高速移动列车无线组网方案

1 高速移动通信性能影响因素

1.1高速移动带来的问题

    高铁列车采用全封闭式车体结构，且部分车采用金属镀膜玻璃，导致在无线传输中车体穿透损耗较大，信号衰减比普通列车大10 dB以上，特殊的材质和极好的密闭性对手机信号的屏蔽会超过24 db以上，基站信号覆盖范围缩小为原来的1/5。当损耗为30 dB时，相当于信号在透过车体时只有原来千分之一的信号强度。对移动用户通信造成非常大的影响。为了克服车体穿透损耗，要求室外的信号发射机功率增强，要求更高的基站接收机灵敏度或者要求用户终端(UE)的发射信号增强。

    超过300 km/h的时速将使用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，引起用户在通话过程中在不同的小区覆盖范围内频繁切换，会导致掉话等诸多问题。手机在不同基站间切换至少需要6 s，而全速行速的高铁列车通过两个基站的时间要经常小于6 s，手机基本上无法完成切换。

    当行驶速度高达200 km/h甚至更高时，相较于正常状态，移动通信网络的覆盖率会从99%以上下降到84%左右，话音接通率会从原来96%以上下降到81%左右，掉话率也会从原来几平为0上升到25%以上，其他话音指标及数据业务指标均会有不同程度的下降。

    因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。在移动通信系统中，特别是高速铁路场景下，这种效应尤其明显。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移。

1.2 3G业务面临的挑战
    高速铁路将是3G业务应用的一个重要场景。高速铁路的覆盖是整个3G覆盖不能或缺的重要部分。许多高端的3G用户经常由于商务旅行的原因，需要在高速铁路上使用各种移动通信业务。这些业务不仅包括语音业务、视频业务、还有高速数据上下行业务。

    由于高铁主要的目标客户是商务出行或者旅游出行，这些人在列车上使用语音或高速数据业务的需求较为明确。在人们连续乘坐高速列车的时候，特别希望能够通过无线数据业务来排解旅途中的无聊与烦闷。这正是3G丰富多彩的数据业务，如手机网游、手机电视以及视频通话等大显身手的时候。为用户提供高速上下行数据业务是3G时代显著的业务特点，因此，快速发展的高速铁路已成为移动话音和数据业务的新热点。上下行数据业务的速率在很大程度上取决于网络的覆盖质量：一方面为了保证高速列车中用户的网络信号接受质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要以及减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离。

2 高速移动通信网络的规划设计
    在进行高速铁路覆盖设计时，充分研究铁路发展趋势，通常以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。基站选址要合理，避免越区覆盖产生，在保证覆盖距离的情况下，尽可能与铁路保持一定距离，克服多普勒效应。尽量将沿线基站放在同一个基站控制器(BSC)或移动交换中心(MSC)中，以减少MSC间、BSC间的切换，避免过长的切换时间对网络服务质量造成不利的影响。

2.1 充分发挥高速铁路链型网络结构的特点
    对原有网络结构进行改造，根据高速铁路线形覆盖的特点，将小区结构规划成链形邻区，并针对高速铁路沿线的链形邻区，让用户沿运动方向优先切换到前向链形邻区，这样将尽可能减少切换次数，避免前后小区乒乓切换，也避免了侧向小区的无序切换，提升切换效率，提升业务质量。

2.2 切换带的规划
    切换带的规划一方面保证高速移动的手机终端顺利完成切换，同时要尽可能减少基站数量，降低投资，因此切换带的设计要合理。根据快速切换算法触发时间的估算，完成2次快速切换的时间为5～6 s，网络设计过程中通常建议为7～8 s。

2.3 站型和天线的选择
    周边用户比较少的农村区域，在铁路比较笔直的场景下，优先选择高增益窄波瓣天线，基站覆盖范围大，切换次数少；对于市区、郊区、沿途有车站、铁路有弧度区域适合选择中等增益天线；功分器虽然增加了3.5 dB损耗，降低了基站覆盖范围，但是两个扇区为同一个小区，减少了切换次数，并且不需要考虑天线前后比的问题，在合适的场景下可以考虑使用；8字形天线比较适合覆盖直线铁路。

3 分布式基站和一体化基站的使用
    分布式基站组网方案核心思想是将基站的基带部分和射频部分分开：射频部分可以灵活地放置，基带池集中放置使基带可以共享，基带池通过光纤与射频拉远单元连接。铁路沿线比较容易铺设光缆，为分布式基站的建设提供了便利条件，另外基带池集中放置，适用于沿线城镇容量较大区域，减少对机房资源的需求，便于站址获取、集中管理和维护。

    室外一体化基站体积小、重量轻，不需要机房，安装方式灵活，可安装在水泥杆、拉线塔以及建筑物的墙体上，无需空调，能有效减低配套成本，适合铁路沿线覆盖使用。射频拉远单元是利用基站剩余的信道板和基带处理设备组成新的扇区，通过光纤系统拉到远处。它具有硬件容量，并且拥有新的扰码和同步码。

    基带处理单元+射频拉远单元(BBU+RRU)构成传统意义上的完整基站。BBU部分实现的功能主要为：主控、时钟、基带处理；RRU实现的功能主要包括：数字中频、收发信机、功放和低噪放。

    RRU的工作原理是：基带信号下行经变频、滤波，经过射频滤波、经线性功率放大器后通过发送滤波传至天馈。上行将收到的移动终端上行信号进滤波、低噪声放大、进一步的射频小信号放大滤波和下变频，然后完成模数转换和数字中频处理等。

    RRU同基站接口的连接接口有两种：通用公共射频接口(CPRI)及开放式基站架构(OBASI)。

4 网络覆盖方案

4.1 高速移动场景特征
    高速铁路干线网络覆盖的特点是容量需求不高，呈带状结构，属于典型的覆盖受限系统，话务量需求较低，但是对连续覆盖的要求比较高。铁路沿线采用BBU+RRU组网，采用小区分集和高速频偏补偿算法，在高速列车上装载直放站克服穿透损耗。

4.2 分布式天线覆盖方案
    为了增强高速铁路场景下的覆盖性能，提高网络覆盖质量，我们提出了分布式天线结构在高速移动环境中应用的技术方案。在设备选型上，采用分布式光纤基站BBU+RRU组网设备。优点是在某一区域可以只放置一个BBU，链接多个RRU进行高速铁路覆盖，同时RRU具备级联功能，通过级联的方式能够节省光纤，提供灵活的建网方式。

    在分布式天线系统高速铁路应用场景中，沿高速铁路架设了4个天线组，每个天线组采用2根天线进行覆盖，8根天线的覆盖区域共同构成一个小区。在条件允许的条件下每个天线组的2根天线尽可能按照相互独立的放置，如无法满足条件，也必须存在一定的相关性。

5 专网模式解决高速接入难题

5.1 专网方案
    在高速铁路覆盖中，有专网和大网2种组网方案。专网组网即以专用网络覆盖高速铁路沿线，与大网相对独立。一般在普通铁路和高速公路场景下可以考虑采用大网组网方式，在高速铁路场景中建议采用专网方式。尤其是300 km/h以上的高速铁路无线覆盖需要多种方式并举才能够得到较好的效果。

    大网组网即不单独考虑高速场景的覆盖，与其他场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖。大网方案则不用考虑误附着等问题，且资源利用率高，成本相对低，但是大网很难兼顾一般场景和高速场景的通信需求，优化难度大。

    专网组网有利于切换链的设计，除了在车站和列车停留区域与大网允许切换外，沿线采用链形邻区设计，不与大网发生切换。可以很好保证高铁的用户在高速移动时切换和重选的路径，提高通信质量；有利于应用专用于高速场景的无线资源管理算法、切换和重选策略和网络参数值，从而更好地提高整个网络的质量。但在实现专网化的过程中一个必要条件是实现对专网信号的严格控制，避免对周围城镇用户造成影响。

5.2 链形邻区
    现网调整可以通过逐步对铁路覆盖的基站覆盖进行加强，逐步控制铁路覆盖信号对周边城镇的影响，将现网具备条件的小区进行专网化，实现逐个小区的推进，最终形成专网的覆盖结构，实现全线的专网化。考虑到高速铁路沿线覆盖区域低速用户很少，可以在高铁沿线小区采用链形邻区设置、专用于高速场景的无线资源管理算法，根据快速切换的需要规划切换带、优化切换参数。通过数据设置将现有的公众网络和高铁专网区分开来，使公网的用户切不进来，专网的用户切不出去，只在两端的车站设置网络的出入口。

5.3 专网保护带
    专网一个很大的问题是和大网的融合问题：在密集城区和列车的站点附近是专网和大网的进出口。如何判断由哪个网络给用户提供服务，如何防止用户误附着，以及对误附着的用户如何处理是专网方案设计的难题。在专网和公网的重叠区域，专网和公网通过不同的接入策略接入，保证低速用户接入公网，高速用户接入专网。

    专网保护带的思路是在专网覆盖小区的两侧选择一些非专网小区作为专网与公网的隔离带小区，这些小区可以与专网小区进行重选和切换，以此避免周边城镇用户一进入专网就无法正常退出的问题，同时又可以避免专网小区切换关系过多所引起的麻烦。在专网大网出入口，如车站小区，可以根据移动路径灵活规划邻区关系和切换带，从而满足切换需求。如果条件不具备可以适当考虑建立专网保护带的方式来保证专网的有效运行。

    高铁用户能顺畅地进入专网，而沿线普通用户在切入专网后还能够顺利切出，巧妙地解决了高铁途经密集市区、郊县县城且和常规铁路线部分重叠的复杂场景覆盖难题，确保高铁用户百分之百切入切出成功。

6 结束语
    高速铁路的无线网络覆盖非常复杂，需要网络规划设计和优化人员根据实际情况和设备性能，通过充分的实地考察、理论计算和测量，合理确定解决方案，做到在保证通信质量情况下，严格控制网络建设成本。

收稿日期：2009-06-15

[摘要] 为满足快速增长的旅客运输需求，国家“十一五”规划了“四纵四横”铁路快速客运通道以及3个城际快速客运系统，时速高达380 km/h。随着列车时速的不断加快，车厢内手机用户通信时发生切换混乱、接通率低和掉话等现象，无线网络覆盖面临挑战。文章立足于高铁专网设计总体目标，基于高速移动通信性能影响因素，采用分布式基站和一体化基站，提出一种高速铁路组网方案。

[关键词] 高速铁路；基带处理单元；射频拉远单元；动车组

[Abstract] In order to meet growing passenger needs for public transportation, a “four vertical and four horizontal” railway passenger system, as well as a three fast trains inter-city express system (with top speeds of 380km/h) has been proposed in the Eleventh Five-Year plan. However, with the increased top speeds of these modern trains, wireless coverage within them faces particular challenges. These include soft switching confusion of mobile phone users, low throughput rate, and call dropout. This paper presents some high-speed rail network solutions, taking into account the overall design objectives of high-speed rail networks, and effective factors of high-speed mobile communications which adopt distributed and integrated base stations.

[Keywords] high-speed railway; BBU; RRU; CRH train