廣西高鐵CDMA網絡優化策略簡析

李筱林袁俊杰

（1．柳州鐵道職業技術學院，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網絡優化策略簡析

李筱林1袁俊杰2

（1．柳州鐵道職業技術學院，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網絡性能的原因進行分析，探討面向高速鐵路列車服務的CDMA網絡規劃的難點，針對不同的網絡場景，提出可以應用于高速鐵路的CDMA網絡優化策略。

高速鐵路；CDMA；網絡規劃；優化策略

隨著我國高速鐵路通車里程不斷增加，城市之間的距離被縮短了，越來越多的商務人士優先選擇高速鐵路出行，高速鐵路上的手機用戶對手機信號的網絡覆蓋和網絡質量提出更高的要求。2013年12月28日，隨著廣西高鐵的開通，結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，行駛速度比傳統鐵路快，因此傳統CDMA網絡在為高速行駛的列車上旅客提供通信服務時，需要克服不少難題，才能提供高質量的CDMA網絡服務。

1 廣西高鐵CDMA網絡面臨的問題分析

針對廣西境內高鐵的電信CDMA網絡質量，中國電信廣西分公司對廣西境內的全部高鐵進行評估測試，通過對語音業務進行測試，評估電信網絡的語音業務覆蓋率、語音業務呼叫保持性以及語音質量，以指導后期網絡規劃、網絡建設與網絡優化電信CDMA DT語音業務測試指標如表2所示。

表1 電信CDMA語音業務測試統計表

分析以上測試結果可以看出，整體覆蓋效果較差。由于高速鐵路的特殊性，CDMA移動通信網絡需面臨以下幾個技術問題。

1.1 高速列車車廂里的CDMA網絡信號變差

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網絡信號較差，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量降低

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

表2 電信CDMA DT語音業務測試指標

1.3 鄰區切換成功率降低

若采用鐵路沿線原有覆蓋小區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。另外，在切換帶比較窄的區域，相鄰區域的導頻有可能不能及時進入激活集，從而造成切換不成功。而且，無論是CDMA1x還是EVDO系統，都采用軟切換技術，EVDO前向鏈路也使用虛擬軟切換技術，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，接收機是在高速移動的，也容易造成切換不成功。用傳統的CDMA網絡覆蓋高鐵列車，必然會降低切換成功率。

1.4 復雜的地形地貌帶來弱覆蓋

廣西屬丘陵地貌區域，地形復雜，地勢高低起伏，隧道多，給CDMA網絡覆蓋帶來較大困難，有很多區域會出現覆蓋較弱的現象，進而影響通信質量。

通過以上分析，用傳統的CDMA網絡覆蓋高速鐵路，存在車廂信號弱、通信質量低、切換成功率低、區域弱覆蓋等問題，不能為高速鐵路提供優質的通信網絡服務，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網絡優化的難點，CDMA網絡覆蓋存在的問題，在原有大網覆蓋的基礎上，對一些有問題的特殊區域采用針對性優化策略，完善CDMA網絡覆蓋；通過對廣西高鐵沿線站點的優化調整以及站點補充來完善沿線覆蓋，而不離于CDMA大網之外孤立進行專網覆蓋。通過對廣西高鐵沿線所經過的區域分析，主要途經南寧、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，無線環境多為丘陵區域，也途徑郊縣與農村、鐵路隧道與橋梁，地形復雜，根據不同場景采用對沿線新建站點的方式進行高鐵路段覆蓋。

2.1 采用多種手段，優化高速鐵路車廂內覆蓋

通過合理選擇天線型號、科學設計天線掛高、綜合布局基站站點、選取站址控制“掠射角”等多種手段，可以優化高速鐵路上行駛的列車車廂內的CDMA網絡覆蓋。

2.1.1 合理選擇天線型號

由于廣西高鐵沿線CDMA網站點并不密集，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與高鐵路線覆蓋，且不出現“塔下黑”的現象采用帶有“零點填充”功能的天線。

2.1.2 科學設計天線掛高

根據每個站點的實際情況進行塔桅選擇，保證天線相關掛高達到50 m，考慮廣西高鐵主要以高架橋的方式鋪設，假設其鐵軌高度基本為10 m左右，天線與移動終端相對高度為50 m，即鐵塔高度設為60 m，對于郊區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

根據天線型號、天線掛高以及鏈路預算，綜合考慮切換要求的覆蓋重疊區、各類損耗等情況，在郊區站點的站間距小于3 km，在農村站點的站間距小于4 km，在跨省邊際區域站間距小于3 km。由于移動運營商的站間距為800 m，聯通為1.5 km，站點相對比較密集，為了充分利用資源共建共享，郊縣及農村的25個站點平均站間距為3.1 km，最遠站間距3.7 km，最近站間距2 km。城區的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。根據測試經驗，“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系

隨“掠射角”的減小，車廂內的穿透損耗增大，以車廂內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做良好的覆蓋。基站設置在高鐵沿線兩旁，考慮掠射角10°以上，根據公式（1）計算。

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

2.2 基站采用高通CSM6700、6800解調芯片，抵抗多普勒效應

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

fd：多普勒頻移；

f：系統工作頻率；

C：光速；v：車速。

通過公式（2）可以計算出，當高鐵設計時速為350 km、f=850 MHz時，對應的多普勒偏移大約為275 Hz。該頻偏是基站到手機的下行信號偏移量，由于手機會通過下行信號的頻率來校正自身上行的頻率，因此手機上行的頻率將會產生雙倍的頻率偏移。而在CDMA基站中采用CSM6700、CSM6800解調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 合理規劃重疊覆蓋區，提高切換成功率

高速運行的列車頻繁的小區切換會導致終端信號差、掉話率升高。進行覆蓋區域設計時，保證兩個不同小區之間必須有足夠距離的重疊覆蓋區，可以提高軟切換的成功率。列車速度越高，需要重疊覆蓋區的范圍越大。在網絡規劃中，可根據列車的實際行駛速率進行計算，設計覆蓋區域。計算方法如圖2所示。

圖2 相鄰小區切換帶計算示意圖

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

根據統計，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，預留足夠的裕量，根據經驗設置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+泄露電纜”方式實現隧道覆蓋

廣西是丘陵地貌，當高鐵通過山區、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 測試結果

經過以上的解決方案，在桂柳段進行測試，其結果如圖3、4所示。前向物理層峰值速率達2.5 Mbit/s以上，前向IP層峰值速率達2.35 Mbit/s以上，優秀話音質量占73.38%，CDMA1X全網覆蓋，無掉話現象。

圖3 數據流量監測圖

圖4 話音質量統計圖

廣西高速鐵路CDMA網絡覆蓋建設項目，是在原有大網覆蓋的基礎上，對一些有問題的特殊區域采用針對性的優化策略，完善CDMA網絡覆蓋，根據CDMA技術特點和廣西的實際情況，采用BBU+RRU組網方式和其他輔助方式，語音數據兩者并重，重點解決了弱覆蓋、切換問題。

4 結論

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

[1]中國電信集團公司.2009年中國電信高速鐵路CDMA網絡建設指導意見[S].

[2]中國聯通.800MHz CDMA數字蜂窩移動通信系統設備總技術規范：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網絡覆蓋技術探討[J].甘肅科學學報，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）

廣西高等學校特色專業及課程一體化建設項目（GXTSZY191）工作的開展。測試結果如表1所示。