黃甲福

（中鐵二十四局上海電務(wù)電化公司　福州分公司）

淺析高鐵公網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用

黃甲福

（中鐵二十四局上海電務(wù)電化公司福州分公司）

根據(jù)公網(wǎng)在高鐵覆蓋特點，結(jié)合溫福、福廈、龍廈及向莆高鐵公網(wǎng)覆蓋工程實際施工應(yīng)用，研究覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，并提出了幾種應(yīng)用方案，有效地應(yīng)對高鐵沿線各種復(fù)雜場景。

高速鐵路；覆蓋特點；增強(qiáng)技術(shù)；應(yīng)用方案

1　引言

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，近年高速鐵路網(wǎng)已初步形成，改善高速鐵路覆蓋質(zhì)量，以提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量及提高服務(wù)質(zhì)量，對提升各運營商品牌形象有至關(guān)重要意義。但公網(wǎng)在高速鐵路覆蓋中面臨很多挑戰(zhàn)，高速列車由于運行速度快，列車采用密閉式廂體設(shè)計，穿透損耗大，且沿途場景復(fù)雜，增加了高速鐵路公網(wǎng)連續(xù)覆蓋的難度，同時高鐵貫穿大網(wǎng)覆蓋的區(qū)域，容易造成相互干擾，必須選擇合理的組網(wǎng)策略實現(xiàn)高鐵與大網(wǎng)間協(xié)同覆蓋。

本文通過分析高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點，針對高鐵特殊場景進(jìn)行運用分析，提出了合理的應(yīng)用方案供參考。

2　高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點分析

（1）多普勒頻移影響，如不進(jìn)行有效校正，公網(wǎng)系統(tǒng)解調(diào)性能將嚴(yán)重惡化，甚至導(dǎo)致系統(tǒng)不能正常通信。

高速鐵路覆蓋場景對公網(wǎng)系統(tǒng)性能影響最大的就是多普勒頻移效益。所謂的多普勒頻移效益是指接收到的信號的波長因為信號源和接收機(jī)的相對運動而產(chǎn)生變化。多普勒頻移效益所引起的附加頻移稱為多普勒頻移。

對于高速移動的用戶，多普勒頻移往往很大，對于基站接收機(jī)而言，正確估計上行頻率誤差并完成頻率誤差校正正是接收機(jī)必須完成的功能，否則將對上行鏈路性能造成很大的影響，基站接收機(jī)還需要應(yīng)對頻移快速變化的問題，能夠迅速跟上頻移變化速度并行有效的補償。如果頻移跟蹤速度過慢，則會在頻移快速變化時產(chǎn)生很大的估計誤差，將導(dǎo)致性能嚴(yán)重惡化。

（2）高速鐵路列車采用密閉式廂體，車體對無線信號穿透損耗大，造成高鐵覆蓋站點設(shè)置密集，站點選址較困難。

高鐵公網(wǎng)設(shè)計中，為確保用戶在各鐘車型中都可以進(jìn)行正常通話，首先要對各列車類型的穿透損耗值作相關(guān)測試。目前中國高鐵主要有CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這四種類型，其中CRH1、CRH2、CRH5均為200km/h級別，CRH3為300km/h級別（營運速度超過300km/h，其中CRH380型列車標(biāo)準(zhǔn)時速為380km/h）。

高速列車由于采用密閉箱體，所以車體對無線信號的穿透損耗較高，表1列舉了國內(nèi)幾種高速鐵路新型列車的車體穿透損耗值。

表1　各種車型損耗取值參考表

不同車型的列車車廂穿透損耗差異很大，全封閉的新型列車比莆通列車穿透損耗大5～10dB。在高速鐵路公網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計中，應(yīng)考慮未來可能的車體類型的損耗，來滿足和兼容對各系列高速列車的覆蓋要求。

（3）高鐵跨度大，場景復(fù)雜。

一條高鐵通常經(jīng)過多個地市或省份，途徑多種場景，包括市區(qū)、火車站、山區(qū)丘陵/橋梁、平原、劈山口、隧道等，實現(xiàn)連續(xù)覆蓋難度加大。特別是無線電在隧道傳播條件差，由于在隧道內(nèi)墻壁對電磁波會產(chǎn)生屏蔽、吸收和散射作用，隧道其實相當(dāng)是一種超大尺寸的非理想波導(dǎo)環(huán)境，只有頻率高于其截止頻率的信號方能在隧道內(nèi)傳播。

（4）車速快，小區(qū)切換頻繁，影響接入成功率及尋呼成功率。

由于高速列車的高速運動，公網(wǎng)設(shè)備終端容易在切換區(qū)起呼，涉及信令階段的切換，此時需要考慮預(yù)留1.2s，而雙邊需要預(yù)留切換重跌區(qū)2.4s。以GSM系統(tǒng)為例，當(dāng)手機(jī)測量到鄰小區(qū)C2值高于服務(wù)區(qū)C2值且維持5s，手機(jī)將發(fā)起小區(qū)重疊；若在跨位置區(qū)域，則鄰小區(qū)C2值必須高于服務(wù)小區(qū)C2值與CRH設(shè)置值的和且維持5s，手機(jī)才發(fā)起小區(qū)重選和位置更新。列車在不同速度下，GSM所需要的重疊覆蓋區(qū)域如表2所示。

表2　列車運營速度與重疊區(qū)域?qū)?yīng)表

3　高速鐵路公網(wǎng)覆蓋增強(qiáng)技術(shù)的應(yīng)用方案

從以上高速鐵路公網(wǎng)覆蓋特點的分析可知，高鐵列車運行速度極快，小區(qū)變更頻繁，將影響小區(qū)選擇。提升高鐵網(wǎng)絡(luò)性能最有效的手段就是應(yīng)用覆蓋增強(qiáng)技術(shù)以擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋能力。因此，針對高鐵網(wǎng)絡(luò)，研究覆蓋增強(qiáng)技術(shù)，有效應(yīng)對高鐵沿線的各種復(fù)雜場景，對高鐵網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定性起決定性的意義。

3.1采用多RRU合并小區(qū)技術(shù)

由于同一物理站址的兩個背靠背的STSR小區(qū)之間的信號重疊區(qū)過小，不足以滿足重疊區(qū)預(yù)留要求，容易導(dǎo)致切換、重選不及時，進(jìn)而導(dǎo)致起呼困難或切換掉話，所以高鐵沿線不建議采用傳統(tǒng)的STSR小區(qū)方式。

以下結(jié)合福廈及向莆高鐵典型覆蓋場景進(jìn)行多RRU合并小區(qū)技術(shù)的應(yīng)用分析：

3.1.1開闊地高速區(qū)場景

同物理站址的背靠背2RRU合并小區(qū)方式。

在高鐵開闊地，當(dāng)列車運行時速大于200km的路段，建議采用背靠背2RRU合并小區(qū)的方式，2RRU合并小區(qū)的連接圖如圖1所示。

圖1　2RRU合并小區(qū)方式連接示意圖

下行基帶信號同時由兩個RRU發(fā)射，邏輯上屬于單個小區(qū)。當(dāng)列車行駛經(jīng)過基站時，不會發(fā)生小區(qū)之間的切換，從而提升性能。針對開闊地高速區(qū)場景，以典型天線有效掛高30m計，采用高鐵覆蓋傳播模型，背靠背的2RRU功分方式和STSR小區(qū)方式對比，站距不變，但小區(qū)覆蓋能力擴(kuò)大至2倍。相比RRU功分方式，單方向覆蓋能力可增加31％，站距擴(kuò)大31％。

所以多RRU合并小區(qū)技術(shù)在開闊地高速區(qū)場景應(yīng)用效果良好，因此外場中應(yīng)用廣泛，以下是以福廈鐵路泉州段聯(lián)通WCDMA為例，見圖2所示。

3.1.2單個隧道場景

多RRU合并小區(qū)方式使覆蓋能力得到充分發(fā)揮。

隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋，泄露電纜信號輻射方向垂直于列車行進(jìn)方向，因此隧道內(nèi)不會產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，RRU合并不受影響，因此可以充分發(fā)揮多RRU合并小區(qū)技術(shù)的優(yōu)勢。

圖2　2RRU合并小區(qū)在開闊路段的應(yīng)用示意圖

工程中，隧道內(nèi)敷設(shè)泄露電纜，RRU功分覆蓋，多RRU進(jìn)行小區(qū)合并，擴(kuò)大隧道內(nèi)單小區(qū)信號覆蓋能力。同時，隧道口內(nèi)、外由同一小區(qū)覆蓋，列車進(jìn)出隧道口時不發(fā)生切換，常用的隧道口覆蓋方式有：

（1）隧道口外RRU拉遠(yuǎn)覆蓋隧道內(nèi)。

（2）隧道口RRU和隧道外RRU進(jìn)行小區(qū)合并。

以下是福廈高鐵泉州路段聯(lián)通WCDMA為例：

天馬山隧道全長3644m，采用6個RRU完成信號覆蓋，且6 個RRU進(jìn)行小區(qū)合并，隧道口則放置RRU并架設(shè)天線向外覆蓋。隧道內(nèi)RRU功分覆蓋，單方向覆蓋500m，RRU間距1000m，RRU之間無需進(jìn)行信號重疊區(qū)預(yù)留。隧道口RRU和隧道內(nèi)RRU屬于同一小區(qū)，避免了切換區(qū)發(fā)生在隧道口，覆蓋示意圖如圖3所示。

圖3　多RRU小區(qū)技術(shù)在超長隧道應(yīng)用示意圖

3.1.3復(fù)雜隧道群場景

多RRU合并小區(qū)技術(shù)足以勝任。

對復(fù)雜隧道群場景進(jìn)行了分析，傳統(tǒng)的STSR小區(qū)方式和RRU功分方式不足以勝任。由于多RRU合并小區(qū)的強(qiáng)大覆蓋擴(kuò)展能力，足以勝任這類復(fù)雜場景。以下是向莆鐵路泰寧段外場實例，移動、電信及聯(lián)通三家運營商共建，如圖4所示。

圖4中，隧道之間的間隔分別是75m、1054m、116m、1476m 和2592m。顯然75m和116m的間隔不足以滿足重疊區(qū)預(yù)留，需要由同一小區(qū)提供覆蓋。實際工程中，我們采用的措施如下：

（1）采用隧道口架設(shè)RRU功分覆蓋隧道內(nèi)和隧道口，包含八里村2#隧道口、八里村1#隧道口及丹金山2#隧道口。

（2）隧道內(nèi)采用RRU功分覆蓋，如新勝村隧道、丹金山1#隧道。

（3）2592m的開闊地由背靠背2個RRU進(jìn)行覆蓋。

整個隧道群場景每家運營商分別使用7個RRU，且7個RRU進(jìn)行小區(qū)合并，歸屬于同一小區(qū)，極大擴(kuò)展了單小區(qū)覆蓋能力。

從以上多RRU合并小區(qū)技術(shù)在高鐵覆蓋場景中的應(yīng)用可知，正是由于多RRU合并小區(qū)的強(qiáng)大的單小區(qū)覆蓋能力，因此能有效應(yīng)對高鐵沿線的各種復(fù)雜場景，形成良好的連續(xù)覆蓋，提升高鐵網(wǎng)絡(luò)的性能。

圖4　多RRU小區(qū)在隧道群的應(yīng)用示意圖

3.2采用40W小區(qū)功率配置

通過福廈鐵路福州段現(xiàn)場實測如表3所示（UE位于靠窗位置、靠過道位置進(jìn)行測試）。

表3　不同小區(qū)功率下的RSCP和Ec/Io對比分析

發(fā)現(xiàn)40W小區(qū)功率，相對于20W小區(qū)功率，其下行導(dǎo)頻覆蓋改善明顯，同時可以提供足夠的下行功率，確保HSDPA吞吐量。而60W小區(qū)功率，相對于40W小區(qū)功率，則在導(dǎo)頻覆蓋和數(shù)據(jù)吞吐量上改善不明顯。因此，建議高鐵小區(qū)配置40W小區(qū)功率，可有效提高下行導(dǎo)頻覆蓋指標(biāo)，使小區(qū)高數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)覆蓋范圍明顯擴(kuò)大，以滿足車廂內(nèi)大部分區(qū)域的信號覆蓋要求。

3.3保證天線附掛有效高度

高鐵沿線跨度大，地勢起伏，地形復(fù)雜。需要特別注意天線和軌道面之間的高度差，即確定天線有效高度。因此高鐵實際規(guī)劃中，建議為站點位于高鐵紅線內(nèi)時，天線有效掛在15m以上；站點位于高鐵紅線外時，建議天線有效掛高在30m以上。

3.4采用RRU上塔方式

在高鐵覆蓋中，建議采用分布式基站BBU+RRU，RRU直接安裝在塔頂，相比RRU下塔可減少饋線損耗，同步擴(kuò)大上行和下行覆蓋半徑，改善上下行覆蓋。

實際應(yīng)用中，也可能應(yīng)用塔放以彌補饋線損耗，改善基站合成噪聲系數(shù)來改善上行覆蓋。塔放對下行鏈路的影響體現(xiàn)在插入損耗（典型值是0.5dB）的引入上，使用塔放時的下行覆蓋半徑將縮小。

3.5長大橋梁宜采用高增益天線

對于跨越大江大河、跨度較大的橋梁，橋梁長達(dá)幾千米，大于站距，橋梁中斷往往由于條件限制無法設(shè)站，普遍采用在橋兩頭設(shè)站點架設(shè)天線進(jìn)行信號覆蓋，如采用普通功率信源設(shè)備，通過路測會發(fā)現(xiàn)橋梁中段信號往往覆蓋不理想。實際應(yīng)用中，應(yīng)采用高增益天線向橋梁中點方向輻射，盡量擴(kuò)展覆蓋能力，來實現(xiàn)橋梁中段信號覆蓋，以滿足長大橋梁公網(wǎng)信號的連續(xù)覆蓋。

3.6大型客站采取室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)

高速鐵路沿線往往新建若干個大型客站，由于高層建筑的信號通常較弱且不穩(wěn)定，多存在明顯的孤島效應(yīng)。因此通常引入室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)，室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)由信源和天線分布系統(tǒng)組成，利用室內(nèi)天線分布系統(tǒng)將宏基站信號均勻分布在各個角落，從而保證大型客站室內(nèi)各區(qū)域有理想的信號覆蓋。

4　結(jié)束語

公網(wǎng)在高鐵有效覆蓋能給運營商產(chǎn)生一定的經(jīng)濟(jì)效益，提高了品牌形象，也為用戶提供了優(yōu)質(zhì)的服務(wù)。作為高鐵覆蓋重要一環(huán)，部分特殊場景是否解決好，將極大地影響整個線路的連續(xù)覆蓋。本文對高鐵覆蓋增強(qiáng)技術(shù)進(jìn)行研究分析，提出了建議及方案，但實際現(xiàn)場環(huán)境運用中，需深入現(xiàn)場實際摸索、研究、對比，拿出更佳的覆蓋方案。

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1673-0038（2015）04-0120-03

2015-1-10