淺談WCDMA網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋策略

朱青

(中國聯(lián)通東莞分公司，廣東東莞523009)

1.前言

高鐵技術(shù)的成熟，低碳經(jīng)濟(jì)的呼聲，路網(wǎng)規(guī)劃的完善，集中表明我國已進(jìn)入高鐵黃金時期。2010-2014年我國高速鐵路建設(shè)將進(jìn)入全面收獲時期。以“四縱四橫”為骨架的快速客運(yùn)網(wǎng)基本形成，旨在建立省會城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道。中國正進(jìn)入史無前例的高鐵建設(shè)期，三年內(nèi)中國將建成四十二條高速鐵路客運(yùn)專線，總里程一點(diǎn)三萬公里。目前高鐵時速250公里以上，新型高鐵武廣鐵路最高運(yùn)行時速高達(dá)350公里，面對新型的覆蓋場景，不僅給移動通信運(yùn)營商帶來新的商業(yè)契機(jī)，同時也帶來網(wǎng)絡(luò)覆蓋挑戰(zhàn)。

2.WCDMA網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋方案分析

2.1 各種條件分析

2.1.1 高鐵車體穿透損耗

CRH列車采用密閉式廂體設(shè)計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗，下表是對各類型車廂的穿透損耗的測試結(jié)果。

表1 各車型穿透損耗總結(jié)

在規(guī)劃中應(yīng)根據(jù)不同未來不同高鐵線路最高運(yùn)行時速和最大車體損耗進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)設(shè)計。

2.1.2 鄰小區(qū)的重疊區(qū)域計算

在移動通信過程中，由于網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)為蜂窩結(jié)構(gòu)，因此手機(jī)在移動過程中，需要在不同小區(qū)間進(jìn)行切換。當(dāng)手機(jī)在服務(wù)小區(qū)的信號強(qiáng)度衰落到一定程度，會觸發(fā)小區(qū)重選（idle模式）或者切換（Active模式）過程，我們必須保證在手機(jī)順利進(jìn)入新小區(qū)之前，當(dāng)前小區(qū)的信號不會進(jìn)一步衰落到門限值以下，否則空閑的手機(jī)可能進(jìn)入No Service Mode（即脫網(wǎng)）、或者Active模式的手機(jī)切換失敗而掉話。因此需要控制重疊區(qū)域的大小，來保證重選或者切換的完成。重疊覆蓋區(qū)域既要足夠大，保證有足夠的時間進(jìn)行小區(qū)間的切換，又要足夠小，盡量擴(kuò)大單小區(qū)的覆蓋范圍，減少設(shè)備數(shù)量，同時也減少小區(qū)間的切換數(shù)量。

圖1 鄰小區(qū)的重疊區(qū)域示意圖

對于WCDMA系統(tǒng)，應(yīng)考慮在切換帶起呼狀態(tài)，所需時間系統(tǒng)一般不超過2.4S(具體計算方法參考3GPP下發(fā)的WCDMA切換標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議)，建議在規(guī)劃設(shè)計按照3S取定。不同高鐵線路規(guī)劃的最高時速不同，重疊區(qū)域大小也有所不同。

2.1.3 多普勒頻移分析

列車高速運(yùn)行時由于多普勒頻移效應(yīng)，對于射頻信號的中心頻點(diǎn)產(chǎn)生頻率偏差，多普勒公式如下：

F：中心頻率，單位Hz

V：列車運(yùn)行速度，單位：m/s

C：光速=3×108m/s

θ：列車動行方向與電磁波傳播方向的夾角

當(dāng)列車動行方向與電磁波傳播方向一致時，多普勒頻移最為明顯，由此可得出對于WCDMA系統(tǒng)，不同的運(yùn)行速度，產(chǎn)生最大的頻率偏差見下表。

表2 不同時速對WCDMA系統(tǒng)產(chǎn)生最大頻率偏差表

達(dá)到350公里/小時；WCDMA產(chǎn)生的最大頻偏差±681Hz，WCDMA制式標(biāo)準(zhǔn)允許的中心頻率偏差為±800Hz。因此在時速為350公里以下，不會影響WCDMA網(wǎng)絡(luò)的正常運(yùn)行。

2.1.4 站距分析

參考目前國內(nèi)通常最高時速為350km/s，只考慮語音業(yè)務(wù)的情況。分析高鐵覆蓋的站點(diǎn)距離。

表3 350Km時速下WCDMA網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算

考慮到高鐵線路一般都建設(shè)到高架橋上面，雖然經(jīng)過的環(huán)境不同，但總體來講可以參考準(zhǔn)開闊地的傳播模型進(jìn)行覆蓋能力分析。上面鏈路預(yù)算是基于此計算得出WCDMA網(wǎng)覆蓋能力。

傳播模型：L（dB）＝23.8+33.9lgf－13.82lgH＋（44.9－6.55lgh）lgd

取定：f=1950Mhz H=35m，h=1.5m

根據(jù)以上分析WCDMA網(wǎng)總體覆蓋能力，單扇區(qū)可以覆蓋1.4Km左右。不同的高鐵線路所經(jīng)過的場景會不同，有山地、城市、平原、草原、湖泊。要更加精確地規(guī)劃高鐵覆蓋，需要根據(jù)不同的場景選擇不同的模型進(jìn)行鏈路預(yù)算得出覆蓋半徑。

對于隧道特殊場景鏈路預(yù)算有所不同，隧道覆蓋由于采用漏纜，建設(shè)成本較高，一般都可用多運(yùn)營商共同建設(shè)分擔(dān)成本的辦法。

泄露電纜方式模型討論：

L總耦合損耗=65dB+20lg(6m/2m）+L車屏蔽=65+9.5dB+15dB=89.5dB。要求車內(nèi)WCDMA的Ec場強(qiáng)不小于‐90dB，漏纜饋電點(diǎn)EIRP=30dBm。L漏纜長=（EIRP+0.5dBm）÷5.84dB/100米=522米。

2.2 覆蓋方案策略

2.2.1 地面高鐵

地面高鐵（含地面高架橋）覆蓋方式的選擇，應(yīng)充分考慮地形、地物的影響，一般考慮原則如下：

(1)根據(jù)覆蓋質(zhì)量指標(biāo)要求，進(jìn)行鏈路預(yù)算，確定站距要求。

(2)為避免無線信號入射角過小，建議基站與鐵路垂直距離在50米以上，實(shí)際設(shè)站還需結(jié)合共建共享和鐵路部門的要求。

(3)對于直線軌道，相鄰站點(diǎn)宜交錯分布于鐵路的兩側(cè)，形成“之”字型布局，有助于改善切換區(qū)域，有利于車廂內(nèi)兩側(cè)信號質(zhì)量的均衡。

(4)對于鐵路彎道，站址宜設(shè)置在彎道的內(nèi)側(cè)，可提高入射角，保證覆蓋的均衡性。

(5)天線掛高設(shè)置應(yīng)考慮鐵軌高度，宜高出軌面15米以上。應(yīng)保證天線與軌面視通。

(6)當(dāng)站點(diǎn)與鐵軌沿線垂直距離較近時，可選用窄波束高增益天線，如33度21dBi天線；當(dāng)站點(diǎn)與鐵路沿線的垂直距離較大時可選用65度18dBi天線；在城區(qū)站距較近條件下，天線增益建議為16dBi。天線型號的選擇還需要結(jié)合基站周邊環(huán)境。

(7)在郊區(qū)宜采用單極化雙天線，城區(qū)宜采用雙極化單天線，實(shí)現(xiàn)接收分集。若建設(shè)鐵塔站，應(yīng)考慮鐵塔安裝位置與投資，可采用雙極化單天線。

(8)可設(shè)置兩小區(qū)或單小區(qū)+功分器，實(shí)現(xiàn)單站點(diǎn)兩方向覆蓋。

(9)基站類型選擇建議：大型車站可采用宏站+室內(nèi)分布系統(tǒng)、其它站點(diǎn)可采用分布式基站、獨(dú)立RRU、光纖直放站等。

(10)利舊站點(diǎn)可分裂出獨(dú)立小區(qū)專門用于高鐵的覆蓋。

必要時可采用各種覆蓋增強(qiáng)技術(shù)改善覆蓋效果，如高功率載頻、塔放、四天線分集接收等。

在設(shè)備選擇上盡量選擇BBU+RRU的形式，將RRU設(shè)備盡量放置在天線的近端，減少饋線損耗，提高覆蓋能力。對于直線軌道，相鄰站點(diǎn)宜交錯分布于鐵路的兩側(cè)，形成“之”字型布局，有助于車廂內(nèi)兩側(cè)信號質(zhì)量的均衡。1個RRU采用功分形式覆蓋，具體模型如圖2所示：

圖2 RRU功分形式覆蓋模型

不同廠家由于BBU+RRU的性能不同，在設(shè)置上需要有所區(qū)別。

2.2.2 隧道高鐵

隧道的覆蓋采用泄漏電纜單邊布放（資源充足的地方，也可以使用雙邊布放，成本將多一倍），考慮多運(yùn)營商共建，通過POI合路后統(tǒng)一饋入。泄漏電纜布設(shè)于隧道側(cè)壁上，高度與列車窗口等高，距離軌面2.5m。

需根據(jù)隧道的類型以及洞室分布情況，同時泄漏電纜的覆蓋能力及重疊覆蓋區(qū)的需求，確定信號源的數(shù)量及位置。

隧道覆蓋方式主要為信號源+泄漏電纜+隧道口天線的方式，對應(yīng)于長隧道、短隧道、隧道群。分別對應(yīng)有不同的覆蓋方案，如圖3所示。

根據(jù)高鐵隧道的建設(shè)，一般隧道兩邊每隔250米就建設(shè)一個避風(fēng)洞，相對單邊來看每隔500米就有一個避風(fēng)洞。通信設(shè)備可以考慮放置避風(fēng)洞中，沿線采用漏纜。從隧道鏈路預(yù)算分析得到WCDMA網(wǎng)一個單RRU通過功分器功分后，1個RRU功分后介入泄露電纜單邊可以覆蓋400米以上，如果500米設(shè)置一個信源通過功分后兩邊覆蓋，可以滿足300米的切換帶需求。

圖3 長隧道、短隧道覆蓋思路示意圖

下面介紹一個某市大嶺山隧道的具體覆蓋方案：

如圖4所示，隧道內(nèi)利用500米1個避風(fēng)洞的條件設(shè)置一個RRU信源，連續(xù)通過泄露電纜進(jìn)行隧道覆蓋。如果考慮進(jìn)一步減小切換次數(shù)的話，可以把其中的幾個RRU使用光纖直放站進(jìn)行代替。

隧道外：不同的場景需要不同的設(shè)置。左邊的隧道口，使用一個外置洞口天線，連接隧道內(nèi)的RRU進(jìn)行較短的隧道外覆蓋，僅提供隧道內(nèi)的信號進(jìn)行隧道外信號的延伸保證300米的切換距離。同理右邊的隧道口也架設(shè)一個室外天線，保證和隧道外山坡上的另外一個光纖直放站信號進(jìn)行300米信號重疊覆蓋。

圖4 某市大嶺山隧道的具體覆蓋方案

3.總結(jié)

移動網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋作為一個新型特殊的移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景，本文只是針對單一的WCDMA網(wǎng)進(jìn)行覆蓋淺析，實(shí)際建設(shè)過程中，在國內(nèi)各個運(yùn)營商為了減小成本將進(jìn)行聯(lián)合共建，需要同時考慮GSM、CDMA、WCDMA三網(wǎng)的綜合設(shè)置。