李筱林袁俊杰

（1．柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545007；2．廣西電信柳州分公司，廣西柳州 545005）

廣西高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略簡析

李筱林1袁俊杰2

（1．柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣西柳州 545007；2．廣西電信柳州分公司，廣西柳州 545005）

以廣西高鐵為研究對象，通過對影響高速鐵路CDMA網(wǎng)絡(luò)性能的原因進(jìn)行分析，探討面向高速鐵路列車服務(wù)的CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的難點，針對不同的網(wǎng)絡(luò)場景，提出可以應(yīng)用于高速鐵路的CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化策略。

高速鐵路；CDMA；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；優(yōu)化策略

隨著我國高速鐵路通車?yán)锍滩粩嘣黾?，城市之間的距離被縮短了，越來越多的商務(wù)人士優(yōu)先選擇高速鐵路出行，高速鐵路上的手機(jī)用戶對手機(jī)信號的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量提出更高的要求。2013年12月28日，隨著廣西高鐵的開通，結(jié)束了廣西沒有高鐵的歷史，廣西高速鐵路全長1000 km以上，最高時速可達(dá)300 km以上，平均時速250 km。由于高速列車完全封閉，行駛速度比傳統(tǒng)鐵路快，因此傳統(tǒng)CDMA網(wǎng)絡(luò)在為高速行駛的列車上旅客提供通信服務(wù)時，需要克服不少難題，才能提供高質(zhì)量的CDMA網(wǎng)絡(luò)服務(wù)。

1 廣西高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò)面臨的問題分析

針對廣西境內(nèi)高鐵的電信CDMA網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，中國電信廣西分公司對廣西境內(nèi)的全部高鐵進(jìn)行評估測試，通過對語音業(yè)務(wù)進(jìn)行測試，評估電信網(wǎng)絡(luò)的語音業(yè)務(wù)覆蓋率、語音業(yè)務(wù)呼叫保持性以及語音質(zhì)量，以指導(dǎo)后期網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、網(wǎng)絡(luò)建設(shè)與網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化電信CDMA DT語音業(yè)務(wù)測試指標(biāo)如表2所示。

表1 電信CDMA語音業(yè)務(wù)測試統(tǒng)計表

分析以上測試結(jié)果可以看出，整體覆蓋效果較差。由于高速鐵路的特殊性，CDMA移動通信網(wǎng)絡(luò)需面臨以下幾個技術(shù)問題。

1.1 高速列車車廂里的CDMA網(wǎng)絡(luò)信號變差

由于高速列車的密閉性普遍比較高，信號穿過車體的損耗比普通列車要大，造成車廂里的CDMA網(wǎng)絡(luò)信號較差，特別是一些密閉性較高的車型，更是無法滿足手機(jī)信號的覆蓋要求。使用較多的3種車型的測試比較如表3所示。通過分析3種車型的測試結(jié)果，高鐵車型對接通率、覆蓋率、掉話率的影響是顯而易見的，其中CRHI（龐巴迪）穿透損耗最大。

1.2 多普勒頻移造成通信質(zhì)量降低

由于通信基站是固定安裝在高速鐵路沿線的，手機(jī)用戶在高鐵車廂內(nèi)是相對運動的。由于存在接收機(jī)（手機(jī)客戶端）與基站發(fā)射源之間的相對運動，使得接收機(jī)接收到的信息頻率與發(fā)射源發(fā)射的信息頻率會存在差異，這種差異就是多普勒頻移現(xiàn)象。隨著相對運動速度的提高，多普勒頻移現(xiàn)象會更加明顯。廣西高鐵設(shè)計速度為200～350 km/h，在這樣的高速下，信號傳輸?shù)亩嗥绽疹l移現(xiàn)象更為嚴(yán)重，會引起基站和終端解調(diào)性能降低、誤幀率上升或數(shù)據(jù)速率下降，從而造成用戶通信質(zhì)量降低。

表2 電信CDMA DT語音業(yè)務(wù)測試指標(biāo)

1.3 鄰區(qū)切換成功率降低

若采用鐵路沿線原有覆蓋小區(qū)的信號來覆蓋高速鐵路，由于高鐵列車運行速度快，會造成頻繁切換小區(qū)。另外，在切換帶比較窄的區(qū)域，相鄰區(qū)域的導(dǎo)頻有可能不能及時進(jìn)入激活集，從而造成切換不成功。而且，無論是CDMA1x還是EVDO系統(tǒng)，都采用軟切換技術(shù)，EVDO前向鏈路也使用虛擬軟切換技術(shù)，要完成軟切換或虛擬軟切換都需要一定時間，而在這個時間內(nèi)，接收機(jī)是在高速移動的，也容易造成切換不成功。用傳統(tǒng)的CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋高鐵列車，必然會降低切換成功率。

1.4 復(fù)雜的地形地貌帶來弱覆蓋

廣西屬丘陵地貌區(qū)域，地形復(fù)雜，地勢高低起伏，隧道多，給CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來較大困難，有很多區(qū)域會出現(xiàn)覆蓋較弱的現(xiàn)象，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。

通過以上分析，用傳統(tǒng)的CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋高速鐵路，存在車廂信號弱、通信質(zhì)量低、切換成功率低、區(qū)域弱覆蓋等問題，不能為高速鐵路提供優(yōu)質(zhì)的通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，需要用特殊的策略解決這些問題。

2 解決策略

針對廣西高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難點，CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋存在的問題，在原有大網(wǎng)覆蓋的基礎(chǔ)上，對一些有問題的特殊區(qū)域采用針對性優(yōu)化策略，完善CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋；通過對廣西高鐵沿線站點的優(yōu)化調(diào)整以及站點補(bǔ)充來完善沿線覆蓋，而不離于CDMA大網(wǎng)之外孤立進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋。通過對廣西高鐵沿線所經(jīng)過的區(qū)域分析，主要途經(jīng)南寧、柳州、桂林、北海、欽州、東安、全州南、永福南、防城港等人口密集城區(qū)，無線環(huán)境多為丘陵區(qū)域，也途徑郊縣與農(nóng)村、鐵路隧道與橋梁，地形復(fù)雜，根據(jù)不同場景采用對沿線新建站點的方式進(jìn)行高鐵路段覆蓋。

2.1 采用多種手段，優(yōu)化高速鐵路車廂內(nèi)覆蓋

通過合理選擇天線型號、科學(xué)設(shè)計天線掛高、綜合布局基站站點、選取站址控制“掠射角”等多種手段，可以優(yōu)化高速鐵路上行駛的列車車廂內(nèi)的CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

2.1.1 合理選擇天線型號

由于廣西高鐵沿線CDMA網(wǎng)站點并不密集，且周圍村屯多，綜合考慮高鐵和村屯兼顧覆蓋，對于多村屯區(qū)主要選取17 dB增益65°波瓣天線，對于無村屯覆蓋要求，只覆蓋高鐵的基站可選擇21 dB高增益天線。為了更好的兼顧大網(wǎng)與高鐵路線覆蓋，且不出現(xiàn)“塔下黑”的現(xiàn)象采用帶有“零點填充”功能的天線。

2.1.2 科學(xué)設(shè)計天線掛高

根據(jù)每個站點的實際情況進(jìn)行塔桅選擇，保證天線相關(guān)掛高達(dá)到50 m，考慮廣西高鐵主要以高架橋的方式鋪設(shè)，假設(shè)其鐵軌高度基本為10 m左右，天線與移動終端相對高度為50 m，即鐵塔高度設(shè)為60 m，對于郊區(qū)或地面鐵軌部分可選擇鐵塔高度。

2.1.3 綜合布局基站站點

根據(jù)天線型號、天線掛高以及鏈路預(yù)算，綜合考慮切換要求的覆蓋重疊區(qū)、各類損耗等情況，在郊區(qū)站點的站間距小于3 km，在農(nóng)村站點的站間距小于4 km，在跨省邊際區(qū)域站間距小于3 km。由于移動運營商的站間距為800 m，聯(lián)通為1.5 km，站點相對比較密集，為了充分利用資源共建共享，郊縣及農(nóng)村的25個站點平均站間距為3.1 km，最遠(yuǎn)站間距3.7 km，最近站間距2 km。城區(qū)的6個站點站間距在500 km～1000 >km之間。

2.1.4 選取站址控制“掠射角”

“掠射角”就是基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角。根據(jù)測試經(jīng)驗，“掠射角”越小，則列車穿透損耗就越大，如圖1所示。

圖1 掠射角和車廂穿透損耗相互關(guān)系

隨“掠射角”的減小，車廂內(nèi)的穿透損耗增大，以車廂內(nèi)平均穿透損耗值為例，在0°與10°之間，損耗由24 dB快速增長。所以，控制“掠射角”在10°以上能使宏基站為高速鐵路車廂內(nèi)做良好的覆蓋?；驹O(shè)置在高鐵沿線兩旁，考慮掠射角10°以上，根據(jù)公式（1）計算。

其中，H：基站距離鐵軌最小垂直距離，S：基站站間距?；揪嚯x鐵軌垂直距離以200 m～800 m為宜。

2.2 基站采用高通CSM6700、6800解調(diào)芯片，抵抗多普勒效應(yīng)

由于高速運行的列車和固定的基站設(shè)備之間相對速度過高，會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，從而影響到通話質(zhì)量，根據(jù)公式（2）計算。其中，

fd：多普勒頻移；

f：系統(tǒng)工作頻率；

C：光速；v：車速。

通過公式（2）可以計算出，當(dāng)高鐵設(shè)計時速為350 km、f=850 MHz時，對應(yīng)的多普勒偏移大約為275 Hz。該頻偏是基站到手機(jī)的下行信號偏移量，由于手機(jī)會通過下行信號的頻率來校正自身上行的頻率，因此手機(jī)上行的頻率將會產(chǎn)生雙倍的頻率偏移。而在CDMA基站中采用CSM6700、CSM6800解調(diào)芯片允許的多普勒偏移通常在1000Hz左右，可滿足高鐵列車移動速度的要求。

2.3 合理規(guī)劃重疊覆蓋區(qū)，提高切換成功率

高速運行的列車頻繁的小區(qū)切換會導(dǎo)致終端信號差、掉話率升高。進(jìn)行覆蓋區(qū)域設(shè)計時，保證兩個不同小區(qū)之間必須有足夠距離的重疊覆蓋區(qū)，可以提高軟切換的成功率。列車速度越高，需要重疊覆蓋區(qū)的范圍越大。在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，可根據(jù)列車的實際行駛速率進(jìn)行計算，設(shè)計覆蓋區(qū)域。計算方法如圖2所示。

圖2 相鄰小區(qū)切換帶計算示意圖

在圖2中，點A、C和點B、D分別是兩個小區(qū)的邊界，E點為兩小區(qū)信號強(qiáng)度等值點。BC段為兩小區(qū)重疊覆蓋距離。

根據(jù)統(tǒng)計，CDMA1x和EVDO軟切換的時間在300 ms左右，可以滿足EVDO前向鏈路虛擬軟切換的要求。為確保切換成功率，預(yù)留足夠的裕量，根據(jù)經(jīng)驗設(shè)置1 s，能充分滿足EVDO前向鏈路虛擬軟切換的要求，200 km/h移動速度需要56 m的重疊覆蓋距離；350 km/h移動速度需要97 m的重疊覆蓋距離。

2.4 采用“分布式基站組網(wǎng)+泄露電纜”方式實現(xiàn)隧道覆蓋

廣西是丘陵地貌，當(dāng)高鐵通過山區(qū)、丘陵時，通常會有大量的隧道，而且隧道的長度各異，最長可達(dá)10 km以上，短的不到100 m，針對這些長、中、短距離的隧道，可采取“BBU+RRU”的基站組網(wǎng)方式。對短距離隧道，RRU安裝在隧道外兩端，配合使用高增益板狀天線；對中距離隧道，除在隧道外兩端安裝RRU，還可在隧道內(nèi)安裝RRU或者光纖直放站；對長距離隧道，則采用泄露電纜。

3 測試結(jié)果

經(jīng)過以上的解決方案，在桂柳段進(jìn)行測試，其結(jié)果如圖3、4所示。前向物理層峰值速率達(dá)2.5 Mbit/s以上，前向IP層峰值速率達(dá)2.35 Mbit/s以上，優(yōu)秀話音質(zhì)量占73.38%，CDMA1X全網(wǎng)覆蓋，無掉話現(xiàn)象。

圖3 數(shù)據(jù)流量監(jiān)測圖

圖4 話音質(zhì)量統(tǒng)計圖

廣西高速鐵路CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋建設(shè)項目，是在原有大網(wǎng)覆蓋的基礎(chǔ)上，對一些有問題的特殊區(qū)域采用針對性的優(yōu)化策略，完善CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋，根據(jù)CDMA技術(shù)特點和廣西的實際情況，采用BBU+RRU組網(wǎng)方式和其他輔助方式，語音數(shù)據(jù)兩者并重，重點解決了弱覆蓋、切換問題。

4 結(jié)論

針對廣西高速鐵路的CDMA網(wǎng)絡(luò)特性，采取合理選擇天線型號、科學(xué)設(shè)計天線掛高、綜合布局基站站點、選取站址控制“掠射角”等多種手段優(yōu)化高速鐵路車廂內(nèi)覆蓋；在基站中用高通CSM6700、CSM6800解調(diào)芯片抵抗多普勒效應(yīng)；合理規(guī)劃重疊覆蓋區(qū)，提高切換成功率；采用分布式基站組網(wǎng)+泄露電纜方式，實現(xiàn)隧道覆蓋等策略，解決了電信CDMA在廣西高鐵沿線的覆蓋質(zhì)量問題，經(jīng)測試網(wǎng)絡(luò)接通率為94.39%，里程掉話比為14.74，EVDO網(wǎng)絡(luò)DT測試分下行吞吐率大于300 kbit/s的比例為40.80%，達(dá)到了中國電信集團(tuán)的考核要求，提高了用戶的感受度。

[1]中國電信集團(tuán)公司.2009年中國電信高速鐵路CDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)指導(dǎo)意見[S].

[2]中國聯(lián)通.800MHz CDMA數(shù)字蜂窩移動通信系統(tǒng)設(shè)備總技術(shù)規(guī)范：基站部分.[S/OL].[2010-03-22].http：//www.docin. com/p-48845916.html.

[3]陳穎羿，鐘曉峰.高速鐵路的WCDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)探討[J].甘肅科學(xué)學(xué)報，2012（2）：95-97.

Taking Guangxi high-speed railway as a research object, the paper discusses the challenges in CDMA network planning for high-speed trains through the analysis of causes to affect CDMA network performances, and puts forward the CDMA network optimization strategy applicable to high-speed railways according to different network scenarios.

high-speed railway; CDMA; network planning; optimization strategy

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.010

2015-03-03）

廣西高等學(xué)校特色專業(yè)及課程一體化建設(shè)項目（GXTSZY191）工作的開展。測試結(jié)果如表1所示。