多普勒頻偏（Hz）120480參數(shù)和鏈路預(yù)算結(jié)果，通過泄露電纜WCDMA信號一般可覆蓋500m。一般建議每公里設(shè)置一個RRU/光纖直放站，分兩個方向接入泄露電纜。橋梁覆蓋對于長度在2公里以內(nèi)的橋梁，可選擇在兩端橋頭附近建設(shè)站點，天線設(shè)置位置應(yīng)可視通橋梁。對于跨越大江大河、跨度較長的橋梁，長度達幾公里，由于橋體中間及橋外無法設(shè)置基站，可利用橋上的電桿架空安裝泄露電纜。一般建議每公里設(shè)置一個RRU/光纖直放站，分兩個方向接入泄露電纜。高鐵覆蓋的組網(wǎng)方式目前高速鐵路覆蓋的主要組網(wǎng)方式有公網(wǎng)覆蓋和專網(wǎng)覆蓋兩種，這兩種組網(wǎng)方式各有優(yōu)略。公網(wǎng)覆蓋主要是對現(xiàn)網(wǎng)基站進行調(diào)整，適應(yīng)高速列車的運行要求，達到增強覆蓋、改善重選切換效率的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法。常用的方法包括天線調(diào)整、分裂專用覆蓋小區(qū)、加裝基站放大器、加裝直放站等，現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整方案中用于鐵路覆蓋的小區(qū)同時還會為鐵路鄰近區(qū)域的一些用戶提供覆蓋服務(wù)。公網(wǎng)覆蓋的優(yōu)點是：充分利用現(xiàn)有基站資源，節(jié)省了投資，見效快。缺點是：覆蓋效果差，小區(qū)多、切換次數(shù)較多，位置區(qū)更新較多，掉話率高，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。因為高速移動場景的無線參數(shù)設(shè)置與常規(guī)不同，為了克服多普勒頻移和小區(qū)快速切換等因素的影響，高速鐵路覆蓋的站點通常要設(shè)置特殊的切換算法和參數(shù)指標(biāo)，因此公網(wǎng)難以同時兼顧高速移動場景和周邊普通場景的參數(shù)設(shè)置需求；同時，高速鐵路和周邊區(qū)域的規(guī)劃優(yōu)化需求不同，兩者互相牽制，造成規(guī)劃及優(yōu)化難度加大，維護成本高。采用公網(wǎng)覆蓋時，鐵路沿線會同時受到多個不同小區(qū)的覆蓋，高速列車在移動過程中速度較快，會頻繁穿越于不同的小區(qū)進行小區(qū)切換，因此就很難保證有足夠的重疊覆蓋區(qū)域來實現(xiàn)小區(qū)切換，加大切換失敗率和掉話率。專網(wǎng)覆蓋是指利用多個RRU級聯(lián)或數(shù)字射頻拉遠系統(tǒng)、光纖直放站遠端組成一個小區(qū)實現(xiàn)單小區(qū)長距離連續(xù)覆蓋的鐵路專用覆蓋網(wǎng)，僅在車站、鐵路交叉點等與大網(wǎng)設(shè)置切換關(guān)系。其優(yōu)點是：延長了單小區(qū)覆蓋范圍，減少了覆蓋小區(qū)的數(shù)目，減少了小區(qū)切換次數(shù)，降低了掉話率；用戶駐留同一小區(qū)的時間延長，可以提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)提供能力；減少位置區(qū)更新；通過物理設(shè)備及參數(shù)配置，保證了專網(wǎng)與公網(wǎng)的分離，能最大程度上滿足高速場景下的覆蓋要求；目前各設(shè)備廠家都有針對高速條件下獨特的算法和解決方案，通過專網(wǎng)系統(tǒng)即可為高速移動場景配置特別的無線參數(shù)及算法，又不會造成對大網(wǎng)的影響。其缺點是：需為高速鐵路覆蓋增設(shè)新的設(shè)備，投資大，工程周期較長。就WCDMA網(wǎng)絡(luò)而言，對于高速鐵路穿越的城區(qū)，周邊區(qū)域較繁華、話務(wù)量多、現(xiàn)有站點較多的，可結(jié)合目前的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量情況，采取現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化調(diào)整的方式；對于高速鐵路穿越的郊區(qū)農(nóng)村，周邊區(qū)域一般、話務(wù)量較少、現(xiàn)有站點較少、干擾比較少或隧道比較多的，可考慮采用專網(wǎng)進行覆蓋；為保證高速數(shù)據(jù)用戶的體驗，提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)能力，建議優(yōu)先采用專網(wǎng)方案。現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整與專網(wǎng)覆蓋需有機融合，最重要的是建設(shè)一條完善的鏈狀覆蓋，對于比較長的高速鐵路，兩種覆蓋手段可以綜合使用。對于專網(wǎng)方案，RNC/RAC區(qū)域的設(shè)置原則如下：1)高鐵專網(wǎng)覆蓋小區(qū)、火車站分布系統(tǒng)及火車站周圍基站應(yīng)歸屬同一個RNC/RAC，使位置更新分散發(fā)生在周邊基站，減輕火車站小區(qū)的信令負(fù)荷，改善網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。2)同一本地網(wǎng)內(nèi)的高鐵覆蓋小區(qū)配置在同一個RNC/RAC下，將RNC和RAC邊界設(shè)置于低速路段、話務(wù)量少的區(qū)域。3)一省內(nèi)不同本地網(wǎng)內(nèi)的高鐵覆蓋專網(wǎng)建議為同一個廠家，保證覆蓋水平和切換質(zhì)量。高鐵覆蓋的設(shè)備選取設(shè)備類型選取目前不同的設(shè)備廠家主推的設(shè)備類型不同，但針對高速鐵路的覆蓋，主流的設(shè)備廠家主要有以下幾種產(chǎn)品：宏基站、分布式基站和數(shù)字光纖直放站等。宏基站宏基站是傳統(tǒng)的基站設(shè)備類型，其優(yōu)點主要是容量大、功率大、覆蓋距離遠；其缺點主要是設(shè)備占地面積較大、對機房、配套要求較高，且無法進行小區(qū)級聯(lián)對傳輸要求較高。由于高速鐵路沿線主要采用的是兩扇區(qū)的站型，如果采用宏基站進行長距離組網(wǎng)時，列車會頻繁的在小區(qū)切換帶上穿過，不僅會增大信令負(fù)荷也會增大掉話率，同時隧道內(nèi)由于涵洞空間有限，很難滿足宏基站及其配套對空間的要求。分布式基站分布式基站是新型的設(shè)備類型，其主要優(yōu)點是組網(wǎng)靈活、設(shè)備占地面積較小、對配套要求較低、采用光線傳輸損耗較小可進行長距離的拉遠覆蓋，同時可進行多小區(qū)的同Cell級聯(lián)增大小區(qū)覆蓋半徑，降低切換頻率，且設(shè)備穩(wěn)定性較好；其缺點主要是載頻價格相對較為昂貴。高速鐵路覆蓋面臨最主要的難題就是小區(qū)切換，采用分布式基站進行組網(wǎng)可以較好的克服這個難題。目前，部分廠商的分布式基站已支持多小區(qū)的級聯(lián)。通過光纖的拉遠，可以擴大小區(qū)的覆蓋半徑，減少了跨小區(qū)切換的次數(shù)，可以降低切換失敗率。同時，由于分布式基站設(shè)備小巧、對機房配套要求不高，因此，在隧道內(nèi)亦可采用這種設(shè)備。數(shù)字光纖直放站數(shù)字光纖直放站是將RF信號經(jīng)變頻處理變?yōu)橹蓄l數(shù)字信號，再通過光纖拉遠進行傳輸。同分布式基站一樣，數(shù)字光纖直放站也可作為高速鐵路覆蓋系統(tǒng)的信號源，選用哪一種取決于宏基站的載頻數(shù)量和所負(fù)載的業(yè)務(wù)量。如果宏基站載頻多、容量很富裕，用數(shù)字光纖直放站拉遠更合適，同時可減少扇區(qū)擾碼。高鐵覆蓋不宜單一采用數(shù)字光纖直放站作為信源，可以考慮數(shù)字光纖直放站、RRU和宏基站的聯(lián)合組網(wǎng)。高鐵覆蓋的站點設(shè)置小區(qū)重疊覆蓋距離在WCDMA通信事件中，小區(qū)重選與小區(qū)切換需要一定的時間來完成接續(xù)工作。其中小區(qū)重選規(guī)則中，當(dāng)手機測量到鄰小區(qū)C2高于服務(wù)小區(qū)C2值且維持0.8秒鐘，手機將發(fā)起小區(qū)重選，若在跨位置區(qū)處，則鄰小區(qū)C2必須高于服務(wù)小區(qū)C2與CRH設(shè)置值的和且維持0.8秒鐘，手機發(fā)起小區(qū)重選和位置更新。小區(qū)重疊區(qū)域示意圖假定重疊區(qū)域覆蓋是均勻的，在上圖中，點A、C和點B、D分別是兩個小區(qū)的邊界，E點為兩小區(qū)RxLev等值點。BC段為兩小區(qū)重疊覆蓋距離。取小區(qū)重選與小區(qū)切換較長的時間（0.8秒鐘）作為計算基礎(chǔ)，若列車由小區(qū)1行駛至小區(qū)2，則列車在EC段之內(nèi)必須完成小區(qū)重選或小區(qū)切換，因此重疊覆蓋距離BC段的列車行駛時間為1.6秒鐘，下表為列車不同時速下所需要的重疊覆蓋區(qū)域：列車不同時速下所需重疊覆蓋區(qū)域表序號車速(米/小時）車速（米/秒）小區(qū)重選/切換需要最小時間（秒）重疊覆蓋區(qū)域（米）1180000500.8402200000560.8443250000690.8564300000830.8675330000920.8736350000970.878備注：WCDMA系統(tǒng)的切換時間由廠家提供。WCDMA系統(tǒng)鏈路預(yù)算WCDMA是自干擾系統(tǒng)，存在著業(yè)務(wù)質(zhì)量、覆蓋和容量相互制約的問題。在保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量一定的條件，調(diào)整上下行鏈路空中接口的負(fù)載會影響覆蓋，通常情況下，WCDMA系統(tǒng)覆蓋受限于上行鏈路，而容量受限于下行鏈路。與GSM鏈路預(yù)算不同，WCDMA鏈路預(yù)算引入基于WCDMA技術(shù)的新特性：1）WCDMA是一個自干擾系統(tǒng)，隨著網(wǎng)絡(luò)接入用戶的變化，小區(qū)覆蓋會呈現(xiàn)動態(tài)的“呼吸”效應(yīng)。2）同時WCDMA系統(tǒng)可提供語音、視頻電話、中低高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，不同速率業(yè)務(wù)覆蓋上體現(xiàn)極大的差異性。承載速率越高，處理增益越小，覆蓋距離越小。3）WCDMA由于采用部分新技術(shù)，因此會帶來參數(shù)設(shè)置上與GSM存在差異。如軟切換增益、快速功控余量、發(fā)射分集增益等。4）WCDMA網(wǎng)絡(luò)的業(yè)務(wù)量是非對稱的，即網(wǎng)絡(luò)上行和下行鏈路的數(shù)據(jù)傳輸量不相同。以上因素，均需要在做WCDMA鏈路預(yù)算時考慮。針對WCDMA，從無線覆蓋而言，要完成通信建立，需考慮幾方面的問題：1）導(dǎo)頻信道覆蓋（其他公共信道通?；趯?dǎo)頻信道進行功率設(shè)置，故只計算導(dǎo)頻信道鏈路預(yù)算即可）2）業(yè)務(wù)信道上行鏈路覆蓋預(yù)算；3）業(yè)務(wù)信道下行鏈路覆蓋預(yù)算；4）對于WCDMA不同業(yè)務(wù)而言，又分為R99業(yè)務(wù)和HSDPA以及HSUPA業(yè)務(wù)。利舊現(xiàn)網(wǎng)站址原則1）站點密集區(qū)域（市區(qū)或車站）基站與鐵路間距在100米以內(nèi)，利用其站點和天饋資源，新建第四小區(qū)形成專網(wǎng)來專門進行高鐵覆蓋；使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向。超過100米的站點盡量不考慮。2）站點非密集區(qū)域（農(nóng)村或開闊地形）基站與鐵路間距在300米以內(nèi)，通過新建第四小區(qū)的方式提供高鐵覆蓋，所使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向?；九c鐵路間距在300～500米范圍內(nèi)，一般這個距離的站點不建議使用。除非特殊情況（比如：在合適范圍內(nèi)無法提供電源、傳輸?shù)龋?，新建第四小區(qū)覆蓋高鐵；所使用的天線為寬波瓣（65度）高增益天線?；九c鐵路間距在500m～1000m范圍，可利用現(xiàn)有機房使用光纖拉遠將射頻單元放置在距離鐵路較近的區(qū)域，或者直接在距離鐵路較近的合適地點建新站點?；九c鐵路間距在1000m以上的，不列入規(guī)劃考慮范圍。新建站址原則本次新建站址要求基站與鐵路間距在50～300米范圍內(nèi)，所使用的天線為窄波瓣（33度）高增益天線，天線波束方向沿鐵路方向；兼顧覆蓋周邊有業(yè)務(wù)需求區(qū)域的天線，可根據(jù)實際需求采用寬波瓣（65度）高增益天線。車站室分建設(shè)原則車站室內(nèi)分布系統(tǒng)的建設(shè)，應(yīng)遵循以下基本原則：1）室內(nèi)分布系統(tǒng)的設(shè)計應(yīng)滿足服務(wù)區(qū)的覆蓋質(zhì)量和用戶容量的需求，并考慮室內(nèi)、室外網(wǎng)絡(luò)的協(xié)調(diào)發(fā)展。2）新建室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)具有良好的兼容性和可擴展性，適用頻段必須包含900MHz、1800MHz和3G核心頻段，并能同時滿足多系統(tǒng)的無線接入要求。不同系統(tǒng)無線信號相互之間的干擾應(yīng)不影響各通信系統(tǒng)的工作性能。引入新的系統(tǒng)時，支路部分應(yīng)能夠共用，干線部分的改造應(yīng)盡量少。信號分布系統(tǒng)的功率分配、鏈路損耗至少應(yīng)滿足GSM、3G等無線通信系統(tǒng)共同使用的要求。3）新建室內(nèi)分布系統(tǒng)必須滿足WCDMA和DCS、WIFI等業(yè)務(wù)發(fā)展；4）室內(nèi)分布系統(tǒng)必須考慮對所覆蓋車站的電梯、車庫、餐飲娛樂場所、候車室等公共活動區(qū)域進行覆蓋，并實現(xiàn)目標(biāo)覆蓋區(qū)域內(nèi)信號的均勻分布，避免與室外信號發(fā)生過多的切換，不能對外部網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生干擾。5）室內(nèi)分布系統(tǒng)所采用的設(shè)備和器件必須符合相關(guān)技術(shù)要求，各個組成部分接口應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化、獨立化，不同廠家的器件必須能夠互聯(lián)，以利于擇優(yōu)選型及統(tǒng)一維護。6）室內(nèi)分布系統(tǒng)設(shè)計必須經(jīng)過現(xiàn)場模擬測試，系統(tǒng)應(yīng)能滿足國家有關(guān)環(huán)保要求，電磁輻射值滿足國標(biāo)GB8702-88《電磁輻射防護規(guī)定》，采用的設(shè)備與材料及產(chǎn)生的物質(zhì)對環(huán)境無污染，新增的設(shè)備達到環(huán)保部門對噪音指標(biāo)的要求。7）室內(nèi)分布系統(tǒng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)應(yīng)易于迭加與組合，方便后續(xù)改造。8）室內(nèi)分布系統(tǒng)應(yīng)做到結(jié)構(gòu)簡單，工程實施容易，不影響目標(biāo)建筑物