高铁无线网络特殊场景覆盖解决方案

田桂宾，许勇，石朗昱

（中国移动通信集团设计院有限公司新疆分公司，乌鲁木齐 830011）

1 前言

随着高速铁路（简称高铁）在全国范围的迅速建设，火车时速由120km提升至250km，由于受到高速移动过程中的快衰落、多普勒效应、列车材质对无线信号衰减以及无主导覆盖小区的影响，在高速列车上将会出现切换混乱，接通率低，掉话率高等现象。如何确保高铁覆盖质量，为用户提供高可靠的通话质量是移动通信网络建设面临的巨大挑战。

2 高铁建设难点分析

2.1 多普勒频移影响分析

多普勒效应是指因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象。在移动通信系统高速场景下，多普勒效应尤其明显，由此引起的附加频移称为多普勒频移：

按火车时速250km/h计算GSM 900/1800MHz网络频率偏差为：

根据相关参考文献，话音差错率要求为10-3～10-4，多普勒频移量级为0.01Bw～0.02Bw，即数据速率应超过衰落速率的100～200倍。由此可知GSM最大可以抗多普勒频移1.3kHz，417/833Hz的频偏，处于接收机接收允许范围。目前高速铁路给GSM网络带来的影响中，多普勒频移不是主要因素。

2.2 高速环境对GSM网络切换的影响

GSM切换时间主要包括：

（1）测量时间。按照GSM规范规定，通话模式下，MS在一个SACCH测量周期内（480ms），向BTS上报一次6个最佳相邻小区。

（2）BSIC码解调时间。为区分不同小区，MS至少每10s解调1次小区列表中的BSIC（基站识别码），在新出现小区的情况下，需要在5s内解调出BSIC。

（3）BSC及MSC切换处理时间。通过对切换消息的跟踪分析，从切换请求发起到切换完成释放源小区资源。

根据切换时间可算计算出不同列车时速所需要的切换带距离长度，如表1所示。

表1 不同车速小区间所需切换带距离表

2.3 网络结构分析

在进行高铁建设时，我们将高铁和铁路附近区域的网络称为为大网和将仅覆盖高铁带状区域的称为专网，两种方式优缺点比较如表2所示。

充分考虑网络质量、后期网络维护及优化，建议网络结构采用专网方式建设。

表2 两种方式优缺点比较

2.4 穿透损耗影响分析

在中国铁路提速使用的车型为CRH1或CRH2型动车组，该车组最高运营速度为200～250km/h，车体采用不锈钢或铝合金材料，屏蔽性比普通列车高，对网络质量影响很大。表3为车体运行速度、车体材料及穿透损耗值。

3 高铁无线网络特殊场景覆盖解决方案

3.1 隧道及防风明洞环境下无线网覆盖解决方案

隧道及防风明洞覆盖具有如下特性：

（1）屏蔽性强。隧道一般都位于山体内部，而防风明洞多为钢筋混凝土结构，对无线信号有40dB以上的衰减，室外宏蜂窝基站信无法满足隧道内基本通话需求。

表3 车体运行速度、车体材料及穿透损耗表

（2）火车填充效应明显。当火车经过隧道（或防风明洞）时，车体基本填满了切面空间，无线信号在隧道（或防风明洞）内的传播受到很大的阻碍。

（3）话务量低。在隧道（或防风明洞）内，用户多为列车上用户，非列车用户一般很少进入覆盖区域，话务量较低，网络建设应以解决覆盖，满足列车上用户接入为主。

（4）对网络指标影响大。通过现网测试发现，因隧道（或防风明洞）覆盖不足造成的掉话、接入失败等问题，对影响网络指标影响最为突出。

3.1.1 传播模型的选取

在隧道内，无线电波传播与开阔空间传播环境明显不同。由于车体填充效应及墙壁发射与直射的影响，在隧道内无线电波以直射径为主。根据ITU-R建议，针对隧道环境提出如下传播模型：

3.1.2 信源+GRRU+室内分布系统

GRRU是基于采用数字中频技术的光纤传输，能够克服模拟光纤传输时信号的信噪比恶化，具有大动态、低噪声的优点，具有较高的可靠性。每个GRRU近端机可级联24台远端机，最大传输距离20km，可有效减少小区数量，降低切换次数。

由于隧道及防风明洞穿透损耗较大，在该类区域主要采用小功率多天线的设计理念进行建设。为保证信号均匀分布，且实现对覆盖范围的有效控制，降低干扰，提高系统容量。

根据式（2），GRRU设备发射功率按60W计算，每站配置6载频，依据无线链路预算，以室外宏蜂窝+GRRU做信源，单个GRRU+天馈系统能够满足1200m范围的覆盖，单个扇区最覆盖范围为20km。

建设方案：以室外宏蜂窝为信源，每1200m安装GRRU设备1部，从GRRU引13/8＂馈线沿隧道边沿安装，通过耦合器将信号馈入八木天线，实现隧道内信号均匀覆盖。

3.1.3 方案分析

（1）该方案具有上行噪声抑制特性，能够保证良好的网络质量。

（2）采用分级馈入方式建设，信号分布均匀。无线信号通过13/8＂馈缆由耦合器分级馈入天线。通过合理调整耦合器耦合度，从而确保信号在各个天线点信号分布均匀，有效保证车厢内用户接收电平平坦一致。

（3）后期网络维护量小。室内分布系统采用13/8＂馈缆，沿隧道或防风明洞边沿安装并加子管保护，除定期检测及特殊故障处理外，一般不需要特殊维护。

（4）减少了中间链路损耗。由于GRRU采用光纤级联，降低了中间链路损耗，减少小区数量，降低了跨小区切换次数，能够有效提高网络性能。

3.2 广域场景下无线网覆盖解决方案

3.2.1 传播模型的选择

在广域场景下，传播模型采用——COST 231修正模型。

3.2.2 信源的选取：室外宏蜂窝

宏蜂窝基站发射功率高，承载话务量较大，能够有效保证网络覆盖及网络容量，是提高网络覆盖能力的有效解决方案。进行设备选取时，充分考虑设备工作范围，要求设备工作适应温度范围较大，建议选用室外型基站。

3.2.3 分布式天馈线的选取：信源+GRRU+光缆

为有效提高无线覆盖能力，建议选用高增益、赋型、宽频。

（1）与其他区域不同的是，高铁区域为线状区域。在进行天线选型时，应满足铁塔配重风荷的要求，并尽可能选用高增益天线，一般建议采用18dB和21dB天线。

（2）利用赋型天线能够对高铁区域形成有效条状覆盖。一方面能够有效控制覆盖范围，减少大网用户切入专网的概率，保证大网容量，另一方面能够提高网络覆盖能力。

（3）为保证今后其他系统(如LTE系统等)的有效接入，应选取宽频（900MHz～2500MHz)天线进行建设。

3.3 桥梁上无线网覆盖解决方案

在高铁沿线由于部分区域为常年有水的河床或有水区。高铁工程多采用高架桥进行建设。在此类区域铁塔建设难度较高，后期维护难度大，且存在极大安全隐患。尤其高铁高架桥距地面高度超过40m的区域，如何安装天线是工程建设的难点。

针对于该类区域，分为两种方式进行建设：

（1）距地高度低于20m的桥梁。

对高度较低的桥梁，建议采用铁塔方式建设。铁塔高度=桥梁高度+25m。其建设方案同广域场景。

（2）距地高度高于20m的桥梁。

对于高于20m的桥梁，如果继续采用拉线塔建设，工程造价极高。为降低工程投资，无线建设方案：室外宏蜂窝+GRRU+室外分布系统。

以室外宏蜂窝+GRRU为信源，从GRRU引13/8＂馈线沿桥梁边沿安装，建设室外分布系统，实现桥梁上信号均匀覆盖。

室外分布系统是利用光纤、馈线、功分器、耦合器等无源器件和干放等有源器件将信号源的信号分布到室外覆盖目标区域的各个天线点，从而达到对室外目标区域覆盖的一种移动通信覆盖系统。其优点是可以将信号分布到目标区域的每个角落，且每个天线口的功率较小，满足环评要求。室外分布系统其结构组成与室内分布系统相似分区覆盖，满足覆盖和容量需求。为满足高铁安全性要求，天线抱杆应安装斜撑，抱杆距离铁轨应大于抱杆高度。

3.4 高铁车站无线网覆盖解决方案

火车站是重要的专网出入口，且在该类区域，用户集中，话务量高。如果不能良好控制专网与大网的有效覆盖范围，合理设置邻区关系，极易产生大网用户无法有效进入专网，而造成掉话。

在火车站用户分布区域主要包括火车站前广场、火车站内候车厅、站台及火车车厢内。如果不对网络做特殊处理，大网和专网之间覆盖区域相互重叠，为确保用户上车后能顺利进入专网，则火车站周边的大网基站都要和覆盖火车站的专网小区做邻区关系，专网小区则很容易吸收非列车用户而拥塞。为保证大型火车站专网用户与大网用户相对隔离，必须建设过渡小区。从而保证用户上、下车能正常进、出专网。

专网仅负责高铁沿线及站台区域的覆盖，在站台区域与过渡小区重叠覆盖，此时专网与过渡小区建立双向邻区关系，用户通过过渡小区出入专网。而大网和专网之间不设置邻区关系。这样就能够有效避免大网用户被专网吸收，同时也为用户从大网进出专网设置了专门的出入口，有效保证了网络切换的成功率和网络容量。

4 高速铁路专网关键参数设置

4.1 频率规划

考虑到高铁车厢穿透损耗大等因素，高铁专网在郊区或空旷区域应选择900MHz频段组网。在特殊情况下（如密集城区高铁沿线），由于无法提供高铁专用900MHz频点，可以采用1800MHz进行组网，但应合理设置站间距。

4.2 BCCH及TCH规划

作为专网覆盖，BCCH应当单独规划。从现有频点中，预留10个频点专用于铁路专网小区BCCH。

专网TCH频点尽可能单独规划，与大网隔离。

4.3 各层优先级

由于高铁专线途径市区、郊区及空旷区等各类场景。在市区，存在900MHz大网及1800MHz网络及高铁覆盖专网的情况，为保证用户接通率，应当合理设置铁路沿线各层的优先级：

（1）专网设置为层1，优先级最高。

（2）1800MHz一般为层2，优先级较低。

（3）900MHz大网一般为层3，优先级最低。

4.4 邻区配置

为保证用户上车后顺利进入专网、全程占用专网、下车后顺利离开专网，高铁专网邻区关系设置设置如下：

（1）专网入口：大网添加至专网的单向邻区关系；

（2）专网出口：专网添加至大网的单向邻区关系；

（3）非专网出入口：专网只添加至专网的双向邻区关系，不做与大网的邻区关系。

4.5 切换参数

基本原则是减小切换判决门限及时间，加快专网小区之间的切换。表4为小区切换参数设置表。

表4 小区切换参数设置表

4.6 重选参数(建议着重说明与大网参数设置的差别)

（1）CBQ（Cell Bar Qualify，小区禁止限制），表5为CBQ与CBA组成小区的优先级状态。

表5 CBQ与CBA组成小区的优先级状态

（2）ACCMIN（接入最小电平值），建议设置为-95dBm。

（3）CRO（小区重选参数）：建议设置为5（10dB）。

（4）CRH：建议设置为2。

CRH只在地市边界或从大网向入口专网重选时才起作用，类似于切换中的HO MARGIN和KHYST，因为高铁车速快，所以CRH应尽可能小。

5 结论

针对高速运动对无线网络影响关键因素以及高铁车厢穿透损耗对网络的影响进行详细分析，本文提出了广域场景、桥梁、隧道及防风明洞4种场景无线网络覆盖解决方案，希望能够对今后高铁无线网络的建设起到指导作用。

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