浅析高铁公网覆盖增强技术的应用

黄甲福

（中铁二十四局上海电务电化公司　福州分公司）

浅析高铁公网覆盖增强技术的应用

黄甲福

（中铁二十四局上海电务电化公司福州分公司）

根据公网在高铁覆盖特点，结合温福、福厦、龙厦及向莆高铁公网覆盖工程实际施工应用，研究覆盖增强技术，并提出了几种应用方案，有效地应对高铁沿线各种复杂场景。

高速铁路；覆盖特点；增强技术；应用方案

1　引言

随着我国高速铁路建设的快速发展，近年高速铁路网已初步形成，改善高速铁路覆盖质量，以提高网络质量及提高服务质量，对提升各运营商品牌形象有至关重要意义。但公网在高速铁路覆盖中面临很多挑战，高速列车由于运行速度快，列车采用密闭式厢体设计，穿透损耗大，且沿途场景复杂，增加了高速铁路公网连续覆盖的难度，同时高铁贯穿大网覆盖的区域，容易造成相互干扰，必须选择合理的组网策略实现高铁与大网间协同覆盖。

本文通过分析高速铁路公网覆盖特点，针对高铁特殊场景进行运用分析，提出了合理的应用方案供参考。

2　高速铁路公网覆盖特点分析

（1）多普勒频移影响，如不进行有效校正，公网系统解调性能将严重恶化，甚至导致系统不能正常通信。

高速铁路覆盖场景对公网系统性能影响最大的就是多普勒频移效益。所谓的多普勒频移效益是指接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化。多普勒频移效益所引起的附加频移称为多普勒频移。

对于高速移动的用户，多普勒频移往往很大，对于基站接收机而言，正确估计上行频率误差并完成频率误差校正正是接收机必须完成的功能，否则将对上行链路性能造成很大的影响，基站接收机还需要应对频移快速变化的问题，能够迅速跟上频移变化速度并行有效的补偿。如果频移跟踪速度过慢，则会在频移快速变化时产生很大的估计误差，将导致性能严重恶化。

（2）高速铁路列车采用密闭式厢体，车体对无线信号穿透损耗大，造成高铁覆盖站点设置密集，站点选址较困难。

高铁公网设计中，为确保用户在各钟车型中都可以进行正常通话，首先要对各列车类型的穿透损耗值作相关测试。目前中国高铁主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这四种类型，其中CRH1、CRH2、CRH5均为200km/h级别，CRH3为300km/h级别（营运速度超过300km/h，其中CRH380型列车标准时速为380km/h）。

高速列车由于采用密闭箱体，所以车体对无线信号的穿透损耗较高，表1列举了国内几种高速铁路新型列车的车体穿透损耗值。

表1　各种车型损耗取值参考表

不同车型的列车车厢穿透损耗差异很大，全封闭的新型列车比莆通列车穿透损耗大5～10dB。在高速铁路公网网络规划设计中，应考虑未来可能的车体类型的损耗，来满足和兼容对各系列高速列车的覆盖要求。

（3）高铁跨度大，场景复杂。

一条高铁通常经过多个地市或省份，途径多种场景，包括市区、火车站、山区丘陵/桥梁、平原、劈山口、隧道等，实现连续覆盖难度加大。特别是无线电在隧道传播条件差，由于在隧道内墙壁对电磁波会产生屏蔽、吸收和散射作用，隧道其实相当是一种超大尺寸的非理想波导环境，只有频率高于其截止频率的信号方能在隧道内传播。

（4）车速快，小区切换频繁，影响接入成功率及寻呼成功率。

由于高速列车的高速运动，公网设备终端容易在切换区起呼，涉及信令阶段的切换，此时需要考虑预留1.2s，而双边需要预留切换重跌区2.4s。以GSM系统为例，当手机测量到邻小区C2值高于服务区C2值且维持5s，手机将发起小区重叠；若在跨位置区域，则邻小区C2值必须高于服务小区C2值与CRH设置值的和且维持5s，手机才发起小区重选和位置更新。列车在不同速度下，GSM所需要的重叠覆盖区域如表2所示。

表2　列车运营速度与重叠区域对应表

3　高速铁路公网覆盖增强技术的应用方案

从以上高速铁路公网覆盖特点的分析可知，高铁列车运行速度极快，小区变更频繁，将影响小区选择。提升高铁网络性能最有效的手段就是应用覆盖增强技术以扩大单小区覆盖能力。因此，针对高铁网络，研究覆盖增强技术，有效应对高铁沿线的各种复杂场景，对高铁网络稳定性起决定性的意义。

3.1采用多RRU合并小区技术

由于同一物理站址的两个背靠背的STSR小区之间的信号重叠区过小，不足以满足重叠区预留要求，容易导致切换、重选不及时，进而导致起呼困难或切换掉话，所以高铁沿线不建议采用传统的STSR小区方式。

以下结合福厦及向莆高铁典型覆盖场景进行多RRU合并小区技术的应用分析：

3.1.1开阔地高速区场景

同物理站址的背靠背2RRU合并小区方式。

在高铁开阔地，当列车运行时速大于200km的路段，建议采用背靠背2RRU合并小区的方式，2RRU合并小区的连接图如图1所示。

图1　2RRU合并小区方式连接示意图

下行基带信号同时由两个RRU发射，逻辑上属于单个小区。当列车行驶经过基站时，不会发生小区之间的切换，从而提升性能。针对开阔地高速区场景，以典型天线有效挂高30m计，采用高铁覆盖传播模型，背靠背的2RRU功分方式和STSR小区方式对比，站距不变，但小区覆盖能力扩大至2倍。相比RRU功分方式，单方向覆盖能力可增加31％，站距扩大31％。

所以多RRU合并小区技术在开阔地高速区场景应用效果良好，因此外场中应用广泛，以下是以福厦铁路泉州段联通WCDMA为例，见图2所示。

3.1.2单个隧道场景

多RRU合并小区方式使覆盖能力得到充分发挥。

隧道内采用泄露电缆进行覆盖，泄露电缆信号辐射方向垂直于列车行进方向，因此隧道内不会产生多普勒效应，RRU合并不受影响，因此可以充分发挥多RRU合并小区技术的优势。

图2　2RRU合并小区在开阔路段的应用示意图

工程中，隧道内敷设泄露电缆，RRU功分覆盖，多RRU进行小区合并，扩大隧道内单小区信号覆盖能力。同时，隧道口内、外由同一小区覆盖，列车进出隧道口时不发生切换，常用的隧道口覆盖方式有：

（1）隧道口外RRU拉远覆盖隧道内。

（2）隧道口RRU和隧道外RRU进行小区合并。

以下是福厦高铁泉州路段联通WCDMA为例：

天马山隧道全长3644m，采用6个RRU完成信号覆盖，且6 个RRU进行小区合并，隧道口则放置RRU并架设天线向外覆盖。隧道内RRU功分覆盖，单方向覆盖500m，RRU间距1000m，RRU之间无需进行信号重叠区预留。隧道口RRU和隧道内RRU属于同一小区，避免了切换区发生在隧道口，覆盖示意图如图3所示。

图3　多RRU小区技术在超长隧道应用示意图

3.1.3复杂隧道群场景

多RRU合并小区技术足以胜任。

对复杂隧道群场景进行了分析，传统的STSR小区方式和RRU功分方式不足以胜任。由于多RRU合并小区的强大覆盖扩展能力，足以胜任这类复杂场景。以下是向莆铁路泰宁段外场实例，移动、电信及联通三家运营商共建，如图4所示。

图4中，隧道之间的间隔分别是75m、1054m、116m、1476m 和2592m。显然75m和116m的间隔不足以满足重叠区预留，需要由同一小区提供覆盖。实际工程中，我们采用的措施如下：

（1）采用隧道口架设RRU功分覆盖隧道内和隧道口，包含八里村2#隧道口、八里村1#隧道口及丹金山2#隧道口。

（2）隧道内采用RRU功分覆盖，如新胜村隧道、丹金山1#隧道。

（3）2592m的开阔地由背靠背2个RRU进行覆盖。

整个隧道群场景每家运营商分别使用7个RRU，且7个RRU进行小区合并，归属于同一小区，极大扩展了单小区覆盖能力。

从以上多RRU合并小区技术在高铁覆盖场景中的应用可知，正是由于多RRU合并小区的强大的单小区覆盖能力，因此能有效应对高铁沿线的各种复杂场景，形成良好的连续覆盖，提升高铁网络的性能。

图4　多RRU小区在隧道群的应用示意图

3.2采用40W小区功率配置

通过福厦铁路福州段现场实测如表3所示（UE位于靠窗位置、靠过道位置进行测试）。

表3　不同小区功率下的RSCP和Ec/Io对比分析

发现40W小区功率，相对于20W小区功率，其下行导频覆盖改善明显，同时可以提供足够的下行功率，确保HSDPA吞吐量。而60W小区功率，相对于40W小区功率，则在导频覆盖和数据吞吐量上改善不明显。因此，建议高铁小区配置40W小区功率，可有效提高下行导频覆盖指标，使小区高数据业务覆盖范围明显扩大，以满足车厢内大部分区域的信号覆盖要求。

3.3保证天线附挂有效高度

高铁沿线跨度大，地势起伏，地形复杂。需要特别注意天线和轨道面之间的高度差，即确定天线有效高度。因此高铁实际规划中，建议为站点位于高铁红线内时，天线有效挂在15m以上；站点位于高铁红线外时，建议天线有效挂高在30m以上。

3.4采用RRU上塔方式

在高铁覆盖中，建议采用分布式基站BBU+RRU，RRU直接安装在塔顶，相比RRU下塔可减少馈线损耗，同步扩大上行和下行覆盖半径，改善上下行覆盖。

实际应用中，也可能应用塔放以弥补馈线损耗，改善基站合成噪声系数来改善上行覆盖。塔放对下行链路的影响体现在插入损耗（典型值是0.5dB）的引入上，使用塔放时的下行覆盖半径将缩小。

3.5长大桥梁宜采用高增益天线

对于跨越大江大河、跨度较大的桥梁，桥梁长达几千米，大于站距，桥梁中断往往由于条件限制无法设站，普遍采用在桥两头设站点架设天线进行信号覆盖，如采用普通功率信源设备，通过路测会发现桥梁中段信号往往覆盖不理想。实际应用中，应采用高增益天线向桥梁中点方向辐射，尽量扩展覆盖能力，来实现桥梁中段信号覆盖，以满足长大桥梁公网信号的连续覆盖。

3.6大型客站采取室内覆盖系统

高速铁路沿线往往新建若干个大型客站，由于高层建筑的信号通常较弱且不稳定，多存在明显的孤岛效应。因此通常引入室内覆盖系统，室内覆盖系统由信源和天线分布系统组成，利用室内天线分布系统将宏基站信号均匀分布在各个角落，从而保证大型客站室内各区域有理想的信号覆盖。

4　结束语

公网在高铁有效覆盖能给运营商产生一定的经济效益，提高了品牌形象，也为用户提供了优质的服务。作为高铁覆盖重要一环，部分特殊场景是否解决好，将极大地影响整个线路的连续覆盖。本文对高铁覆盖增强技术进行研究分析，提出了建议及方案，但实际现场环境运用中，需深入现场实际摸索、研究、对比，拿出更佳的覆盖方案。

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2015-1-10