高速鐵路有效覆蓋電平與站間距分析

趙悅，姜海云，楊桐

（中國移動通信集團天津有限公司，天津 300090）

高速鐵路有效覆蓋電平與站間距分析

趙悅，姜海云，楊桐

（中國移動通信集團天津有限公司，天津 300090）

本文首先對高速鐵路的兩大覆蓋難點進行了介紹，并歸納總結了國內現有高速鐵路主流的4種覆蓋模式，尤其對高鐵專網結構進行了簡介。同時，輔以國內某高鐵GSM和TD-SCDMA專網海量測試數據為基礎，通過載干比、話音質量剖析了有效覆蓋電平范圍值。其次，對高鐵專網分場景下的站間距、有效覆蓋電平和成本三因素點進行了綜合考評并提出相應站點設計建議。最后，結合高速鐵路的兩大覆蓋難點對未來高鐵覆蓋模式進行了展望。

高速鐵路；多普勒頻移；高鐵專網；有效覆蓋電平；站間距

高速鐵路已成為現今社會快速發展中全新的運輸方式，而中國高鐵350 km甚至更高的時速代表了目前世界最高的高鐵速度。同時，中空鋁合金材質車體成為車體強度，重量和能源節省等綜合考評下的最優之選和后期鐵路車廂制造的主流發展方向。

相對無線信號而言，在高鐵車廂內實現良好的話音和數據業務，有效覆蓋電平即為首要需求。但在高鐵高速場景和車體屏蔽嚴重的雙重主要條件制約下，由高鐵專網站間距和建設維護成本到提高高鐵車內有效覆蓋電平占比的博弈一直愈演愈烈。同時，未來高速鐵路場景下的無線網絡覆蓋新模式也是近幾年爭相討論和不斷摸索的前沿課題。有效覆蓋電平保持在何種水平，如何保證有效覆蓋電平的前提下，實現低成本下合理站間距和未來高速鐵路覆蓋新模式都將是本文主要討論的重點。

1 高鐵場景特點

高速鐵路現階段主要面對兩大場景優化難點：高鐵車體損耗和高速環境下的多普勒頻移。

1.1 高鐵車體損耗

目前，中國高速鐵路列車（CRH）車型共4種類型：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。車體多為中空鋁合金構成，對無線信號的損耗由10～25 dBm不等。大幅的電平衰減以及車內網絡弱覆蓋，成為制約高鐵無線網絡覆蓋和質量優化提升的首要難點。

1.2 多普勒頻移

所謂多普勒頻移是指當終端在運動中通信時，特別是在高速情況下，相對發射端，接收端的信號頻率會發生變化，稱為多普勒頻移。

f0：系統工作頻率；

v：移動臺的運動速度；

fD：最大多普勒頻移；

θ：多徑信號合成傳播方向與移動臺行進方向夾角；

λ：波長。

從公式中可看出，f0、v、λ和θ實際為決定頻偏大小的可變變量。而在實際無線網絡組網中，f0、λ和θ已在網絡規劃和建設初期基本選定和確定下來，可變化范圍較小，網絡優化調整局限性大。但v在頻偏變量中是變化范圍最大的一個變量。在實際的高鐵網絡測試中，頻率偏移效應隨列車速度加快而明顯，電平不斷衰減。

由此可見，頻移大小和運動速度成正比，運動速度越快頻偏越大；頻偏越大，實際測試時會導致誤碼率越高，移動臺與網絡信令交互越困難。所以，既定高鐵網絡環境下，速度在多普勒效應里起到了主導作用，也是僅次于車體屏蔽后的第二個制約高鐵無線網絡覆蓋和質量優化提升難點。

2 高鐵網絡覆蓋

現階段，中國鐵路的移動通信網絡覆蓋主要有4種模式：公網覆蓋、宏專網覆蓋、微網覆蓋和共小區專網覆蓋。4種網絡覆蓋模式各有優缺點，要實現信號覆蓋全、網絡質量優和客戶感知強的目標，一般通信運營商會甄選高鐵專網模式覆蓋高速鐵路，降低上一小節介紹的高鐵兩大覆蓋優化難點的影響。

2.1 高鐵網絡覆蓋選擇

4種網絡覆蓋模式中，每種網絡模式都存在各自的優缺點，以下為各種組網方式特點、優缺點、適合場景和時期的比對。

（1）公網覆蓋：通過對現有基站的調整，增強信號覆蓋，基站同時覆蓋鐵路和周邊用戶。優點是容易實現成本低。缺點是多小區覆蓋、公網鄰區多、不適合復雜場景、指標提升難度大。適合高鐵開通初期、過渡時期。

（2） 宏專網覆蓋：采用宏蜂窩基站覆蓋高速鐵路，并構成專網，GSM規劃為同一個BSC/LAC，TDSCDMA規劃為同一個RNC/RAU。優點是專網小區覆蓋、鄰區關系簡單、切換帶切換序列明確。缺點是覆蓋范圍難控制、對公網影響影響大。適合無線環境簡單、環境開闊場景組網。

（3） 微專網覆蓋：采用光纖直放站遠端覆蓋高速鐵路，并構成專網，GSM規劃為同一個BSC/LAC，TD-SCDMA規劃為同一個RNC/RAU。優點是直放站拉遠覆蓋、容易實現小區覆蓋延伸。缺點是設備性能不穩定、上行干擾大、監控穩定性差。適合各種場景使用。

（4） 共小區專網覆蓋：采用BBU+RRU分布式基站覆蓋高速鐵路，并構成專網，GSM規劃為同一個BSC/LAC，TD-SCDMA規劃為同一個RNC/RAU。優點是共小區拉遠覆蓋，適合高速鐵路建網。缺點是載頻容量受限、已商用廠家設備穩定性、成熟度還有待加強。適合各種場景使用。

綜合比對以上4種鐵路覆蓋模式，宏專網覆蓋、微專網覆蓋和共小區專網覆蓋規劃為同一個位置區的組網模式更適合鐵路場景的覆蓋，避免了移動臺的頻繁位置更新、小區重選和切換，可有效提升網絡指標和客戶感知。其中，共小區BBU+RRU專網組網構架尤為適合在高速鐵路場景下使用，RRU的拉遠可在幾公里甚至十幾公里鐵路沿線形成一個超級小區供移動臺使用。

2.2 高鐵專網組網

上面提到的共小區專網組網模式，實現專網用“空間換時間”目的，即將同一個小區拉至不同的鐵路沿線物理站點，覆蓋鐵路的一部分線狀路段。空間上移動臺通過這一鐵路路段，時間上拉長移動臺占用同一小區的時間。有效避免頻繁位置更新、小區重選和切換導致的未接通、掉話和數據業務掉線的發生。專網網絡結構如圖1所示。

3 有效覆蓋電平與專網站間距

3.1 有效覆蓋電平與網絡質量的關系

圖1 高鐵專網結構

現階段，國內高鐵專網覆蓋分GSM和TD-SCDMA專網兩種。經采用中國移動自動路測軟件對國內某高鐵GSM和TD-SCDMA專網在無站點故障的前提下，反復測試，采集足量數據后發現在低于電平-75dBm時， GSM專網C/I比例會出現拐點，出現陡降的情況。同時，話音質量（RxQual）也會隨之陡然變差。如圖2所示。

而利用中國移動自動路測軟件對該高鐵TD-SCDMA專網進行反復拉網測試后發現，在綜合PCCPCH和DPCH電平統計后，如電平低于-80 dBm后C/I比會出現緩慢下降，而在電平低于-75 dBm后TrchBler高于5%的占比會隨之上升，即出現話音質差情況，實際客戶話音感知也會下降。如圖3所示。

綜合該國內某高鐵GSM和TD-SCDMA拉網測試結果可見，如將GSM和TD-SCDMA專網在高鐵車廂內電平控-75 dBm以上占比擴大，勢必能大幅提高整個高鐵專網的網絡質量，并將有效提升客戶通話感知。

3.2 專網站間距淺析

上一小節已經通過質量與電平對比關系進行了解析，在電平高于-75 dBm后，會給移動臺提供一個良好的無線環境。在運營商尋求節約及低成本運營的今天，減少投入又能提高高鐵車廂內有效覆蓋電平占比即成為無線網絡規劃和優化調整首要和關鍵目標。以下兩小節將從保證有效覆蓋電平的前提下，對分場景站間距和國內某高鐵站間距實例對專網站間距進行闡述。

3.2.1 站間距推算

高鐵專網站點覆蓋間距是由傳播模型、基站參數、移動臺參數和環境參數等鏈路預算參數綜合計算出來的理論數據。由于鏈路預算部分不作為本文章重點介紹章節，所以僅摘取國內某高鐵專網GSM組網工程基站站間距計算表進行示例說明，如表1所示。

圖2 電平、質量和載干比在GSM高鐵專網內的關系

圖3 電平、質量和載干比在TD-S高鐵專網內的關系

表1 高鐵站間距計算表

通過以上無線鏈路發射功率、車體損耗、多徑衰落和天線相對掛高等主要覆蓋影響因素可認為專網天線與鐵路軌道相對高度越高，可覆蓋距離越遠。但考慮到多普勒頻移、移動臺天線高度修正因子、天線到車廂入射角大于10°以及專網與公網頻率干擾問題，應盡量避免站間距過大和天線相對軌面掛高過高的情況，以達到較好的有效覆蓋電平和網絡質量。同時，更應基于頻率規劃按鐵路周邊場景進行站間距的細分。

3.2.2 分場景專網站間距分析

同樣以國內某條高鐵專網站間距與有效覆蓋電平（-75 dBm以上）占比對比表為例，如表2所示。

表2 有效覆蓋電平占比

現該國內高鐵整體車廂內有效覆蓋電平尚有約10%的提升空間。沿該高鐵線實地逐站點勘察，有效覆蓋電平不足點來源于以下兩方面：首先，高層建筑的阻擋（市區段尤為明顯）；其次，站點至軌道距離過大，有效覆蓋電平覆蓋路段收縮（郊區段尤為明顯）；結合表2和實際勘察情況，可提出如下建議：市區段應縮短平均站間距，并將天線相對掛高降低，同時規避高層等對信號有阻擋的物體，將有效提高市區段高鐵車內有效覆蓋電平強度，站間距建議為0.6 km左右。郊區段在保證站點與鐵路垂直距離不超過100 m，站間距可增大至1.2 km左右。農村段物理環境簡單，遮擋較少，同樣保證站點與鐵路垂直距離在100 m以內，站間距仍可進一步拉大至1.5 km這個站間距上限。

結合有效覆蓋電平和站間距分析，在后期的鐵路規劃建設中建議：密集市區場景可適當拉近高鐵專網站點距離，規避鐵路沿線周邊高層的阻擋。郊區和農村段場景可在保證專網站點與鐵路距離不過遠的前提下，拉大站點距離。由于一般鐵路市區路段較短，郊區和農村路段較長，按場景線路比例來計算，整體將減少建站需求，降低專網投入和后期維護成本。

4 未來高鐵覆蓋展望

4.1 從高速鐵路頻率的使用到TD-LTE應用

現階段，高鐵專網GSM網絡一般使用的是900 MHz頻段，TD-SCDMA使用的是A頻段。但是，GSM900 MHz頻段在某些城市城區使用過密，容易出現專網和公網小區同鄰頻的干擾的問題，而1800 MHz頻段相對較為“干凈”。那未來可將1800 MHz頻段引入作為高鐵市區段專網的頻點來使用。在考慮1800 MHz頻率相比900 MHz頻偏約1倍的問題（通過多普勒頻移計算），建議將站間距拉近提升入射角度來彌補1800 MHz頻移較大的影響。

同時，近來TD-LTE的逐步商用烽火必將影響至高速鐵路。而LTE使用的F頻段在多普勒頻移上較其它LTE可用頻段略有優勢。預計為今后多用于高鐵專網鐵路頻段首選。

5.2 高速鐵路車載基站的展望

在本論文開篇時，我們提及了車體屏蔽和多普勒頻移的問題。同時，通篇也是討論如何通過專網站點距離提升有效覆蓋電平。縱觀現有高鐵網絡覆蓋模式，都是由車外基站覆蓋車內。如果考慮將分布系統的概念引入到高鐵覆蓋上，也就是在高鐵車內安裝車載基站。此舉既保證了車內覆蓋電平強度，又因為基站同高鐵車廂同車移動，避免了移動臺與基站間多普勒頻移的影響。再者，因為不同列車內可以使用相同頻點，提高了頻點復用，也減少了對公網的干擾。現有比較成熟的高鐵車內覆蓋方案主要有Femto和High-Speed Railway Communication（HRC）兩種。

同時，LTE技術的應用將大大解決兩大車內覆蓋的車地回傳數據傳輸問題。鐵路乃至高速鐵路的寬帶覆蓋夢想將指日可待。

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Analysis of effective coverage level and station spacing of high-speed railway

ZHAO Yue, JIANG Hai-yun, YANG Tong
(China Mobile Group Tianjin Co., Ltd., Tianjin 300090, China)

First of all, this paper introduces the two coverage problems of high-speed railway, and summarizes the four coverage mode of domestic existing high-speed railway mainstream. Especially, for proprietary high-speed railway network structure is briefly introduced in this paper. At the same time, the paper analysis the effective coverage level range value through the carrier-to-interference ratio, voice quality, based on a high-speed railway network GSM and TD-SCDMA mass data. Secondly, the high-speed railway network is divided into scenarios station spacing. Effective coverage level and the cost of three factors were comprehensive evaluation and put forward the corresponding site design suggestions. Finally, combined with the two cover diffculties of high-speed railway has carried on the forecast to the future high-speed railway cover pattern.

high-speed railway; doppler shift; proprietary high-speed railway network; effective coverage level; station spacing

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0060-05

CSR公司成為Mopria移動打印聯盟常務理事成員

2013-11-26

CSR公司日前宣布加入Mopria移動打印聯盟并成為常務理事成員。作為聯盟成員，CSR將積極參與移動打印標準的評選及開發，以應對逐漸興起的移動時代。CSR將與其他聯盟成員以及佳能、惠普、三星和施樂等創始成員一起致力于為消費者打造無縫的移動打印體驗。

CSR文檔成像部門產品營銷高級總監Neil Epstein表示:“作為全球移動打印技術領先提供商，CSR將極大地促進Mopria移動打印聯盟目標的實現。據IDC預測顯示，2015年50%的智能手機及58%的平板電腦用戶將使用移動打印功能。打印機廠商將面臨雙重挑戰，他們不僅需要實現從傳統的PC打印到移動設備便捷打印的轉型，而且還需進一步開發出全新用例，例如通過連接可穿戴設備進行打印。”