高速鐵路的CDMA覆蓋關鍵

廣東省電信規(guī)劃設計院有限公司 | 陳敏

高速鐵路的無線覆蓋與普通鐵路和高速公路的覆蓋有所不同，因其特有的高時速和高穿透損耗等特點，在技術上具有更高的特殊要求，無線網絡規(guī)劃更具復雜性。

中國鐵路已步入高速時代，預計2020年，200km/h速率以上的中國高速鐵路將超過1.8萬公里。如何在高速移動的環(huán)境下為用戶提供良好的移動通信網絡服務，是自有高速鐵路以來移動通信運營商一直在進行研究解決的問題。

和常規(guī)的CDMA網絡覆蓋規(guī)劃相比，高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備一定的特殊性。找準高鐵覆蓋的關鍵問題才能在高鐵沿線的深度覆蓋、精細優(yōu)化上做到更精準。如圖1所示。

圖1 高鐵覆蓋的研究意義

高鐵覆蓋的4個標志性因素

高鐵網絡覆蓋主要體現(xiàn)在4個標志性因素上：多普勒頻移、車體穿透損耗、切換問題和覆蓋區(qū)域地形多樣性。

多普勒頻移

多普勒頻移問題是指在高速移動的情況下，接收端的信號頻率會發(fā)生偏移，導致基站和接收機的相干解調性能降低。

◆ 對接收機的影響

CDMA采用相干解調，要求接收機本地解調載波與接收信號的載波同頻，載波頻率的抖動對接收機的解調性能產生影響；同時，1X 采用高通CSM6700芯片，DO RevA采用高通CSM6800芯片，頻移的最大取值為分別為1440Hz和960Hz。根據多普勒頻移公式計算得到接收機允許的最大移動速度為972km/h和648km/h。此速度遠高于高速鐵路最大運行時速，芯片解調容限滿足要求。

朱自清說：“在專制時代的種種社會條件之下，集體的行動是不容易表現(xiàn)的，于是士人的立身處世就偏向了‘節(jié)’這個標準。在朝的要做忠臣。這種忠節(jié)或是表現(xiàn)在冒犯君主尊嚴的直諫上，有時因此犧牲性命；或是表現(xiàn)在不做新朝的官甚至以身殉國上。忠而至于死，那是忠而又烈了。在野的要做清高之上，這種人表示不愿和在朝的人合作，因而游離于現(xiàn)實之外，或者更逃避到山林之中，那就是隱逸之士了。”

◆ 對基站的影響

由于多普勒頻移的存在，導致基站和手機的相干解調性能降低。可考慮在鏈路預算時在原有的Eb/Nt取值上增加3dB。

切換問題

切換問題是指高速移動導致切換時更易掉話，對切換的要求遠高于普通場景。

在切換區(qū)大小不變的前提下，速度越快的終端穿過切換區(qū)的時間越小。因此，當終端的移動速度足夠快，以至于穿過切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理的軟切換最小時延，此時會導致掉話產生。在對高速鐵路覆蓋基站的參數設置時需要考慮設置最小的切換區(qū)，滿足高速火車在高速運行時的切換需求。最小切換區(qū)的大小可根據列車時速大小與軟切換時延計算而得。軟切換時延一般取300ms，因此，最小切換區(qū)大小主要取決于列車移動速度。

目前的高鐵設計最高時速為350km/h，根據公式計算得最小軟切換區(qū)為29m。

沈大高鐵CDMA覆蓋案例

我們就沈大高鐵的CDMA無線網絡覆蓋進行研究，主要用于覆蓋高速鐵路客運專線的用戶，包括車站候車和高速列車上的乘客。

沈大高鐵概況

沈大高鐵貫穿遼寧省鐵嶺、沈陽、遼陽、鞍山、營口、大連6個地市，全長553km。為雙線電氣化鐵路，平均時速200km/h以上。2011年竣工通車。沈大高鐵內共設有15個車站。

沈大高鐵設計采用的高速列車為長春軌道客車公司和法國阿爾斯通公司聯(lián)手合作制造的CRH5車型，8輛編組，全長211.5m，車體最大寬度3200mm，車輛高4270mm。

覆蓋問題的解決

◆ 多普勒頻移問題的解決

高鐵覆蓋中對抗多普勒效應的途徑主要有兩種：一是設備采用頻偏糾正法克服多普勒頻移的影響，二是從根本上降低多普勒頻移和頻移變化率。無線網絡規(guī)劃設計一般從第二種方案出發(fā)。多普勒頻移變化率和f成正比，和d成反比。取f=2.1GHz，F(xiàn)dr=5.8Hz/m，則不同速度時要使得最大多普勒頻移變化率不超過Fdr（多普勒頻移變化率門限）所需的基站到鐵軌的最小垂直距離如表1所示。

表1 不同車速時基站到鐵軌之間的最小垂直距離計算

表2 各類切換最小切換區(qū)設置

需要說明的是，當基站距離鐵軌非常近時，最大多普勒頻率變化率雖然非常大，但持續(xù)的時間很短，系統(tǒng)整體性能受影響也較小，因此隧道中采用漏纜方式覆蓋可以達到很好的效果。

根據《中華人民共和國鐵路運輸安全保護條例》第四十一條：沿鐵路兩側新建、擴建建筑工程，應符合以下規(guī)定：高速鐵路兩側的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于50m；鐵路干線兩側的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于20m；鐵路支線、專用線兩側的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于15m；鐵路兩側的圍墻與軌道中心線的距離不得小于10m，圍墻的高度不得大于3m。對于沈大高鐵的覆蓋基站，基站到鐵軌的最小垂直距離取84米即可。

沈大高鐵覆蓋基站間距：

密集城區(qū)基站間距為500m左右；一般城區(qū)基站間距為1km左右；郊區(qū)基站間距為2km左右；農村基站間距在4km左右。

◆ 車體穿透損耗問題的解決

圖2 高鐵天線掠射角

如圖2所示，基站天線與所覆蓋高速火車的掠射角越小，列車穿透損耗就越大，當掠射角等于10°的時候，車廂平均穿透損耗為24dB左右，當它等于5°時，車廂平均穿透損耗上升到29dB，當掠射角接近0°的時候，車廂平均穿透損耗呈現(xiàn)快速上升的狀態(tài)。所以合理地控制掠射角，將能夠更好更省地滿足高速鐵路覆蓋目標。對于沈大高鐵的基站設計時一般考慮掠射角控制在10°以上為宜。

◆ 切換問題的解決

CDMA網絡三種切換方式：軟切換、硬切換和虛擬軟切換。具體如表2所示。

多種不同時速下的切換環(huán)境：250km/h、300km/h、350km/h、400km/h。

雙向切換，覆蓋重疊區(qū)= 切換距離×2。

結論

總之高速鐵路的無線網絡覆蓋非常復雜，需要網絡規(guī)劃設計和優(yōu)化人員根據實際情況和設備性能，通過充分的實地考察、理論計算和測量，合理確定解決方案，做到在保證通信質量情況下，嚴格控制網絡建設成本。