高速移動(dòng)列車無(wú)線組網(wǎng)方案

摘要:為滿足快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸需求，國(guó)家“十一五”規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及3個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)，時(shí)速高達(dá)380 km/h。隨著列車時(shí)速的不斷加快，車廂內(nèi)手機(jī)用戶通信時(shí)發(fā)生切換混亂、接通率低和掉話等現(xiàn)象，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨挑戰(zhàn)。文章立足于高鐵專網(wǎng)設(shè)計(jì)總體目標(biāo)，基于高速移動(dòng)通信性能影響因素，采用分布式基站和一體化基站，提出一種高速鐵路組網(wǎng)方案。

關(guān)鍵詞: 高速鐵路;基帶處理單元;射頻拉遠(yuǎn)單元;動(dòng)車組

Abstract: In order to meet growing passenger needs for public transportation， a “four vertical and four horizontal” railway passenger system， as well as a three fast trains inter-city express system (with top speeds of 380km/h) has been proposed in the Eleventh Five-Year plan. However， with the increased top speeds of these modern trains， wireless coverage within them faces particular challenges. These include soft switching confusion of mobile phone users， low throughput rate， and call dropout. This paper presents some high-speed rail network solutions， taking into account the overall design objectives of high-speed rail networks， and effective factors of high-speed mobile communications which adopt distributed and integrated base stations.

Key words: high-speed railway; BBU; RRU; CRH train

1 高速移動(dòng)通信性能影響因素

1.1高速移動(dòng)帶來(lái)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(wú)線傳輸中車體穿透損耗較大，信號(hào)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(duì)手機(jī)信號(hào)的屏蔽會(huì)超過24 db以上，基站信號(hào)覆蓋范圍縮小為原來(lái)的1/5。當(dāng)損耗為30 dB時(shí)，相當(dāng)于信號(hào)在透過車體時(shí)只有原來(lái)千分之一的信號(hào)強(qiáng)度。對(duì)移動(dòng)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(hào)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(hào)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(gè)信號(hào)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(huì)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(gè)基站的時(shí)間要經(jīng)常小于6 s，手機(jī)基本上無(wú)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(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋率會(huì)從99%以上下降到84%左右，話音接通率會(huì)從原來(lái)96%以上下降到81%左右，掉話率也會(huì)從原來(lái)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(huì)有不同程度的下降。

因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)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(dòng)通信系統(tǒng)中，特別是高速鐵路場(chǎng)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(gè)重要場(chǎng)景。高速鐵路的覆蓋是整個(gè)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(dòng)通信業(yè)務(wù)。這些業(yè)務(wù)不僅包括語(yǔ)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(yǔ)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(wú)線數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)來(lái)排解旅途中的無(wú)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(dòng)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(hào)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(zhǎng)的距離。

2 高速移動(dòng)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(shì)，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(gè)基站控制器(BSC)或移動(dòng)交換中心(MSC)中，以減少M(fèi)SC間、BSC間的切換，避免過長(zhǎng)的切換時(shí)間對(duì)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)

關(guān)鍵詞:關(guān)鍵詞: 結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)

對(duì)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(duì)高速鐵路沿線的鏈形鄰區(qū)，讓用戶沿運(yùn)動(dòng)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(wú)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(dòng)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(chǎng)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(duì)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(gè)扇區(qū)為同一個(gè)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(chǎng)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(duì)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(wú)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(hào)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(dòng)終端上行信號(hào)進(jìn)濾波、低噪聲放大、進(jìn)一步的射頻小信號(hào)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(dòng)場(chǎng)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(duì)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(chǎng)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(dòng)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(gè)BBU，鏈接多個(gè)RRU進(jìn)行高速鐵路覆蓋，同時(shí)RRU具備級(jí)聯(lián)功能，通過級(jí)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(chǎng)景中，沿高速鐵路架設(shè)了4個(gè)天線組，每個(gè)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(gè)小區(qū)。在條件允許的條件下每個(gè)天線組的2根天線盡可能按照相互獨(dú)立的放置，如無(wú)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(duì)獨(dú)立。一般在普通鐵路和高速公路場(chǎng)景下可以考慮采用大網(wǎng)組網(wǎng)方式，在高速鐵路場(chǎng)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(wú)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(chǎng)景的覆蓋，與其他場(chǎng)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(duì)低，但是大網(wǎng)很難兼顧一般場(chǎng)景和高速場(chǎng)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。可以很好保證高鐵的用戶在高速移動(dòng)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(chǎng)景的無(wú)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(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。但在實(shí)現(xiàn)專網(wǎng)化的過程中一個(gè)必要條件是實(shí)現(xiàn)對(duì)專網(wǎng)信號(hào)的嚴(yán)格控制，避免對(duì)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(duì)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(hào)對(duì)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(gè)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(chǎng)景的無(wú)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(lái)，使公網(wǎng)的用戶切不進(jìn)來(lái)，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(gè)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(gè)網(wǎng)絡(luò)給用戶提供服務(wù)，如何防止用戶誤附著，以及對(duì)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(wú)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(dòng)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(lái)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(chǎng)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(yǔ)

高速鐵路的無(wú)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(cè)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。

收稿日期:2009-06-15

郭軍偉，安徽大學(xué)計(jì)算智能與信號(hào)處理教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在讀碩士研究生。