高铁WCDMA网络覆盖技术探讨发表论文

高铁WCDMA网络覆盖技术探讨发表论文 高速铁路的WCDMA网络覆盖技术探讨 1,21陈颖羿， 钟晓峰 1.清华大学 电子工程系，北京 100084 2.北京中网华通设计咨询有限公司，北京 100070 摘要:本文针对高速铁路的移动信号覆盖问题，从影响高速铁路WCDMA网络的车体穿透 损耗、多普勒效应等因素进行分析，并结合武汉-广州客运专线高速铁路的工程实践，提出 网络覆盖解决 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 ，详述网络规划和组网方案。 关键词:高铁;WCDMA;覆盖;组网方式 Analysis of WCDMA Network Coverage Technology for High-speed Railway 1,21CHEN Ying-yi, ZHONG Xiao-feng 1.Department of Electronic Engineering, Tsinghua University, Beijing 100084, China 2.Beijing ChinaComm Design and Consulting Co., Ltd, Beijing 100070, China Abstract: In this paper, the WCDMA mobile cellular network coverage of high-speed railway problem is analyzed, including the path loss of train body, Doppler effects, and so on. With the help of the practice in the Wuhan-Guangzhou Hight Speed Railway project. A coverage approach and optimized network planning are proposed and discussed in the paper. Keywords: High-speed railway; WCDMA; Coverage; Network planning 1、引言 高速铁路是指最高运行时速在200公里以上的铁路，一般采用动车组。高速铁路具有速度快、 客运量大、全天候、安全可靠等优势。近年来我国高速铁路建设事业飞速发展，多条城际快速铁 路和高速客运专线已开通运营，还有大量的客运专线正在建设或列入十二五规划。可以预见，未 来几年高速铁路将成为我国地面客运的主流。高铁安全、快捷和舒适吸引许多商务旅客，这些旅 客多是各运营商的中高端用户，有使用各种移动通信业务的需求，对语音和数据业务要求高、需 求量大。但由于受特定环境的影响，目前高速铁路的WCDMA网络覆盖还存在一些问题。对影响高 速铁路网络覆盖的各方面因素，本文进行详细的分析，提出相应的解决方案，重点讨论高铁覆盖 组网方式以及改善高铁覆盖的技术手段。 2、高铁WCDMA网络覆盖面临的挑战 高铁具有列车速度快、铁路线路长和穿越地形种类多等特点，是一个比较特殊的覆盖场景。 高速运动中正常通信遇到的挑战主要包括:穿透损耗、多普勒效应和快速切换。速度越快，影响 越大，解决难度也越大，对技术的要求也越高。 共8页 第1页 2.1密闭车厢的高穿透损耗 [1]高速列车车身由金属包裹，屏蔽效应明显。根据测试，高速列车的穿透损耗约为20,30dB(不同车厢型号，损耗有所差异)。因此导致覆盖不连续。京沪、武广高铁上运行的“CHR3列 [2]车穿透损耗为26,32dB，列车内外信号相差约1000倍”。为保证车内良好覆盖，铁路沿线需要设置较多的基站。目前采用的解决办法主要有以下几种。 (1)采取技术手段扩大基站覆盖范围，减小沿线基站数量。 (2)采用车载直放站方式，列车顶部天线集中接收，通过分布系统覆盖车厢内部(这种方式需要改造列车或列车出厂前安装，目前技术不成熟，不易大规模推广使用)。 2.2 多普勒效应的影响 铁路线一般呈线状分布，因此铁路沿线的基站也呈线状分布，导致多普勒效应明显。多普勒效应对基站通话质量和网络数据速率产生严重影响，造成高铁的网络质量较差。 高速移动的用户频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重。运动速度越快影响越大。多普勒效应显著，会影响无线通信质量(载干比)，影响的程度与频偏的变化呈非线性关系，所以当列车高速通过基站，经过与基站垂直距离最近的点时，多普勒效应变化最快。列车高速运行时由于多谱勒效应，对于射频信号的中心频率产生频率偏差，多谱勒公式如下: ffvC,，，cos/,m (1) fv其中，:载波频率，单位Hz，对于WCDMA，为2GHz;:列车运行速度，单位:m/s;C,:电磁波传播速度=3×108m/s;:列车动行方向与电磁波传播方向的夹角。 fffvC，/dm式(1)中，与入射角无关，是的最大值。 在用户移动过程中，多普勒频移随着用户位置的变化而变化，图1为系统通信时的频移产生示意图。 图1 多普勒频移示意图 从式(1)可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大;完全垂 [3]直时，没有多普勒频移。表1显示典型情况下的最大多普勒频移(用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即θ=0): 共8页 第2页 表1 不同时速对WCDMA系统产生最大频率偏差表 150 200 250 300 350 运行速度(km/h) 292 389 486 583 681 WCDMA 频率偏差(Hz) 多普勒效应广泛存在，普通低速度情况下效应不明显，但当列车速度超过200km/h的临界 [4]速度时，多普勒效应愈显突出。高速运行状态下用户通话时会产生一定的频移，使相同信号强度情况下用户通话质量恶化，从而引发话音断续、掉话等。 同时主流厂家基站可以支持频偏补偿，具体实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移;同时相应对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。 2.3 高速运动对切换的影响 在高速运动场景下对UE切换的性能会有较大的影响。“为保证用户无缝移动性及QoS，最 [5]基本的要求就是需要保证用户通过切换区域的时间一定要大于切换的处理时间”，否则切换流程无法完成，会造成用户的QoS下降甚至掉话。 假设切换区大小不变，速度越高终端穿越切换区的时间越小。因此，当终端移动速度足够快，以至于穿越切换区的时间小于系统处理软切换的最小时延时，软切换流程将无法完成，进而导致掉话。 按照切换时延2s，根据速度和距离的关系，可以大致获得终端移动速度与所需最小切换区大小的对应关系(见表2) 表2 不同速度下最小切换区大小 100 200 250 300 350 终端移动速度/(km/h) 56 111 139 167 194 所需切换区大小/m 3、高铁WCDMA网络覆盖方案 综合考虑以上各因素的影响，为解决好高速铁路的WCDMA网络覆盖问题，应根据高铁建设情况，制订专门的网络覆盖方案，以提升网络运行质量。通常情况下，解决高速铁路的网络覆盖可以采用专网、公网两种覆盖方案。 3.1专网组网覆盖方案 采用专用的基站小区和频点资源，对铁路进行针对性覆盖，主要用于列车乘客的通信，同时也可兼顾信号覆盖区域内的公网用户。 共8页 第3页 3.1.1 专网覆盖移动性策略 高铁覆盖采用专网覆盖，以专用频点(也可以用室内分布频点)进行覆盖。 专网与公网可采用以下配合策略: (1)公网频点为f1，专网频点为f2。 (2)在车站配置f1、f2两个频点，其中f2小区为车站的室内分布小区;或只配置f1一个频点。如果车站配置两个频点，则车站用户在公网和专网间随机驻留;同时两个频点相互配置邻区，允许用户在两个频点之间的重选和切换。 (3)在站台规划过渡区域。在过渡区域内，控制公网f1的覆盖，并通过重选和切换参数设置，引导f1频点上的用户驻留或切换到f2频点上。过渡区也可以规划在铁路站台或火车开出的一小段铁路上，但需控制范围，避免过渡区泄露到站外或铁路外的区域，减少过渡区对非铁路用户的影响。 (4)铁路沿线的专网小区(f2频点)配置f1的单向邻区，允许专网用户向公网重选和异频硬切换，但不允许公网用户向专网重选和异频硬切换。之所以这样配置，是为避免公网用户误驻留在专网上无法重选或切换到公网而掉话。但需要对专网小区配置较低的异频重选和切换门限，同时专网在火车上提供良好的覆盖，以保证火车上的用户不会重选或切换到公网。 将来当公网F1频点不能满足容量需求，需要采用第三个频点进行扩容时，以上移动性策略还是适用的，这时需要合理地控制好专网、公网的覆盖，减少彼此间的干扰，满足用户服务质量的需求。 3.1.2 专网覆盖方案 为建立高速铁路的专网，可采用以下几种方法: (1)双RRU0.5+0.5小区覆盖解决方案 在高速覆盖采用BBU-RRU组网时，“采用1个逻辑小区带2个RRU方式来覆盖铁路，即2 [6]个RRU背靠背安装，分别覆盖2个方向，消除更软切换区，可以解决绝大部分切换问题”。图2示出的是双RRU0.5+0.5覆盖示意图。 (2)功分小区分裂方式 共8页 第4页 在站间距较小(比如利用现网站址，受地形和站址获取限制)、覆盖可以满足的情况下，可以根据情况适当采用单RRU功分方式。 [7]“对于连续两个采用小区分裂的站点，可以通过光纤拉远配置为0.5/0.5方式”。其中，RRU1和RRU2使用0.5/0.5方式配置为同小区。 (3)RRU分布式扇区方式 在隧道内及隧道和开阔地交错的地区，为减少切换，当级联RRU个数超过3个时，可以采用RRU分布式扇区方式配置为共小区。但此时，有底噪抬升，抬升幅度为: NoiseRise=10×log(N) (2) 其中，N为共小区RRU的个数。为避免底噪抬升对上行覆盖造成较大的影响，方案中限制共小区RRU个数，最大为4个，尽量在3个以下。 RRU使用40W载波发射功率，以增加覆盖，减少站点数。“导频功率配比保持为10%，即 [7]4W”。 3.2公网组网覆盖方案 采用铁路附近原有站点或新建站点，利用公网频点资源，在覆盖附近用户的同时，覆盖铁路 [8]列车上的用户。通常可采用以下覆盖方式: (1)新增宏基站 + 高增益天线建设方案 当铁路沿线覆盖存在较大空洞时，需要建设宏基站来解决覆盖深度问题。沿线新增的宏站应尽量靠近铁路，垂直距离务必控制在300米之内。尽量增加单站的覆盖范围，以减少投资和切换次数，提高网络KPI。 单方向两个小区基站，一定要规划好基站处的切换带。对于双方向单小区基站，不会存在基站的切换问题，从而减少切换次数，一定程度上提高网络的KPI。但是，因为相对于单方向两个小区方案增加3.5dB的功分损耗，会使单小区的覆盖范围减小，增加整体基站数。 (2)新增第四小区 [7]“第四小区覆盖是指在现有的三小区蜂窝小区结构上，新增一个小区以提升覆盖”。对于高速铁路第四小区，硬件上要求每小区增加功分器来覆盖两个方向，这样可以减少高速列车的小区切换和重选数目。 采用第四小区的主要优势包括: 1(原有覆盖不受影响，以往的覆盖模式，小区服务范围除铁路外还有周边的道路和城区，因此对铁路的覆盖调整要考虑的因素很多，存在铁路覆盖和周边覆盖相互制约的情况，而采用第四小区专门用于覆盖铁路则不存在这种情况。 2(不影响原有话务吸收，容量优化简单，铁路覆盖区域如穿过城区，话务量大，对铁路的话务存在隐患，而且，铁路小区优化往往进行功分和功率扩展，将给覆盖小区带来更大的话务压力，话务量成了制约铁路小区覆盖延伸的因素，而采用第四小区可以专门覆盖铁路，无需考虑话 共8页 第5页 务压力问题，可以将覆盖优化做得更好。 3(有利于实现铁路的专门覆盖，形成简洁的小区重选和切换关系。 4(有利于参数的优化。第四小区专门进行铁路的优化，可以将一些特殊的利于高速移动的参数在第四小区进行修改，而不会对其它用户造成影响。不采用第四小区则无法实现。 5(对于高话务密集信号杂乱、小区切换重选频繁的城区，使用第四小区形成主导，可以较好地避免因为话务导致切换失败的情况出现。 但在新增第四小区时要注意保持基站与铁路合理的站址及站间距。由于第四小区专门覆盖铁路，应尽量减少对非铁路区域的覆盖，因此和铁路越近，效果越好。站间距宜在1公里以上，列车高速移动，要保证切换和重选合理，必须有这个距离。新增第四小区的缺点主要是引入功分器增加3.5dB损耗，因此应注意边缘覆盖。 3.3 专网方案和公网方案比较 表3 高铁组网方式对比 项目 专网方式 公网方式 只覆盖高速铁路带状区域，铁路附近其他区域覆覆盖区域 高速铁路和铁路附近区域均需覆盖 盖由公网解决 专网信号只覆盖铁路，不覆盖周边区域，要求对铁路覆盖与周边公网统一规划，不存在信号泄信号场强要求 信号有很好的控制，尽量避免对外围区域的泄漏 漏问题 满足列车上用户及铁路周边区域用户的需求，业务量需求 只需满足列车上用户的需求，业务量需求较低 业务量需求较高 专网覆盖站点和外部公网基站需按照异频方式配和周边公网统一进行频率配置，不需要专用频频率配置 置，建议使用专用频率 率 只在车站区域设立与公网的出入口，铁路覆盖内公网方案中覆盖铁路的小区虽在网络优化时 临区设置 小区不设公网邻区，不与公网进行小区重选和切尽量减少与外网邻区关系，但一般还保留与大 换，所有切换和重选只在内部进行 网的主要相邻关系 后期优化较困难，特别实在缓冲区域或高速线后期的网络优化相对简单，只需要考虑缓冲区域网络优化 经过的较为复杂的地理环境时，如何兼顾高速内与公网之间的优化 移动用户和低速移动用户是优化的难点 从对比分析看，采用专网覆盖方案具有很大的优越性，因此建议采用专网覆盖方式，解决高速铁路的网络覆盖问题。 共8页 第6页 4、武广高铁覆盖情况 武广客运专线是我国铁路高速客运网主骨架北京至香港客运专线的组成部分，位于湖北、湖南、广东三省境内，自武汉站引出，终于新广州站，正线全长968.45公里，其中湖北省境内长152.82公里，湖南省境内长517.95公里，广东省境内长298.48公里。武广铁路客运专线设计时速达380公里，实际运行速度能达到260—270公里/小时(本工程湖南境内武广客运专线运行时速按照时速350公里进行计算)。 4.1 中国联通WCDMA无线覆盖方式 武广高铁目前采用专网覆盖方式，全省统一规划，统一建设武广客运专线专用网络系统，根据地理位置情况，长沙、株洲和湘潭境内高铁距离相对较短，铁路在株洲和湘潭两地间穿插，且三地区联通通信已经一体化，因此将全省划分为岳阳、长株潭、衡阳和郴州四个小型专用网络，分别使用不同厂商BBU+RRU设备，并分别挂入各地区专用BSC/RNC。 优点:有效的解决大专网方案网络优化、维护困难、计费和拨号出现问题的情况;如果要实现在一个RNC下，计费划分在长株潭三个地市，无线方面需要在一个RNC下划分出三个不同的LAC，在核心网侧需要划分大本地网，让核心网针对每个LAC分配不同的VLR GT地址，带三个不同的LAC，对VLR(HLR)发起位置更新，更新计费营帐数据;另外三个地市的号段也不同，计费也能区分开。 缺点:各地区专网边缘增加跨BSC/RNC和MSC的小区重选和切换，容易造成掉话。 对于多普勒频移，目前主流的设备厂家的3G设备均已经采用频偏补偿技术，对于时速380公里以内的多普勒频移，均可以正常解调信号。 在采用专网的覆盖方式下，新建站点采用BBU+RRU分布式基站，便于安装、节能。同时结合采用拉远的RRU方式，使用功分器，沿铁路两侧覆盖，以延长基站小区覆盖范围，减少小区间切换频次。拉远的RRU尽可能与原有基站实施小区合并。 WCDMA切换时长为2.4s，可以据此计算出相邻两个基站间所需的重叠覆盖距离。在武广高铁实际实施时按照3s的保守考虑，运行速度为330km/h时，切换距离为280米;运行速度为380km/h时，切换距离为320米。在站点布放时按照此原则来选取基站位置，可以比较好地克服3G切换的问题。 4.2 武广高铁岳阳段测试结果 武广高铁岳阳段专网室外覆盖共新建站点68个站点，其中室外WCDMA系统BBU+RRU站点21个，单RRU站点34个，直放站13个，平均站距约1.5km。 共8页 第7页 表4为武广高铁覆盖前后覆盖指标对比结果，由表中可看出，采用专网覆盖后车内RSCP大于-90dBm点的累计分布为95.37%，EcIo大于-12dB的点为95.65%，满足网络建设目标，可以提供可满意的视频业务Vedio Profession及HSDPA服务。 表4 武广高铁覆盖前后测试对比结果 武广高铁覆盖指信号良好覆盖率业务质量良好比例(Best 话音电话拨打成话音用户掉 Ec/Io>-12dB) 标 (RSCP?-90dBm) 功率 话率 48.49% 51.05% 53.65% 3.87% 专网覆盖前 95.37% 95.65% 96.02% 0.49% 专网覆盖后 5、结论 本文对高速铁路WCDMA网络覆盖的影响因素进行分析，提出专网解决方案和公网解决方案，通过比较得出专网覆盖方案更优的结论。 高速铁路的大规模建设在我国还属于起步阶段，移动网络高铁覆盖还没有成熟经验可循，因此还需要相关技术人员在后续运行维护期间，不断积累实践经验， 总结 初级经济法重点总结下载党员个人总结TXt高中句型全总结.doc高中句型全总结.doc理论力学知识点总结pdf 完善，做好高铁覆盖。 参考文献: [1] 张敏, 李毅, 舒培炼. 高速铁路列车车厢穿透损耗应用探析[J].移动通信,2011,(02) [2] 马为民, 耿玉波, 孟令斌. WCDMA网络高铁覆盖技术分析[J].邮电设计技术,2010,(06) [3] 石文涛. 高速铁路WCDMA无线覆盖研究[J].移动通信,2011,(02) [4] 黄必鑫, 杨孝最. WCDMA网络中的高速铁路规划策略[J].电信工程技术与标准化,2009,(10) [5] 张传福, 李梦迪, 王刚. 高速移动环境下组网方案[J].电信工程技术与标准化,2009,(12) [6] 胡晖. WCDMA网高铁覆盖规划方法探讨[J].邮电设计技术,2009,(12) [7] 谢绍富. 高速铁路WCDMA网络覆盖方案探讨[J].山东通信技术,2010,(01) [8] 李富新, 谢鹰, 刘文鹏. 高速铁路移动网络覆盖方案的研究[J].邮电设计技术,2008,(09) 作者简介: 陈颖羿(1982,)，男，甘肃陇西人，清华大学在职研究生，e-mail: xiandaihouyi926@163.com, 研究方向为移动通信网络. 共8页 第8页