高鐵高架橋場景TD-SCDMA專網(wǎng)覆蓋解決方案淺析

　　隨著時速超過250公里的高速鐵路線的不斷建設(shè)以及新型動車車體密閉性的不斷提高，滿足移動用戶在高鐵車廂內(nèi)手機信號的正常接人變得越來越困難。由2G的GSM到3G的TD-SCDMA，針對高鐵場景特點的網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)正在得到不斷地完善，并且也形成了多套可有效解決高鐵場景網(wǎng)絡(luò)問題的專網(wǎng)覆蓋方案。本文將高鐵高架橋作為一種特殊場景進行專項研究，結(jié)合場景特點。探討該場景下的組網(wǎng)方案，重點介紹多種切實可行的TD-SCDMA專網(wǎng)建設(shè)方式，并對信源及天饋系統(tǒng)的設(shè)備選型要求進行分析，旨在指導(dǎo)高鐵高架橋場景的實際工程規(guī)劃和建設(shè)。
　　1　場景特點
　　高架橋作為高速鐵路的常見特殊場景，既是TD-SCDMA專網(wǎng)規(guī)劃的重點內(nèi)容，也是難點所在。對于高架橋場景的覆蓋規(guī)劃，需要綜合考慮周邊的地理環(huán)境和現(xiàn)網(wǎng)條件，選擇最適宜的方式進行覆蓋。高架橋場景的無線覆蓋主要具有以下特點：
　　(1)高架橋兩側(cè)多為江河、農(nóng)田等空曠的農(nóng)村環(huán)境，人梳量通常較少，對TD-SCDMA專網(wǎng)信號的泄露要求相對較低。同時，高架橋位置較高，受鐵路兩側(cè)樹木、建筑物等遮擋物的影響也較小，傳播環(huán)境簡單。(如圖1所示)
　　
　　(2)高架橋的寬度一般在5m～10m左右，除去列車通行所需的必要空間外，留給信源安裝的空間十分有限，需要合理選擇天線的安裝方式。此外，由于天線的位置與軌道距離較近(通常僅1m-2m)，考慮到高速列車經(jīng)過時會在軌道兩側(cè)形成較大風(fēng)力。因此，該場景下對天線的風(fēng)荷提出了更高的要求。(如圖2所示)
　　2　組網(wǎng)方案
　　高架橋場景組網(wǎng)方案的選擇應(yīng)綜合考慮周邊的地形、地貌及現(xiàn)網(wǎng)的已有資源等因素，通常可分為以下兩種情況。
　　(1)宏基站專網(wǎng)方案。
　　對于高架橋兩側(cè)為農(nóng)田、郊區(qū)等具備宏站建站條件的空曠環(huán)境，鑒于高架橋上天線安裝空間受限的情況，可以采用宏站組建專網(wǎng)的覆蓋方式。這部分宏站可以為新建站，也可以利用現(xiàn)網(wǎng)已有宏站進行專網(wǎng)組網(wǎng)。
　　這種方案的優(yōu)點是站址規(guī)劃靈活、單站點覆蓋范圍大、切換／重選次數(shù)少。但是信號控制困難、與公網(wǎng)重疊覆蓋區(qū)域較多、易對公網(wǎng)造成干擾、通信質(zhì)量也相對較差。
　　(2)分布式基站專網(wǎng)方案。
　　
　　對于高架橋兩側(cè)為江河，樓宇等無法進行宏站建設(shè)的場景，可以采用在高架橋上建立分布式基站的組網(wǎng)方式。這種組網(wǎng)方案的天線安裝空間有限，根據(jù)實際的場景特征，天線安裝方式可選擇高架橋上架設(shè)抱桿或高架橋下自建通信桿兩種方式。
　　這種方案的優(yōu)點是信號覆蓋范圍易于控制、對公網(wǎng)信號影響較小，采用分布式基站結(jié)合基帶合并技術(shù)可擴大單小區(qū)覆蓋范圍、減少切換／重選次數(shù)，同時分布式基站的工程建設(shè)實施便利、維護成本也比較低。缺點是基站與鐵軌距離近、為滿足掠射角要求需減小站間距、增大了站點建設(shè)數(shù)量。
　　綜上所述，高架橋場景下的基站專網(wǎng)組網(wǎng)方案與普通高鐵場景的組網(wǎng)方式基本一致，但是需要重點關(guān)注天饋系統(tǒng)的設(shè)計，合理控制信號覆蓋范圍，防止對公網(wǎng)信號的泄露。而分布式基站專網(wǎng)方案是針對高架橋場景特點設(shè)計的組網(wǎng)方式，在該場景下具有普適性，應(yīng)用也更廣泛。下面著重介紹這種組網(wǎng)方案的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方式。
　　2.1專網(wǎng)建設(shè)方式
　　(1)高架橋上架設(shè)抱桿方式。
　　這種建設(shè)方式選用分布式基站作為信源，BBU可以集中放置于沿線城鎮(zhèn)機房內(nèi)，RRU則分布于高架橋上，BBU與RRU間采用光纖或饋線相連，高架橋兩側(cè)留有線纜鋪設(shè)位置。天線安裝位置選擇在高架橋的兩側(cè)，利用高架橋側(cè)面的墻體固定抱桿進行架設(shè)，抱桿高度一般選用3m～6m。圖3為高架橋上架設(shè)抱桿方式的示意圖，圖中給出了RRU安裝、RRU天線安裝以及線纜鋪設(shè)的相對位置。
　　采用該種專網(wǎng)建設(shè)方式時，由于天線架設(shè)位置距軌道較近，通常僅1m～2m，高速列車經(jīng)過時形成的瞬時風(fēng)力較大，所以必須對天線的風(fēng)荷要求進行估算。距離軌道某一位置處列車所形成風(fēng)速的最大值在1m～2.5m范圍內(nèi)與距離幾乎是線性相關(guān)的，所以必須保證所采用的天線滿足最大車速下距軌道1m處的風(fēng)荷要求。不同車速下距離軌道不同距離處產(chǎn)生的理論風(fēng)速曲線如圖4所示。
　　從圖4可以看出，當(dāng)時速為350km／h的高速列車經(jīng)過時，在高架橋兩側(cè)距離軌道1m左右的位置，列車形成的風(fēng)速為11.0m／s，同時考慮五級的自然風(fēng)，折合風(fēng)速20.4m／s，相當(dāng)于八級風(fēng)力。
　　普通天線能承受的理論最大風(fēng)速為55.6m／s，一般建議工作風(fēng)速為36.9m／s，因此從理論上看，普通天線即可滿足該建設(shè)方式下的風(fēng)荷要求。
　　(2)高架橋下自建通信桿方式。
　　這種建設(shè)方式的信源選擇與上一種方式相同，也選用分布式基站，不同之處在于RRU的安裝位置分布于高架橋下，在距高架橋3m～5m處自建通信桿架設(shè)天線，通信桿高度一般可選用15m～18m。采用這種建設(shè)方式的優(yōu)點是站址選取相對更靈活、更易滿足對掠射角的要求、對天線風(fēng)荷的要求也更低，適用于大多數(shù)的高架橋場景。圖5為高架橋下自建通信桿方式的示意圖。
　　在采用上述專網(wǎng)建設(shè)方式進行網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時，天線掛高的設(shè)計通常有兩種選擇。
　　(1)天線安裝位置高于列車，從車頂方向?qū)Ω咚倭熊囘M行覆蓋。這種方式的優(yōu)點是車內(nèi)不同位置的信號覆蓋較均勻，但是覆蓋范圍不易控制，對公網(wǎng)影響較大。適用于農(nóng)村等流動人口稀少、對信號泄露要求較低的地區(qū)。
　　(2)天線安裝位置平行于車窗，從車體側(cè)面對高速列車進行信號覆蓋。采用這種方式的優(yōu)點是覆蓋范圍易于控制，對公網(wǎng)影響可控。但是信號覆蓋不均勻，車內(nèi)不同位置的接收場強存在一定的差異，部分位置的用戶體驗較差。一般適用于近郊等對于信號泄露要求較嚴(yán)格的場景。
　　此外，分布式基站專網(wǎng)方案中，考慮到對掠射角的要求，RRU的分布相對于普通高鐵場景更加密集，同一小區(qū)內(nèi)RRU的站間距通常僅50m～100m，相鄰小區(qū)間RRU的站間距通常為250m～300m。對于容量配置、切換區(qū)設(shè)計以及基站無線資源參數(shù)設(shè)置等其他TD-SCDMA專網(wǎng)規(guī)劃內(nèi)容，則可參照普通高鐵場景的規(guī)劃方法進行設(shè)計。總體上來說，采用分布式基站方式組建高架橋場景下的TD-SCDMA專網(wǎng)是一種行之有效的手段。
　　2.2設(shè)備選型
　　(1)信源選擇。
　　根據(jù)TD-SCDMA系統(tǒng)目前的設(shè)備情況，高鐵高架橋場景的專網(wǎng)設(shè)計方案可以采用微基站、宏基站、RRU等作為節(jié)點信源。這些節(jié)點信源根據(jù)覆蓋環(huán)境和可用資源的具體情況，可以直接利用鐵路線附近現(xiàn)網(wǎng)已建的基站，也可以采用新建的方式在合理位置建設(shè)基站。
　　此外，采用分布式基站(BBU+RRU)技術(shù)可以實現(xiàn)不同需求的組網(wǎng)覆蓋，提高組網(wǎng)的靈活性，降低建網(wǎng)成本。BBU+RRU的組合方式利用基帶合并技術(shù)將多個RRU(通常1～6個)組合到一個小區(qū)內(nèi)，而且各小區(qū)可根據(jù)網(wǎng)絡(luò)容量需求情況通過軟件進行小區(qū)分裂達到擴容目的。從切換性能看，不同RRU覆蓋區(qū)的切換，在NodeB內(nèi)部完成，無需RNC參與。從覆蓋靈活性來看，多個RRU的覆蓋區(qū)可靈活組合形成帶狀鏈?zhǔn)礁采w區(qū)。因此，分布式基站是高鐵高架橋場景下信源的理想選擇。圖6為分布式基站的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。
　　(2)天饋系統(tǒng)選擇。
　　對于高鐵高架橋等高速覆蓋場景，需要合理選擇天饋系統(tǒng)，以適應(yīng)高速場景下的覆蓋要求，達到更好地網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果。
　　為了合理設(shè)計和控制系統(tǒng)切換率和用戶的切換頻率，一般采用大站距、高掛高、高增益窄波束的定向天線。同時，為了使先進的智能天線EBB算法在高速移動的各種覆蓋場景下發(fā)揮最好性能，獲得最大的賦形增益，天饋系統(tǒng)的解決方案中應(yīng)注意以下幾方面內(nèi)容：
　　(1)采用15dBi～18dBi窄波瓣的高增益天線，以獲得更好的無線覆蓋。
　　(2)天線的主瓣應(yīng)沿高速鐵路線方向形成覆蓋。
　　(3)一般不使用下傾或只采用小角度下傾。
　　(4)通過BBU+RRU的基帶合并技術(shù)可使同一個站點的不同天線，甚至不同發(fā)射點的天線隸屬于相同的小區(qū)，在保證覆蓋的同時，減少越區(qū)切換／重選次數(shù)。
　　由于鐵路屬于狹長地形場景覆蓋，并且專網(wǎng)小區(qū)基站根據(jù)實際地理條件與鐵路沿線可能有一定距離，因此根據(jù)實際情況需要選擇不同的天線。
　　高鐵高架橋場景下，為避免越區(qū)覆蓋，應(yīng)優(yōu)先采用30°窄波束高增益天線，并且每個小區(qū)使用兩副高增益天線對鐵路實施覆蓋。為保證一定的覆蓋距離，在基站中心兩側(cè)范圍內(nèi)將主要通過天線的副瓣進行主力覆蓋。
　　3　結(jié)語
　　高架橋場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋受制約因素較多，在實際的工程建設(shè)過程中，需要綜合考慮周邊的地理環(huán)境和現(xiàn)網(wǎng)條件，以及網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部門的建設(shè)需求、投資規(guī)模等情況，因地制宜的選擇最有效的方式進行網(wǎng)絡(luò)建