中兴通讯高速铁路GSM覆盖解决方案

【摘要】针对现有GSM网络覆盖高速铁路面临的诸多难题,以及目前高铁覆盖采用的光纤直放站方案存在的诸多问题,文章提出了中兴通讯高铁GSM覆盖解决方案,介绍了中兴通讯GSM分布式基站BBU+RRU产品,阐述了该方案降低成本、方便维护以及所采用的专利技术等亮点,最后给出了方案的设计要点和网络覆盖仿真结果。

【关键词】高速铁路 GSM覆盖 BBU+RRU 逻辑小区 损耗

经济发展带动了高速铁路等高效公共交通基础设施的建设,近几年我国高速铁路建设进入蓬勃发展时期。由于高速铁路在列车形态、行驶速度等方面与传统的铁路有很大区别,现有的GSM网络在面向高铁提供服务时,将面临诸多难题,从而直接影响服务质量。例如新规划的高铁大量穿越农村地区,原GSM网络覆盖不足,铁路沿线资源不足,网路规划复杂,建设成本高。同时高速列车车厢损耗高达24dB,车厢内信号变差,且受到多普勒效应影响,通话质量差。

因此,需要专门针对高速铁路应用场景设计GSM覆盖方案。在目前的高铁覆盖方案中,普遍采用的是光纤直放站的解决方案,但由于光纤直放站设备本身的限制,此类方案存在一定的局限性,比如引起信号失真、无法增加系统容量、发射功率受限、难以监控管理等。

中兴通讯通过对用户需求的深入理解和分析,基于创新的基带和射频分离的分布式基站设备,辅以逻辑小区等专利技术和完善的网规设计方案,推出专门针对高速铁路的GSM覆盖解决方案。与光纤直放站方案相比,该方案可以提供更好的网络覆盖,易于扩容和管理,并且能提供灵活的网络规划设计方法,助运营商为高铁乘客提供优质的网络服务。

1 中兴通讯高铁GSM覆盖解决方案

中兴通讯的特色高速铁路覆盖解决方案,采用了适合铁路线型覆盖的分步式GSM基站BBU和RRU、针对高速铁路应用场景而推出的专利逻辑小区技术,以及适合高速铁路的网规设计。中兴通讯分布式基站如图1所示:

图1中兴通讯GSM分布式基站BBU+RRU产品

中兴通讯在业界创新设计了BBU+RRU产品。在高铁覆盖方案中,BBU与RRU之间物理上光纤连接,承载的是基带信号,因此在对端可以实现无失真的传输。相比之下,射频信号拉远或者中频信号拉远是有损耗的,拉远距离非常有限。

在进行高铁沿线的GSM网络建设时,基带单元BBU一般放置在室内环境如车站机房内,或内置到室外机柜中,射频单元RRU沿铁路进行安装。RRU的体积小、重量轻,并且具有IP65的高防护等级,使其具有灵活的安装方式和广泛的环境适应性,可以借助铁路两侧的铁塔、抱杆等进行安装;对于某些特殊环境如隧道等,还可在岩壁上固定安装。多个RRU之间通过光纤级联到BBU,形成链型连接,BBU则通过标准的Abis接口连接到BSC。

同时,中兴通讯对高速状态下的网络规划和优化进行了细致考虑,通过拥有专利的逻辑小区和合理的网络参数设计来解决高速状态下的信号切换等问题,从专利技术的使用和网规设计两方面保证了解决方案的全面性和针对性。

2 方案亮点

与传统的铁路覆盖不同,中兴通讯高速铁路覆盖解决方案是专门针对铁路线型铺设、野外环境多,以及列车处于高速行驶状态而设计的解决方案,基于创新的分布式基站设备和专利的逻辑小区、双向小区等技术。与传统的铁路GSM覆盖方案相比,中兴通讯高铁解决方案在提升覆盖质量、降低建设和维护成本等方面,都具有独特的优势。

(1)降低建设成本

中兴通讯的高速铁路方案基于分布式基站BBU和RRU。与传统的宏基站相比,分布式基站体积小、重量轻,便于维护安装。特别是需要铺设在铁路沿线的射频单元RRU,重量小于24kg,支持上塔、抱杆、墙壁等多种安装方式,对配套要求低,单人即可安装,降低了工程成本。而且多个RRU通过光纤级联,适合铁路覆盖模式,并共享基带单元,节省了主设备投资。

另外,中兴通讯高铁覆盖解决方案采用的是基于多载波技术的新一代SDR设备,仅一个RRU就可以支持1到6载频的配置,具体数量完全由软件控制。这样,高速铁路覆盖的网络容量就可以通过软件来控制。在铁路开通初期车次较少的情况下,每RRU可以只开通1～2载频;随着车次的增加,可以通过软件配置增加开通的载频数量,从而节省了大量的硬件扩容和维护成本。

(2)维护更加简便

分布式基站可以将BBU和RRU单独安装。BBU安装于基站机房,所有开通调试、软件升级和日常操作维护都可通过网管系统或BBU上的维护终端进行,使运营商通过远程配置管理就可以实现扩容及设备维护。而RRU具有IP65的高防护等级,完全自然散热,无内置风机,提升了设备稳定性。每个RRU有各自的ID和通讯地址,将RRU在物理上分开管理控制,告警和状态管理按照物理位置上报,从而方便运营商迅速定位故障位置,提升网络覆盖质量。

(3)多种创新技术

通过双向小区、逻辑小区等专利技术和多种切换算法的应用,配合有针对性的网络规划,中兴通讯的解决方案可以高度贴合高速铁路的实际应用场景,保证网络服务质量。

在列车高速运行时,由于与RRU相对速度过高,会产生多普勒效应,从而影响到通话质量。为解决这个问题,中兴通讯推出了创新的双向小区技术。双向小区技术的原理,是针对不同方向上的列车,设立互相独立的两层小区,系统通过判断列车的行进方向(可以通过顺序接入不同的RRU来判断)来选择接入小区层,每个方向上的列车仅通过固定的小区层接入。两层小区间不配置邻接关系,避免手机在两层小区间切换。这样,其中的一层小区针对一个方向上的列车进行频率偏移设置,而另一层小区针对相反方向的列车设置频率偏移,就可以解决基站无法对相向运动的小区用户同时进行补偿的问题。

中兴通讯拥有专利的逻辑小区技术是指不同RRU采用相同的频率及参数设置,在逻辑上设置为同一小区。在高铁覆盖中,通过将相邻的RRU设置为同一逻辑小区,可以有效避免传统覆盖方案中切换过于频繁从而导致切换成功率低的问题。此时,在下行方向,相当于同频分集发射,每个RRU包含同样的BCCH小区广播控制信道和业务载频资源,在相同信道上进行相同的发射。通过对RRU光纤拉远不同距离造成的时延进行补偿消除,BBU内所有RRU是严格同步的。BBU将来自网络侧的每一路信令或话音数据,根据配置的情况,分发到小区内所有RRU的相同信道。手机可以在级连的RRU的覆盖下实现分集接收,增强了下行信号的接收效果。上行方向,基站相当于多路接收,手机在级连RRU的相同信道上发起接入请求,信令或数据通过光纤传递到BBU之后,基带处理板实现多路合并分集接收,提高了上行接收灵敏度和抗干扰能力。

除逻辑小区、双向小区等技术外,中兴通讯高铁覆盖网络还开启了多种切换算法,以保证切换成功率,包括上下行质量电平切换、PBGT切换、基于TA的切换、快速切换等等。

通过各种创新产品和技术的应用,中兴通讯高速铁路覆盖解决方案在武广铁路开通后,能为高铁乘客提供优秀的网络服务。

3 信号强度设计

高铁专网设计中,首先要对各列车类型作相关的穿透损耗测试,以穿透损耗最大的车型作为设计基础,来确保用户在各种车型中都可以获得正常的通话电平值。表1列出了各种车型的损耗测试结果:

因此,在高速铁路覆盖的设计中损耗值应取24dB。按要求,车厢内提供用户通信的电平值要达到-85dBm,则列车车厢外的覆盖电平需达到-61dBm。中兴通讯分布式基站中,RRU的机顶输出功率最高可达47.8dBm,即使考虑到路径损耗,也完全可以满足要求。在实际施工中,可根据RRU的安装位置和天线挂高进行链路预算,来调整机顶输出功率。

图2为高铁覆盖方案网络覆盖仿真结果。图中蓝色点状覆盖均匀连续,表明信号良好地覆盖了高铁沿线。

图2网络覆盖仿真图

4 小结

综合上述分析,BBU+RRU产品形态由于其射频单元能够拉远贴近覆盖区域,因此非常适合高速铁路这种带状狭长地带的覆盖,并且相比光纤直放站等方案具备明显的优势。除了高速铁路,类似的场景包括隧道(含地铁)、高速公路等也可以采用这种方案。

【作者简介】

姜文:2005年获浙江大学计算机科学硕士学位,现任中兴通讯股份有限公司高级方案经理,研究方向为GSM无线网络技术及解决方案。