基于“基站+村通宝”的高速铁路专网覆盖解决方案研究

李海胜 赵 慧

（郑州铁路职业技术学院，河南 郑州 450052）

1 引言

2007年4月18日，全国铁路第六次大提速开始。 除原有列车大部分提速外，还新增“D”字头的动车组列车。2010年7月1日，中国正式进入高铁时代，高铁最高时速可达350km/h，铁路总公司（原铁道部）引进了“中国高速铁路列车”CRH（ChinaRailwayHigh‐speed）。 列车材质均以中空铝合金为主。

然而，现有的常规GSM 移动通信网络支持的移动速度一般为200km/h，列车运行速度大于200km/h 时，会存在穿透损耗、多普勒频移、频繁切换等问题。 这些因素严重影响用户的通信质量，网络性能和用户感知明显下降。

2 铁路提速后对网络的影响

2.1 参照 《秦皇岛移动高速铁路无线覆盖测试报告》，高速动车组在运行当中，车内网络无线信号覆盖相比普通特快列车存在下列问题: ①无线覆盖率大幅降低；②无线信号质量下降，信号质量（＞5）所占比例由2.8%上升为14.4%；③接通率大幅降低，由98.55%降为86.36%；④掉话率大幅增加，由1.47%增加为16.7%；⑤移动终端脱网现象时有发生。

2.2 无线网络覆盖铁路指标下降的主要原因： ①重叠覆盖区无法满足要求②小区切换频繁；③TCH、SDCCH信道溢出；④覆盖区域弱覆盖。

3 多普勒频移对高速列车覆盖的影响

多普勒效应的定义：当发射源（基站）与接收体（移动用户）之间相对运动时，接收体（移动用户）接收到的发射源（基站）发射信息的频率与发射源（基站）发射信息的频率不一样，这种情况称为多普勒效应。 接收到频率与发射频率之间的差值称为多普勒频移。

多普勒频移公式：Fd=v/λ*cosθ=f*v/c*cosθ

其中，θ 是无线电波入射方向与移动台运动的方向之间的夹角；v 是移动台的运动速度；λ 是移动台接收信号的波长；f 为载波频率；c 为无线电波传播速度。

3.1 由多普勒频移公式可知， 无线电波传播方向和用户移动方向完全垂直时，不发生多普勒频移；方向相同时，多普勒频移最大。 所以分以下两种情况进行讨论。

3.1.1 移动台向BTS（基站）方向移动，速度为V。 以GSM900MHz 为例，BTS 信号的频率定为f1， 由以上分析可知存在多普勒效应，定义f2 为移动台接收到的频率。移动台（移动用户）以f2-45MHz 向基站发射信号，基站接收到的频率为f3，可以得到：

依据以上两种情况， 可得到移动台速度与相对频移变化之间的关系，如表1 所示。

表1 移动台速度与多普勒频移之间的关系（频率按照954MHz 计算）

3.2 由上述公式及分析结果可知， 多普勒频移主要取决于BTS 与移动台对频移的承受能力范围， 针对这两个方面进行分析。

3.2.1 BTS 对频移的承受能力

在3GPPTS45.005（原GSM05.05）中规定，多普勒效应的存在， 对于GSM1800， 最大可承受径向时速为130km/h[1]；对于GSM850/900 系统，最大可承受径向时速为250km/h。该最高速度和手机设备、基站有关。在上行，大多数BTS 接受端接收到的GSM900 信号， 可承受时速高达500km/h 的移动台。

3.2.2 移动台克服多普勒效应方面的性能

前面我们讨论过， 对于GSM850/900 的BTS 设备可承受最大径向时速为250km/h，也就是可满足现在大部分高铁的速度要求。 对于下行，因受到不同的限制，不同的手机供应商内部算法不一样，要求也不相同。

如上所述， 移动终端对多普勒频移的抑制能力决定了GSM 系统的状况。 移动终端（手机用户）对多普勒频移的抑制能力如表2 所示。

如表2 所示，移动端速度达到300km/h 时，移动端对多普勒频移是可以抑制的。

表2 某些品牌手机对多普勒频移的抑制能力

4 基于“基站+村通宝”的专网解决方案

4.1 技术特点

4.1.1 提高铁路沿线基站载频利用率

铁路沿线环境特殊，对基站的选址要求十分苛刻。 传统的基站选址方案存在成本高、选点难、零星盲区多等问题。 铁路覆盖受地势地貌等因素影响较大，虽然许多铁路区域可由附近基站覆盖，但仍存在载频利用率低的问题[2]。若在高铁附近的基站上加装村通宝系统，能够经济、快捷、有效地提高铁路沿线的基站载频利用率。

4.1.2 扩大覆盖范围

在解决边远区域话务量稀少大面积信号覆盖问题上，村通宝系统的优势更加显著[2]。 铁路沿线面积广、用户分散、话务量低，传统方法需新建多个基站、优化网络、投资成本大，维护困难，覆盖范围也不理想。 新方法只需在需要覆盖区域内附近，找一个地理位置较高的基站，加装村通宝系统， 既解决高铁沿线话务量稀少大面积信号覆盖问题，又大大降低硬件投资和维护成本。 村通宝覆盖示意图如图1 所示。

图1 增加村通宝后的覆盖示意图

4.1.3 提高基站信号接收灵敏度

900MGSM 村通宝系统 （四端口） 对移动网络基站（BTS）的上行支路配置了低噪声放大器，以实现上行信号的分集接收。 低噪声放大器具有50dB 的最大增益和1.6dB 的噪声系数，大大提高系统灵敏度。

4.2 覆盖思路

高速铁路现网无线覆盖方案应立足于在保证覆盖质量、满足高速列车内正常通话需求的前提下，降低覆盖成本， 提高投资收益。 根据高铁沿线不同现网小区覆盖情况，提出各种有针对性的解决方案。

4.2.1 现网基站分布密集区域， 仅在高速铁路上存在少量弱覆盖区域或覆盖重叠深度不够区域， 可通过调整基站发射功率、更换高增益天线、调整天线方位角等措施予以解决。

4.2.2 高速铁路弱覆盖区域附近有现网基站， 且有较高话务需求的， 可通过分裂出第四小区专用于高铁覆盖来解决。

4.2.3 高速铁路弱覆盖区域附近有现网基地， 话务需求较低，或现网基站为全向站的，可通过加装村通宝设备来增强现网小区的覆盖能力。

4.3 第四小区覆盖方案

对于高铁第四小区， 为减少移动端的重选次数与避免小区切换， 硬件上要求每个小区要充分覆盖如图2 所示两个方向。

图2 分裂第四小区实现高铁覆盖

4.3.1 分裂第四小区的适用条件和注意事项

4.3.1.1 宜选取高增益（21dBi）窄波瓣天线，增强第四小区的信号，减少高速铁路以外信号覆盖的需要[3]。

4.3.1.2 对于话务量密集，信号杂乱，小区重选切换频繁的区域，可较好地避免由此造成话务切换失败。

4.3.2 在分裂第四小区中存在的问题

4.3.2.1 分裂第四小区来覆盖高铁的方法必须增加至少一个载频和一个BCCH 频点， 因此对于载频板和频率资源不充裕的地区，实现起来有难度。

4.3.2.2 增加第四小区后必须重新规划频率，并相应修改邻区关系。

4.4 沪宁铁路试点

试点选用庙朗R 和新安东R 高铁专网覆盖基站，两站之间间距较长，具体参数如表3 所示。

表3 庙朗-新安东站基站信息表

分别在庙朗R 和新安东R 站增加一套村通宝进行覆盖，设备连接如图3 所示。

图3 庙朗-新安东站加村通宝连接示意图

由于采用基站+村通宝覆盖方式， 天线有效输出增大，覆盖区域的覆盖场强提高。

4.4.1 理论分析

以基站输出40dBm 为例， 通过40dB 耦合器耦合基站信号，通过村通宝放大，可调整村通宝增益为45dB（最大下行增益为49dB）。

采用基站加村通宝覆盖方式， 可以使两个覆盖天线分别有3.3dB 和8.5dB 天线入口功率的提升，有效提高覆盖区内的手机接收场强。

4.4.2 覆盖效果对比分析

4.4.2.1 “基站+基放”覆盖方式测试车次为苏州开往无锡方向的D412、CHR2 型车，测试时手机放置在临窗座位的小桌板上。 从测试结果来看，基站覆盖下新安东R 站到庙朗R 站之间RxLev 在‐84dBm以上，新安东R 和庙朗R 站TA 值最大为5。

4.4.2.2 “基站+村通宝”覆盖方式

测试车次为苏州开往无锡方向的D440、CHR2 型车，测试时手机放置在临窗座位的小桌板上。 从测试结果来看，基站覆盖下新安东R 站到庙朗R 站之间RxLev 在-80dBm 以上，整体有所提高。 并且通过村通宝的补充覆盖，也同时提高了覆盖区域的信号质量。

新安东R 站TA 值最大为6，庙朗R 站TA 值最大为3。 由于新安东R 站基站距离铁路线较近，并且覆盖角度和铁路成径向方向， 因此村通宝的使用扩大了其覆盖范围。 与此同时，庙朗R 站的覆盖范围有所收缩，主要是因为受到天线角度的影响。

5 小结

“基站+村通宝” 主要是提高深度覆盖率、 切换成功率，改善通话质量，对网络指标的优化与改善有很大的帮助。 采用“基站＋村通宝”的方式对铁路沿线覆盖能够有效地提高载频利用率，节省基站载频，大幅提高覆盖效果。

［1］虹信通信.GSM 系统高速铁路无线通信覆盖分析［J］.烽火技术，2009（11）：06-10.

［2］钟杨斌. 基站覆盖延伸系统在无线网络覆盖优化中应用研究［D］.北京.北京邮电大学，2008.

［3］庄野.GSM 高速铁路专网技术研究［D］.南京，南京邮电大学，2009.