高速铁路信号覆盖的方案选择

摘要：本文简介了高速铁路无线信号覆盖面临的主要问题，分析了各设备商的解决方案，并提出了适合高速铁路信号覆盖的最经济合理的方案。

关键词：

高速铁路，信号覆盖，小区切换，站间距，光纤直放站

引言

当高速铁路在我国得到大力发展的同时，高铁沿线的无线通信网络由于机车速度的不断提升而出现了用户体验差的问题。各无线通信设备商针对主要的技术问题，向运营商提出了各自的解决方案，但他们的方案更多的倾向于推广自己的产品。那么从中立的角度来看，哪一种方案是真正合适的最佳方案呢？本文希望通过研究分析给出答案。

高速铁路的信号覆盖问题

十一五期间我国已建成铁路新线1.6万公里，其中设计时速达350公里的高铁达到5000公里。伴随铁路第六次大提速，大量铁路时速已达到160~200公里。但铁路机车的提速给无线信号覆盖提出了一个新的课题。由于机车速度快造成了严重的多普勒频移和手机频繁切换小区，再加上新型机车全封闭式的厢体设计造成的高达24dB的信号衰减，使得在高铁上打电话音质很差，掉话率很高，接通率很低。有数据表明，高铁与普通列车相比，GSM平均的通话误码率从0.5%升高到1%，切换失败比从0.3%恶化到3.2%，掉话率则从0%升至1.8%。随着机车速度的不断提高，用户体验越来越差，常出现找不到网，通话质量无法接受，掉话率很高，上网速度很慢的现象，成为了大量用户投诉的焦点。

高铁信号覆盖的主要技术难点及现有解决方案

总的来说，造成高铁上信号质量差的原因有：

高速运动带来的多普勒频移

图1 多普勒频移示意图

当移动用户高速靠近或远离基站时，由于多普勒效应手机接收到的基站信号频率会产生一个频偏fd，而手机算法会去和已经偏离的频率对准。这样就造成了手机信号发射回基站时，基站收到的手机信号产生了两倍fd的频偏。从公式可以看到，机车的速度越快，手机的频率越高，偏移量越大。而当基站与机车存在一个夹角时，随着机车运动这个夹角在变化，这就造成了即使机车在匀速运动频偏也在变化。

因此目前主要的降低多普勒频移的方法包括：选择低工作频段，如GSM选择900MHz频段；通过基站AFC（自动频率控制）算法或者调整基站接收机搜索窗的方式实现大的频率补偿；尽量将基站建在距离铁轨较近的地方，减小夹角变化带来的频偏变化，降低基站频率补偿运算的负荷，一般选择距离在50米内。

单小区覆盖距离短和机车移动速度快造成的小区切换频繁

基站设备厂商除了建议对基站的切换算法进行优化之外，还对小区覆盖面积和相邻基站发射塔的距离做了计算。基本的思路是两相邻基站不同小区重叠部分的距离应满足切换重选的时间要求。例如切换过程为200~300ms，切换统计时间一般设置为2s，切换重叠区按6s设计。这样在知道机车最高速度和小区半径的前提下，可计算出满足切换要求的站间距：

站间距=小区半径×cosØ×2-重叠区宽度=小区半径×cosØ×2-最高速度×6s

图2 站间距的计算示意图

依此计算出来的站间距一般在1.5~2km之间。可见基站间距很小，这对长距离高铁来讲，投资是非常巨大的。

但是即便如此，大量手机的频繁切换也会造成基站负荷加重，还是会出现一定比例的切换失败。因此多数基站设备商提出了进一步的方案，就是将相邻的基站RRU（光纤拉远设备）的频点、码道等参数设置成一样，也就是设置成一个小区来避免小区切换。

新型机车全封闭车厢造成的穿透损耗高

有研究表明，我国高铁使用的CRH型、K型、T型和庞巴迪型机车为满足高速运动空气动力学原理要求采用全封闭式设计，这造成了信号的穿透损耗大。尤其是庞巴迪型的损耗高达24dB。这就要求网优部门在做链路预算时要把机车损耗值设为大于24dB。

对高铁信号覆盖方案的建议

可见高铁信号覆盖的突出矛盾不是容量的问题，而是信号覆盖的范围问题。最理想情况是有一个扁长的单一小区覆盖整个高铁沿线，机车在小区内运动时手机不切换小区。机车作为一个移动的容量热点在小区内移动却不改变容量需求。当然这么长的小区在实际中是不存在的，但这可以指明网络优化的方向。

基站设备商提出的沿线光纤拉远设备覆盖的方案对高铁是不合适的，更确切的讲是太昂贵了。正如前文所述，为了避免小区切换，不同的RRU参数配置相同，以形成一个连续的小区覆盖。而这样做是对资源的浪费，每个RRU都有能力形成独立的容量，而机车上用户容量的需求却在随车移动，不需要沿线的小区都有独立容量，只需要在一个满足容量的大小区内运动即可。所以用大量基站设备覆盖高铁是一种很大的投资浪费。

作者认为真正适合的方案是从高铁附近的宏蜂窝基站耦合射频信号，然后利用光纤将信号分别拉到多个远端直放站对高铁沿线进行覆盖。这样做可以用低成本实现长距离的高铁被同一小区覆盖。而单基站可覆盖的最大距离取决于光纤长度带来的时延效应，所以理论上一个宏蜂窝基站的信号可以覆盖很长一段距离。而天线应该选择一对高增益的方向性天线，安装在接近铁轨的抱杆上背靠背向沿线两个方向发射。设备安装的方案有两种：单杆单设备功分给一对天线；一对设备安装在抱杆上各自连接不同方向天线。作者更倾向于后者，因为这样可节省建设一个抱杆，一对天线和一路光缆管道，而覆盖效果两者几乎相同。

从前文可知计算站间距时，当要考虑切换的时候需要预留重叠区。而当采用多光纤直放站覆盖时，对于源自同一宏蜂窝基站的一组光远端机，从一个光远端机覆盖区移动到另一个光远端机覆盖区时，没有切换小区，因此不必预留重叠区。相反，由于手机的算法允许存在一定时间内没有网络信号也不会失去与基站同步，所以这时相邻直放站的覆盖区域理论上可以有一定空隙，至少是不需要重叠。这样一个直放站的覆盖距离就会比原来大很多。而对于从一个宏蜂窝基站小区切换到另外一个宏蜂窝基站小区，还是需要考虑预留重叠区的。

图3 光纤直放站组网方案

结论

因此最经济合理的高铁信号覆盖方案是，从高铁附近宏蜂窝基站耦合射频信号，由光纤把信号拉到高铁沿线的多个远端直放站，采用单杆双直放站双定向天线的方式覆盖一段区域，多个光纤直放站覆盖区域形成连续的一个小区。直放站间距不考虑重叠区，只在与相邻小区切换时考虑预留重叠区。这样做可以最低价格实现最大距离的信号覆盖，既满足覆盖范围的要求又满足系统容量的需求。

参考文献

【1】浙江三维有限责任公司，2007年8月24日，“高速铁路信号覆盖优化”，互联网，

【2】中国移动通信集团吉林有限公司，2009年12月，“哈大、长吉城际铁路吉林段专网覆盖技术方案”，互联网，

【3】华为技术有限公司，“华为WCDMA高速铁路覆盖方案”，互联网，

【4】中兴通讯股份有限公司，“中兴通讯UMTS高铁覆盖方案”，互联网，