1 高速移動通信性能影響因素

1.1高速移動帶來的問題

高鐵列車采用全封閉式車體結(jié)構(gòu)，且部分車采用金屬鍍膜玻璃，導(dǎo)致在無線傳輸中車體穿透損耗較大，信號衰減比普通列車大10 dB以上，特殊的材質(zhì)和極好的密閉性對手機(jī)信號的屏蔽會超過24 db以上，基站信號覆蓋范圍縮小為原來的1/5。當(dāng)損耗為30 dB時(shí)，相當(dāng)于信號在透過車體時(shí)只有原來千分之一的信號強(qiáng)度。對移動用戶通信造成非常大的影響。為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，要求更高的基站接收機(jī)靈敏度或者要求用戶終端(UE)的發(fā)射信號增強(qiáng)。

超過300 km/h的時(shí)速將使用戶在非常短的時(shí)間內(nèi)穿過多個信號小區(qū)，引起用戶在通話過程中在不同的小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)頻繁切換，會導(dǎo)致掉話等諸多問題。手機(jī)在不同基站間切換至少需要6 s，而全速行速的高鐵列車通過兩個基站的時(shí)間要經(jīng)常小于6 s，手機(jī)基本上無法完成切換。

當(dāng)行駛速度高達(dá)200 km/h甚至更高時(shí)，相較于正常狀態(tài)，移動通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率會從99%以上下降到84%左右，話音接通率會從原來96%以上下降到81%左右，掉話率也會從原來幾平為0上升到25%以上，其他話音指標(biāo)及數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)指標(biāo)均會有不同程度的下降。

因波源或觀察者相對于傳播介質(zhì)的運(yùn)動而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。在移動通信系統(tǒng)中，特別是高速鐵路場景下，這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移。

1.2 3G業(yè)務(wù)面臨的挑戰(zhàn)

高速鐵路將是3G業(yè)務(wù)應(yīng)用的一個重要場景。高速鐵路的覆蓋是整個3G覆蓋不能或缺的重要部分。許多高端的3G用戶經(jīng)常由于商務(wù)旅行的原因，需要在高速鐵路上使用各種移動通信業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)不僅包括語音業(yè)務(wù)、視頻業(yè)務(wù)、還有高速數(shù)據(jù)上下行業(yè)務(wù)。

由于高鐵主要的目標(biāo)客戶是商務(wù)出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語音或高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求較為明確。在人們連續(xù)乘坐高速列車的時(shí)候，特別希望能夠通過無線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來排解旅途中的無聊與煩悶。這正是3G豐富多彩的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，如手機(jī)網(wǎng)游、手機(jī)電視以及視頻通話等大顯身手的時(shí)候。為用戶提供高速上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)是3G時(shí)代顯著的業(yè)務(wù)特點(diǎn)，因此，快速發(fā)展的高速鐵路已成為移動話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新熱點(diǎn)。上下行數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率在很大程度上取決于網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量：一方面為了保證高速列車中用戶的網(wǎng)絡(luò)信號接受質(zhì)量，抵御車廂的穿透損耗，基站間距需要盡可能縮短；而另一方面，為滿足切換的需要以及減少切換及小區(qū)重選的次數(shù)，基站間又要保持盡量長的距離。

2 高速移動通信網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃設(shè)計(jì)

在進(jìn)行高速鐵路覆蓋設(shè)計(jì)時(shí)，充分研究鐵路發(fā)展趨勢，通常以最大穿透損耗的車型作為覆蓋優(yōu)化的目標(biāo)。基站選址要合理，避免越區(qū)覆蓋產(chǎn)生，在保證覆蓋距離的情況下，盡可能與鐵路保持一定距離，克服多普勒效應(yīng)。盡量將沿線基站放在同一個基站控制器(BSC)或移動交換中心(MSC)中，以減少M(fèi)SC間、BSC間的切換，避免過長的切換時(shí)間對網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量造成不利的影響。

2.1 充分發(fā)揮高速鐵路鏈型網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

對原有網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，根據(jù)高速鐵路線形覆蓋的特點(diǎn)，將小區(qū)結(jié)構(gòu)規(guī)劃成鏈形鄰區(qū)，并針對高速鐵路沿線的鏈形鄰區(qū)，讓用戶沿運(yùn)動方向優(yōu)先切換到前向鏈形鄰區(qū)，這樣將盡可能減少切換次數(shù)，避免前后小區(qū)乒乓切換，也避免了側(cè)向小區(qū)的無序切換，提升切換效率，提升業(yè)務(wù)質(zhì)量。

2.2 切換帶的規(guī)劃

切換帶的規(guī)劃一方面保證高速移動的手機(jī)終端順利完成切換，同時(shí)要盡可能減少基站數(shù)量，降低投資，因此切換帶的設(shè)計(jì)要合理。根據(jù)快速切換算法觸發(fā)時(shí)間的估算，完成2次快速切換的時(shí)間為5～6 s，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)過程中通常建議為7～8 s。

2.3 站型和天線的選擇

周邊用戶比較少的農(nóng)村區(qū)域，在鐵路比較筆直的場景下，優(yōu)先選擇高增益窄波瓣天線，基站覆蓋范圍大，切換次數(shù)少；對于市區(qū)、郊區(qū)、沿途有車站、鐵路有弧度區(qū)域適合選擇中等增益天線；功分器雖然增加了3.5 dB損耗，降低了基站覆蓋范圍，但是兩個扇區(qū)為同一個小區(qū)，減少了切換次數(shù)，并且不需要考慮天線前后比的問題，在合適的場景下可以考慮使用；8字形天線比較適合覆蓋直線鐵路。

3 分布式基站和一體化基站的使用

分布式基站組網(wǎng)方案核心思想是將基站的基帶部分和射頻部分分開：射頻部分可以靈活地放置，基帶池集中放置使基帶可以共享，基帶池通過光纖與射頻拉遠(yuǎn)單元連接。鐵路沿線比較容易鋪設(shè)光纜，為分布式基站的建設(shè)提供了便利條件，另外基帶池集中放置，適用于沿線城鎮(zhèn)容量較大區(qū)域，減少對機(jī)房資源的需求，便于站址獲取、集中管理和維護(hù)。

室外一體化基站體積小、重量輕，不需要機(jī)房，安裝方式靈活，可安裝在水泥桿、拉線塔以及建筑物的墻體上，無需空調(diào)，能有效減低配套成本，適合鐵路沿線覆蓋使用。射頻拉遠(yuǎn)單元是利用基站剩余的信道板和基帶處理設(shè)備組成新的扇區(qū)，通過光纖系統(tǒng)拉到遠(yuǎn)處。它具有硬件容量，并且擁有新的擾碼和同步碼。

基帶處理單元+射頻拉遠(yuǎn)單元(BBU+RRU)構(gòu)成傳統(tǒng)意義上的完整基站。BBU部分實(shí)現(xiàn)的功能主要為：主控、時(shí)鐘、基帶處理；RRU實(shí)現(xiàn)的功能主要包括：數(shù)字中頻、收發(fā)信機(jī)、功放和低噪放。

RRU的工作原理是：基帶信號下行經(jīng)變頻、濾波，經(jīng)過射頻濾波、經(jīng)線性功率放大器后通過發(fā)送濾波傳至天饋。上行將收到的移動終端上行信號進(jìn)濾波、低噪聲放大、進(jìn)一步的射頻小信號放大濾波和下變頻，然后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字中頻處理等。

RRU同基站接口的連接接口有兩種：通用公共射頻接口(CPRI)及開放式基站架構(gòu)(OBASI)。

4 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案

4.1 高速移動場景特征

高速鐵路干線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的特點(diǎn)是容量需求不高，呈帶狀結(jié)構(gòu)，屬于典型的覆蓋受限系統(tǒng)，話務(wù)量需求較低，但是對連續(xù)覆蓋的要求比較高。鐵路沿線采用BBU+RRU組網(wǎng)，采用小區(qū)分集和高速頻偏補(bǔ)償算法，在高速列車上裝載直放站克服穿透損耗。

4.2 分布式天線覆蓋方案

為了增強(qiáng)高速鐵路場景下的覆蓋性能，提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，我們提出了分布式天線結(jié)構(gòu)在高速移動環(huán)境中應(yīng)用的技術(shù)方案。在設(shè)備選型上，采用分布式光纖基站BBU+RRU組網(wǎng)設(shè)備。優(yōu)點(diǎn)是在某一區(qū)域可以只放置一個BBU，鏈接多個RRU進(jìn)行高速鐵路覆蓋，同時(shí)RRU具備級聯(lián)功能，通過級聯(lián)的方式能夠節(jié)省光纖，提供靈活的建網(wǎng)方式。

在分布式天線系統(tǒng)高速鐵路應(yīng)用場景中，沿高速鐵路架設(shè)了4個天線組，每個天線組采用2根天線進(jìn)行覆蓋，8根天線的覆蓋區(qū)域共同構(gòu)成一個小區(qū)。在條件允許的條件下每個天線組的2根天線盡可能按照相互獨(dú)立的放置，如無法滿足條件，也必須存在一定的相關(guān)性。

5 專網(wǎng)模式解決高速接入難題

5.1 專網(wǎng)方案

在高速鐵路覆蓋中，有專網(wǎng)和大網(wǎng)2種組網(wǎng)方案。專網(wǎng)組網(wǎng)即以專用網(wǎng)絡(luò)覆蓋高速鐵路沿線，與大網(wǎng)相對獨(dú)立。一般在普通鐵路和高速公路場景下可以考慮采用大網(wǎng)組網(wǎng)方式，在高速鐵路場景中建議采用專網(wǎng)方式。尤其是300 km/h以上的高速鐵路無線覆蓋需要多種方式并舉才能夠得到較好的效果。

大網(wǎng)組網(wǎng)即不單獨(dú)考慮高速場景的覆蓋，與其他場景合為一體統(tǒng)一地由室外宏蜂窩大網(wǎng)提供覆蓋。大網(wǎng)方案則不用考慮誤附著等問題，且資源利用率高，成本相對低，但是大網(wǎng)很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求，優(yōu)化難度大。

專網(wǎng)組網(wǎng)有利于切換鏈的設(shè)計(jì)，除了在車站和列車停留區(qū)域與大網(wǎng)允許切換外，沿線采用鏈形鄰區(qū)設(shè)計(jì)，不與大網(wǎng)發(fā)生切換?？梢院芎帽ＷC高鐵的用戶在高速移動時(shí)切換和重選的路徑，提高通信質(zhì)量；有利于應(yīng)用專用于高速場景的無線資源管理算法、切換和重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，從而更好地提高整個網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。但在實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)化的過程中一個必要條件是實(shí)現(xiàn)對專網(wǎng)信號的嚴(yán)格控制，避免對周圍城鎮(zhèn)用戶造成影響。

5.2 鏈形鄰區(qū)

現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整可以通過逐步對鐵路覆蓋的基站覆蓋進(jìn)行加強(qiáng)，逐步控制鐵路覆蓋信號對周邊城鎮(zhèn)的影響，將現(xiàn)網(wǎng)具備條件的小區(qū)進(jìn)行專網(wǎng)化，實(shí)現(xiàn)逐個小區(qū)的推進(jìn)，最終形成專網(wǎng)的覆蓋結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)全線的專網(wǎng)化。考慮到高速鐵路沿線覆蓋區(qū)域低速用戶很少，可以在高鐵沿線小區(qū)采用鏈形鄰區(qū)設(shè)置、專用于高速場景的無線資源管理算法，根據(jù)快速切換的需要規(guī)劃切換帶、優(yōu)化切換參數(shù)。通過數(shù)據(jù)設(shè)置將現(xiàn)有的公眾網(wǎng)絡(luò)和高鐵專網(wǎng)區(qū)分開來，使公網(wǎng)的用戶切不進(jìn)來，專網(wǎng)的用戶切不出去，只在兩端的車站設(shè)置網(wǎng)絡(luò)的出入口。

5.3 專網(wǎng)保護(hù)帶

專網(wǎng)一個很大的問題是和大網(wǎng)的融合問題：在密集城區(qū)和列車的站點(diǎn)附近是專網(wǎng)和大網(wǎng)的進(jìn)出口。如何判斷由哪個網(wǎng)絡(luò)給用戶提供服務(wù)，如何防止用戶誤附著，以及對誤附著的用戶如何處理是專網(wǎng)方案設(shè)計(jì)的難題。在專網(wǎng)和公網(wǎng)的重疊區(qū)域，專網(wǎng)和公網(wǎng)通過不同的接入策略接入，保證低速用戶接入公網(wǎng)，高速用戶接入專網(wǎng)。

專網(wǎng)保護(hù)帶的思路是在專網(wǎng)覆蓋小區(qū)的兩側(cè)選擇一些非專網(wǎng)小區(qū)作為專網(wǎng)與公網(wǎng)的隔離帶小區(qū)，這些小區(qū)可以與專網(wǎng)小區(qū)進(jìn)行重選和切換，以此避免周邊城鎮(zhèn)用戶一進(jìn)入專網(wǎng)就無法正常退出的問題，同時(shí)又可以避免專網(wǎng)小區(qū)切換關(guān)系過多所引起的麻煩。在專網(wǎng)大網(wǎng)出入口，如車站小區(qū)，可以根據(jù)移動路徑靈活規(guī)劃鄰區(qū)關(guān)系和切換帶，從而滿足切換需求。如果條件不具備可以適當(dāng)考慮建立專網(wǎng)保護(hù)帶的方式來保證專網(wǎng)的有效運(yùn)行。

高鐵用戶能順暢地進(jìn)入專網(wǎng)，而沿線普通用戶在切入專網(wǎng)后還能夠順利切出，巧妙地解決了高鐵途經(jīng)密集市區(qū)、郊縣縣城且和常規(guī)鐵路線部分重疊的復(fù)雜場景覆蓋難題，確保高鐵用戶百分之百切入切出成功。

6 結(jié)束語

高速鐵路的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常復(fù)雜，需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化人員根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)備性能，通過充分的實(shí)地考察、理論計(jì)算和測量，合理確定解決方案，做到在保證通信質(zhì)量情況下，嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。