基于“基站+村通寶”的高速鐵路專網(wǎng)覆蓋解決方案研究

李海勝 趙 慧

（鄭州鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 鄭州 450052）

1 引言

2007年4月18日，全國(guó)鐵路第六次大提速開(kāi)始。 除原有列車大部分提速外，還新增“D”字頭的動(dòng)車組列車。2010年7月1日，中國(guó)正式進(jìn)入高鐵時(shí)代，高鐵最高時(shí)速可達(dá)350km/h，鐵路總公司（原鐵道部）引進(jìn)了“中國(guó)高速鐵路列車”CRH（ChinaRailwayHigh‐speed）。 列車材質(zhì)均以中空鋁合金為主。

然而，現(xiàn)有的常規(guī)GSM 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)支持的移動(dòng)速度一般為200km/h，列車運(yùn)行速度大于200km/h 時(shí)，會(huì)存在穿透損耗、多普勒頻移、頻繁切換等問(wèn)題。 這些因素嚴(yán)重影響用戶的通信質(zhì)量，網(wǎng)絡(luò)性能和用戶感知明顯下降。

2 鐵路提速后對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響

2.1 參照 《秦皇島移動(dòng)高速鐵路無(wú)線覆蓋測(cè)試報(bào)告》，高速動(dòng)車組在運(yùn)行當(dāng)中，車內(nèi)網(wǎng)絡(luò)無(wú)線信號(hào)覆蓋相比普通特快列車存在下列問(wèn)題: ①無(wú)線覆蓋率大幅降低；②無(wú)線信號(hào)質(zhì)量下降，信號(hào)質(zhì)量（＞5）所占比例由2.8%上升為14.4%；③接通率大幅降低，由98.55%降為86.36%；④掉話率大幅增加，由1.47%增加為16.7%；⑤移動(dòng)終端脫網(wǎng)現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生。

2.2 無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋鐵路指標(biāo)下降的主要原因： ①重疊覆蓋區(qū)無(wú)法滿足要求②小區(qū)切換頻繁；③TCH、SDCCH信道溢出；④覆蓋區(qū)域弱覆蓋。

3 多普勒頻移對(duì)高速列車覆蓋的影響

多普勒效應(yīng)的定義：當(dāng)發(fā)射源（基站）與接收體（移動(dòng)用戶）之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，接收體（移動(dòng)用戶）接收到的發(fā)射源（基站）發(fā)射信息的頻率與發(fā)射源（基站）發(fā)射信息的頻率不一樣，這種情況稱為多普勒效應(yīng)。 接收到頻率與發(fā)射頻率之間的差值稱為多普勒頻移。

多普勒頻移公式：Fd=v/λ*cosθ=f*v/c*cosθ

其中，θ 是無(wú)線電波入射方向與移動(dòng)臺(tái)運(yùn)動(dòng)的方向之間的夾角；v 是移動(dòng)臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度；λ 是移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的波長(zhǎng)；f 為載波頻率；c 為無(wú)線電波傳播速度。

3.1 由多普勒頻移公式可知， 無(wú)線電波傳播方向和用戶移動(dòng)方向完全垂直時(shí)，不發(fā)生多普勒頻移；方向相同時(shí)，多普勒頻移最大。 所以分以下兩種情況進(jìn)行討論。

3.1.1 移動(dòng)臺(tái)向BTS（基站）方向移動(dòng)，速度為V。 以GSM900MHz 為例，BTS 信號(hào)的頻率定為f1， 由以上分析可知存在多普勒效應(yīng)，定義f2 為移動(dòng)臺(tái)接收到的頻率。移動(dòng)臺(tái)（移動(dòng)用戶）以f2-45MHz 向基站發(fā)射信號(hào)，基站接收到的頻率為f3，可以得到：

依據(jù)以上兩種情況， 可得到移動(dòng)臺(tái)速度與相對(duì)頻移變化之間的關(guān)系，如表1 所示。

表1 移動(dòng)臺(tái)速度與多普勒頻移之間的關(guān)系（頻率按照954MHz 計(jì)算）

3.2 由上述公式及分析結(jié)果可知， 多普勒頻移主要取決于BTS 與移動(dòng)臺(tái)對(duì)頻移的承受能力范圍， 針對(duì)這兩個(gè)方面進(jìn)行分析。

3.2.1 BTS 對(duì)頻移的承受能力

在3GPPTS45.005（原GSM05.05）中規(guī)定，多普勒效應(yīng)的存在， 對(duì)于GSM1800， 最大可承受徑向時(shí)速為130km/h[1]；對(duì)于GSM850/900 系統(tǒng)，最大可承受徑向時(shí)速為250km/h。該最高速度和手機(jī)設(shè)備、基站有關(guān)。在上行，大多數(shù)BTS 接受端接收到的GSM900 信號(hào)， 可承受時(shí)速高達(dá)500km/h 的移動(dòng)臺(tái)。

3.2.2 移動(dòng)臺(tái)克服多普勒效應(yīng)方面的性能

前面我們討論過(guò)， 對(duì)于GSM850/900 的BTS 設(shè)備可承受最大徑向時(shí)速為250km/h，也就是可滿足現(xiàn)在大部分高鐵的速度要求。 對(duì)于下行，因受到不同的限制，不同的手機(jī)供應(yīng)商內(nèi)部算法不一樣，要求也不相同。

如上所述， 移動(dòng)終端對(duì)多普勒頻移的抑制能力決定了GSM 系統(tǒng)的狀況。 移動(dòng)終端（手機(jī)用戶）對(duì)多普勒頻移的抑制能力如表2 所示。

如表2 所示，移動(dòng)端速度達(dá)到300km/h 時(shí)，移動(dòng)端對(duì)多普勒頻移是可以抑制的。

表2 某些品牌手機(jī)對(duì)多普勒頻移的抑制能力

4 基于“基站+村通寶”的專網(wǎng)解決方案

4.1 技術(shù)特點(diǎn)

4.1.1 提高鐵路沿線基站載頻利用率

鐵路沿線環(huán)境特殊，對(duì)基站的選址要求十分苛刻。 傳統(tǒng)的基站選址方案存在成本高、選點(diǎn)難、零星盲區(qū)多等問(wèn)題。 鐵路覆蓋受地勢(shì)地貌等因素影響較大，雖然許多鐵路區(qū)域可由附近基站覆蓋，但仍存在載頻利用率低的問(wèn)題[2]。若在高鐵附近的基站上加裝村通寶系統(tǒng)，能夠經(jīng)濟(jì)、快捷、有效地提高鐵路沿線的基站載頻利用率。

4.1.2 擴(kuò)大覆蓋范圍

在解決邊遠(yuǎn)區(qū)域話務(wù)量稀少大面積信號(hào)覆蓋問(wèn)題上，村通寶系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)更加顯著[2]。 鐵路沿線面積廣、用戶分散、話務(wù)量低，傳統(tǒng)方法需新建多個(gè)基站、優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)、投資成本大，維護(hù)困難，覆蓋范圍也不理想。 新方法只需在需要覆蓋區(qū)域內(nèi)附近，找一個(gè)地理位置較高的基站，加裝村通寶系統(tǒng)， 既解決高鐵沿線話務(wù)量稀少大面積信號(hào)覆蓋問(wèn)題，又大大降低硬件投資和維護(hù)成本。 村通寶覆蓋示意圖如圖1 所示。

圖1 增加村通寶后的覆蓋示意圖

4.1.3 提高基站信號(hào)接收靈敏度

900MGSM 村通寶系統(tǒng) （四端口） 對(duì)移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)基站（BTS）的上行支路配置了低噪聲放大器，以實(shí)現(xiàn)上行信號(hào)的分集接收。 低噪聲放大器具有50dB 的最大增益和1.6dB 的噪聲系數(shù)，大大提高系統(tǒng)靈敏度。

4.2 覆蓋思路

高速鐵路現(xiàn)網(wǎng)無(wú)線覆蓋方案應(yīng)立足于在保證覆蓋質(zhì)量、滿足高速列車內(nèi)正常通話需求的前提下，降低覆蓋成本， 提高投資收益。 根據(jù)高鐵沿線不同現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)覆蓋情況，提出各種有針對(duì)性的解決方案。

4.2.1 現(xiàn)網(wǎng)基站分布密集區(qū)域， 僅在高速鐵路上存在少量弱覆蓋區(qū)域或覆蓋重疊深度不夠區(qū)域， 可通過(guò)調(diào)整基站發(fā)射功率、更換高增益天線、調(diào)整天線方位角等措施予以解決。

4.2.2 高速鐵路弱覆蓋區(qū)域附近有現(xiàn)網(wǎng)基站， 且有較高話務(wù)需求的， 可通過(guò)分裂出第四小區(qū)專用于高鐵覆蓋來(lái)解決。

4.2.3 高速鐵路弱覆蓋區(qū)域附近有現(xiàn)網(wǎng)基地， 話務(wù)需求較低，或現(xiàn)網(wǎng)基站為全向站的，可通過(guò)加裝村通寶設(shè)備來(lái)增強(qiáng)現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)的覆蓋能力。

4.3 第四小區(qū)覆蓋方案

對(duì)于高鐵第四小區(qū)， 為減少移動(dòng)端的重選次數(shù)與避免小區(qū)切換， 硬件上要求每個(gè)小區(qū)要充分覆蓋如圖2 所示兩個(gè)方向。

圖2 分裂第四小區(qū)實(shí)現(xiàn)高鐵覆蓋

4.3.1 分裂第四小區(qū)的適用條件和注意事項(xiàng)

4.3.1.1 宜選取高增益（21dBi）窄波瓣天線，增強(qiáng)第四小區(qū)的信號(hào)，減少高速鐵路以外信號(hào)覆蓋的需要[3]。

4.3.1.2 對(duì)于話務(wù)量密集，信號(hào)雜亂，小區(qū)重選切換頻繁的區(qū)域，可較好地避免由此造成話務(wù)切換失敗。

4.3.2 在分裂第四小區(qū)中存在的問(wèn)題

4.3.2.1 分裂第四小區(qū)來(lái)覆蓋高鐵的方法必須增加至少一個(gè)載頻和一個(gè)BCCH 頻點(diǎn)， 因此對(duì)于載頻板和頻率資源不充裕的地區(qū)，實(shí)現(xiàn)起來(lái)有難度。

4.3.2.2 增加第四小區(qū)后必須重新規(guī)劃頻率，并相應(yīng)修改鄰區(qū)關(guān)系。

4.4 滬寧鐵路試點(diǎn)

試點(diǎn)選用廟朗R 和新安東R 高鐵專網(wǎng)覆蓋基站，兩站之間間距較長(zhǎng)，具體參數(shù)如表3 所示。

表3 廟朗-新安東站基站信息表

分別在廟朗R 和新安東R 站增加一套村通寶進(jìn)行覆蓋，設(shè)備連接如圖3 所示。

圖3 廟朗-新安東站加村通寶連接示意圖

由于采用基站+村通寶覆蓋方式， 天線有效輸出增大，覆蓋區(qū)域的覆蓋場(chǎng)強(qiáng)提高。

4.4.1 理論分析

以基站輸出40dBm 為例， 通過(guò)40dB 耦合器耦合基站信號(hào)，通過(guò)村通寶放大，可調(diào)整村通寶增益為45dB（最大下行增益為49dB）。

采用基站加村通寶覆蓋方式， 可以使兩個(gè)覆蓋天線分別有3.3dB 和8.5dB 天線入口功率的提升，有效提高覆蓋區(qū)內(nèi)的手機(jī)接收?qǐng)鰪?qiáng)。

4.4.2 覆蓋效果對(duì)比分析

4.4.2.1 “基站+基放”覆蓋方式測(cè)試車次為蘇州開(kāi)往無(wú)錫方向的D412、CHR2 型車，測(cè)試時(shí)手機(jī)放置在臨窗座位的小桌板上。 從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基站覆蓋下新安東R 站到廟朗R 站之間RxLev 在‐84dBm以上，新安東R 和廟朗R 站TA 值最大為5。

4.4.2.2 “基站+村通寶”覆蓋方式

測(cè)試車次為蘇州開(kāi)往無(wú)錫方向的D440、CHR2 型車，測(cè)試時(shí)手機(jī)放置在臨窗座位的小桌板上。 從測(cè)試結(jié)果來(lái)看，基站覆蓋下新安東R 站到廟朗R 站之間RxLev 在-80dBm 以上，整體有所提高。 并且通過(guò)村通寶的補(bǔ)充覆蓋，也同時(shí)提高了覆蓋區(qū)域的信號(hào)質(zhì)量。

新安東R 站TA 值最大為6，廟朗R 站TA 值最大為3。 由于新安東R 站基站距離鐵路線較近，并且覆蓋角度和鐵路成徑向方向， 因此村通寶的使用擴(kuò)大了其覆蓋范圍。 與此同時(shí)，廟朗R 站的覆蓋范圍有所收縮，主要是因?yàn)槭艿教炀€角度的影響。

5 小結(jié)

“基站+村通寶” 主要是提高深度覆蓋率、 切換成功率，改善通話質(zhì)量，對(duì)網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)的優(yōu)化與改善有很大的幫助。 采用“基站＋村通寶”的方式對(duì)鐵路沿線覆蓋能夠有效地提高載頻利用率，節(jié)省基站載頻，大幅提高覆蓋效果。

［1］虹信通信.GSM 系統(tǒng)高速鐵路無(wú)線通信覆蓋分析［J］.烽火技術(shù)，2009（11）：06-10.

［2］鐘楊斌. 基站覆蓋延伸系統(tǒng)在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化中應(yīng)用研究［D］.北京.北京郵電大學(xué)，2008.

［3］莊野.GSM 高速鐵路專網(wǎng)技術(shù)研究［D］.南京，南京郵電大學(xué)，2009.