浅析基于分布式基站覆盖高铁网络的细节问题

安刚，王旭

（江苏省邮电规划设计院有限责任公司，南京 210006）

1 引言

目前，为了有效克服高铁覆盖存在的车体损耗大、频繁的小区切换、重叠区域小、强烈的多普勒频移等难题，高速铁路通信网络的覆盖已有多种技术方案。基于分布式基站的高铁覆盖技术、基于GSM-R的高铁覆盖技术、基站射频拉远覆盖技术、光纤直放站覆盖技术等多种方法都一直在被广泛探讨中。上述多种技术方案在解决高铁覆盖问题上都有各自的优缺点。在实际建设过程中，一些细节性的问题是我们在规划和设计时必须要提前考虑和分析的。本文针对在实际规划建设中基于分布式基站覆盖高铁技术方案里遇到的细节问题进行分析和讨论，以求起到一定的指导和帮助作用。

2 高铁覆盖难点

高铁通信不同于普通公网通信究其原因，其信号覆盖存在一些难点。

2.1 高铁车体穿透损耗大

高速列车为了适应高速运行的要求，在密封性和车厢材质方面都有了新的变化，对穿透损耗有很大的影响。高铁列车采用全封闭式车体结构，且部分车型采用金属镀膜玻璃，车体穿透损耗高达25dB以上。

目前几种常见的高速列车车厢的穿透损耗如图1所示。

图1 常见高速列车穿透损耗

目前在沪宁城际运行的高铁基本都是CRH3车型，列车的车体穿透损耗为25dB左右。即将在京沪高铁上运行的车型为CRH380A和CRH380B，它们的车体穿透损耗也都是25dB左右。如果考虑在实际覆盖场景中，由于基站的入射角度和列车有一定的夹角，实际的穿透损耗会比上述测试值还偏大。

为了克服车体穿透损耗，要求室外的信号发射机功率增强，要求更高的基站接收机灵敏度或者要求用户终端(UE)的发射信号增强。

2.2 高铁高速带来频繁的切换

目前高铁车速设计要达到350 km/h。在这个速度下，按照原有的普通公网设计（如站间距在1.5km），高铁列车将每15s通过一个基站。这将导致高铁列车频繁地在非常短的时间内穿过多个小区，不停地进行切换，最终的结果就是大量占用信道资源和切换失败导致掉话，如图2所示。

图2 高速列车频繁切换示意图

2.3 常规的基站重叠区难以满足高铁切换和重选的需求

在GSM通信事件中，小区重选需要一定的时间来完成。小区重选规则中，当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5s，手机将发起小区重选。因此，手机在不同基站间切换至少需要5～6s的时间，而全速行速的高铁列车通过两个基站正常的切换区时间要经常小于6s，这将导致手机往往无法正常完成切换，容易引起手机掉话，如图3所示。

图3 高速列车通过基站重叠区示意图

2.4 高铁高速带来的多普勒效应难以克服

多普勒频移对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低了接收的灵敏度，工作频率越高，列车运行速度越快，多普勒频移越大。当列车时速为350km/h、电磁波频率900MHz时，多普勒频移的范围是±260Hz。发生频移后，系统测算的信号接收点，不是实际信号的最强接收点，导致基站和手机的相干解调性能降低，直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。

3 基于分布式基站覆盖高铁的细节问题分析

基于分布式基站的高铁覆盖技术是指使用分布式基站，采取BBU+RRU的射频拉远技术、多个RRU共小区技术、自动频率校正技术以及快速切换算法的综合技术方案，对高速铁路沿线进行专网覆盖。其原理是多个不同位置点的RRU设备配置相同的频率组，通过BBU控制实现多个RRU的同步收发。逻辑上这几个不同位置点的RRU属于同一小区，即通过共小区技术扩大单小区的覆盖范围，减少高速铁路上的小区切换和重选次数，节省网络建设费用，提高网络质量。具体设计就是把N个物理小区划分为一个逻辑小区，即N个RRU映射到一个逻辑小区进行覆盖，一个BBU负责管理N个RRU构成的这一个逻辑小区；N个BBU构成的N个逻辑小区沿着高铁铁路依次级联，每两个逻辑小区边界处的RRU相互做切换关系，保证仅有前后两个相互级联的逻辑小区之间才能进行相互切换。这样就实现了在高铁列车运行的方向上完成逻辑小区间的固定切换，其切换过程操作简单，切换准确无误，极大的降低了小区边缘切换掉话的可能性，避免了小区切换的乒乓效应。图4为多个RRU共小区原理示意图。

基于分布式基站的高铁覆盖技术方案在理论上已经具备可行性，但是在实际建设时还存在一些细节问题需要解决。经过分析主要有以下几点。

3.1 跨位置区切换时，切换区域需要多配载频

目前GSM网络中位置区的大小基本已经趋同于BSC的划分大小，各个地市境内的高铁覆盖也都有自己独立的BSC负责管理。列车通过LAC边界时，手机需要与BTS、BSC和MSC进行大量信令交换，会发生大量的手机位置更新，容易产生SDCCH拥塞，影响小区的正常业务。因此，在位置区寻呼容量和话务容量的设计上，要考虑一定的余量，该处载频配置要高于高铁沿线配置的载频数，从而避免位置区更新时发生拥塞和掉。

图4 多个RRU共小区原理示意图

3.2 隧道内与隧道出口处避免进行小区切换

高铁车速非常快，隧道内一般都采用泄露电缆进行覆盖。由于泄露电缆方式覆盖距离较短，当列车离开隧道口约10m以外的距离时已经基本没有信号。手机在这么短的距离内发生小区切换就很容易发生切换失败和掉话现象，因此，需要将隧道内与隧道出口一段距离配置为同一小区，避免高铁列车一出隧道引起掉话。

3.3 高铁覆盖网络应设置为专网

高铁覆盖网络已经完全能够满足高铁列车内手机用户的需求，不再需要使用普通公网的资源，因此为了尽量减少小区重选和小区切换，以及避免普通公网的用户切入进来占用资源，应当设置为高铁专网，不再与周边普通公网内的基站设置邻区关系，从而保证高铁列车内用户的高效使用。

3.4 高铁站台与候车室处设置高铁专网与普通公网的切换关系

高铁专网与普通公网的切换关系应设置在高铁车站候车室与站台之间，高铁站台的信号应由高铁专网提供。手机用户在高铁车站候车室和站台之间的移动速度非常慢，越区切换容易实现，而高铁列车内用户在进出高铁车站时，由于列车速度较快，发生切换时容易产生掉话。因此，在条件允许的情况下，尽量把切换区域设置在高铁车站候车室与站台之间，而不是车站以外区域。车站的越区切换区域尽量选择在人流量最小的区域，条件许可情况下可以把位置更新区域放在候车室进入月台的通道里面。图5高铁专网与普通公网切换配合策略。

图5 高铁专网与普通公网切换配合策略

3.5 功分器的应用

功分器的使用是为解决塔下黑问题和切换问题而设计的，其思路是在解决覆盖的同时减少小区切换和重选，扩大单个逻辑小区覆盖铁路的距离。目前，由于厂家BBU性能的限制，每个BBU所带RRU数量一定，因此为减少越区切换次数，引入功分器系统，延长单个逻辑小区的覆盖距离。具体实施办法是在RRU的后端安装功分器将信号分别传送到覆盖两侧铁路的高增益天线。在RRU一定数量下，通过加入功分器可以增加高增益天线的数量来扩大小区的覆盖距离。

3.6 GSM系统建议采用900MHz频段

根据多普勒频移的原理，我们可以得出，频率增大一倍，多普勒频移就会增大一倍。相同情况下，1800MHz频段的频移是900MHz的2倍。所以，不建议采用1800MHz频段对高铁进行连续覆盖，特殊区域除外。

4 结束语

高铁是我国的新兴产业，也是我国的战略性产业，高铁建设将会不断发展，高铁的通信网络建设也必然会日新月异。本文首先介绍了高铁覆盖存在的难点和基于分布式基站覆盖高铁的原理，然后具体分析了在实际建设时还必须考虑的一些细节问题并给出了相关的解决方案和建议。今后，在为高铁提供各种信息化服务的同时，需要更加精心的规划和设计，不仅要保证网络质量，还需要大幅降低建网成本，不断完善和改进高铁网络的覆盖水平和质量。

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