淺析高速鐵路3G通信覆蓋及切換技術

青麗

【摘要】 本文首先介紹了高速鐵路移動通信基本情況，分享了高速鐵路通信系統建設中無線網絡覆蓋以及切換技術存在的問題，并提出了具有可行性、有效性的高速鐵路無線網絡覆蓋方案以及快速切換技術，以優化高速鐵路無線移動通信服務。

【關鍵詞】 高速鐵路 3G通信 切換技術

目前由我國聯通運營的WCDMA、電信公司運營的CDMA2000以及移動公司運營的TD-SCDMA是國際上應用比較成熟的3G通信技術三大標準。高速鐵路環境的特殊性以及越區切換的頻繁導致車載用戶經常出現掉話現象以及語音斷續和無法接通的情況。為了提高高速鐵路無線移動通信網絡服務質量，應進一步優化高速鐵路無線網絡覆蓋方案、優化切換技術，從多個方面提高切換切換成功率和較低的掉話率。

一、高速鐵路移動通信基本情況

我國鐵路自2007年經過6次提速后。高速鐵路列車速度到達200km/h以上，這也意味高速鐵路時代的到來。隨著移動通信技術的發展，高速鐵路實現移動通信網絡無縫覆蓋以及提高移動通信網絡服務質量是當前的一個重要發展目標。分析高速鐵路移動通信網絡的覆蓋情況，通信網絡主要是沿著鐵路線呈線狀分布。高速鐵路無線通信信號受到的影響主要有兩個方面，一是多普勒頻移效應，即列車沿鐵路高速運行過程中由于快速移動引起的接收機信號頻移；二是車體對無線通信信號的消耗，主要是高速鐵路新型列車造成的消耗。同時，越區切換問題也會對高速鐵路無線通信信號造成一定影響。

1.1多普勒頻移效應的影響

無線信道容易受到環境影響，在列車高速行駛的情況下，鐵路無線信道的沖擊響應也會隨著發生快速變化，無線信號中心頻率會在多普勒頻移效應的影響在發生明顯偏移，對無線信道環境造成嚴重負面影響，進而造成系統信息傳輸誤碼率提高，影響移動通訊性能。列車沿鐵路高速運行時產生的多普勒頻移效應與列車行駛的速度成正比關系，所以列車行駛速度越快，其產生的多普勒頻移效應越明顯。另外，列車行駛方向與基站信號方向之間的夾角大小對多普勒頻移效應的強弱也用一定影響。在實際情況當中，為了增強無線信號的穿透能力，

基站往往被設置在距離軌道較近的位置，這樣可以有效增強無線信號的穿透能力，然而這種情況下行駛方向與基站信號方向之間的夾角較小，可導致多普勒頻移效應加劇。

1.2車體的影響

車體對無線信號的損壞體現在兩個方面，一是列車結構特點，二是車廂入射面與信號的夾角。為了加強車體的穩固性，高鐵列車都是全封閉式結構，而且部分高鐵列車還采用金屬鍍膜玻璃，列車的高度密閉性以及材質的特殊性就可以導致無線信號穿透列車時產生極大的損耗，相比其他普通列車對無線信號的損耗，高鐵列車對無線信號的減弱要高出10dB以上，而且對手機信號產生的屏蔽效果超過24dB，對用戶的正常通訊造成極大影響。下面是幾種列車對無線信號的損耗情況：

另外，車體對無線信號的損耗同時也受到車廂入射面與信號之間夾角大小的影響，夾角越小，損耗越大。

1.3越區切換的影響

除了多普勒頻移效應以及車體的影響以外，高鐵列車的越區切換也會對無線信號造成一定影響。對于小區間的切換區，列車可以快速穿過，車速與列車經過切換區的時間成反比，移動速度越快，駐留時間越短，當列車速度在切換區的駐留時間足夠短，并且小于系統最小切換時間時，切換流程就無法完成，，進而導致切換失敗，出現掉話現象。

二、高速鐵路的移動通信無線網絡覆蓋

為了減小掉話率，提高切換率，設計合理、有效的高速鐵路無線網絡覆蓋方案非常關鍵。在鐵路交會區域內，移動通信網絡多呈網狀結構，而其他鐵路沿線大部分多為鏈狀結構。在高速鐵路無線網絡覆蓋的設計中，主要內容包括三個方面一是建網，二是無線網絡覆蓋技術的選擇和應用，三是基站的選址，其中鐵路沿線各基站的相關部署是非常重要的環節。

2.1建網

移動、聯通以及電信三個運營商均采用大網架構的組網方式，與一般的建網相比，高速鐵路基站的建立沒有什么區別，也在大網架構之內，所以高速鐵路的建網只需要對原來的通信網絡進行有效補充。一方面對現有的大網基站進行進一步優化，另一方面在鐵路沿線的盲點建立新的基站，通過對有效資源的優化以及基站補盲，不僅使周邊各區域均能實現無線網絡覆蓋，同時也滿足了高速鐵路沿線的無線網絡通信需求。移動網絡經過多年的發展和優化，高速鐵路沿線基本上完全實現了移動網絡覆蓋，只有一些較特殊的區域路段，例如長隧道、隧道群等的移動網絡覆還比較欠缺，此時可采用局部補盲的方式解決，這種方法雖然成本少、見效快，但適用范圍有限，比較適合用于無線信號損耗較小的列車線路，例如合武鐵路湖北段的建設就是采用這種方法。另外，高速鐵路沿線附近很多小區域網絡覆蓋因為不是專門針對高速鐵路進行的覆蓋，所以多存在覆蓋不均勻、覆蓋重疊等情況，很容易造成切換失敗，所以有必要針對高速鐵路的特殊環境建設專門的移動通信網絡，目前已經投入使用的移動通信網絡建設方法有地面專網建設（例如溫福鐵路、甬臺溫鐵路）、車地結合專網建設等。

2.2無線網絡覆蓋方案

建網完成后就需要設計無線網絡覆蓋方案，在有效的建網策略基礎上，無線網絡覆蓋方案的設計可以根據實際需要盡量體現出靈活性、多樣化。例如基站與普通直放站結合、列車綜合接入、基帶處理單元+射頻拉遠模塊擴展小區等都是比較常用的無線網絡覆蓋方案，其他還有數字直放站擴展小區、列車中繼轉發等方案。高速鐵路不同路段可以結合具體條件和實際需要選擇不同的網絡覆蓋方案。例如京津城際、滬寧高鐵主要采用的是基帶處理單元+射頻拉遠模塊擴展小區方案，另外通過設置直放站對部分路段進行輔助。基帶處理單元需要集中放置，主要負責處理基帶資源，實現基帶資源共享，并通過光纖與射頻拉遠模塊連接。射頻拉遠模塊的位置設置比較靈活，利用射頻拉遠模塊可以拉遠基站，使多小區的合并，進而擴大覆蓋范圍，減少切換頻率。在切換區的設置過程中，要注意切換區的大小要設計合理，如果切換區太小，就會因為列車駐留時間太短，還沒來不及切換就已經穿過切換區，容易引起掉話現象。切換區的大小可以根據列車移動速度以及距離來確定，同時，預留適當的余量也是必須要考慮到的問題。

2.3基站選址的優化

基站選址優化是指通過對高速鐵路沿線基站數量以及基站位置的優化以達到無線網絡覆蓋的目的，基站的優化過程應遵循經濟性、實用性、有效性原則，盡可能以較低的成本實現獲得高性能的網絡。蜂窩小區作為移動通信系統的基本單元，其幾何特性對信號同頻干擾有一定關系，同時也會影響越區切換，因此在無線網絡覆蓋中，基站選址優化是最重要的內容，同時也是最為復雜的環節。近年來隨著3G技術的快速發展，目前已經出現了很多種關于3G基站選址的方案，例如基于仿生學算法的方案、基于免疫計算的方案、基于遺傳算法的方案等，各種基站選址優化方案對無線網絡覆蓋技術的發展都有著重要意義。

三、切換技術

處于通話狀態的用戶與基站之間的都存在一定的通信鏈路，在通訊終端高速移動的過程中，用戶與當前基站之間的通信鏈路要轉移奧下一個基站并保證通話不被中斷，該過程就是切換過程。通常情況下，切換主要有硬切換和軟切換兩種，通訊終端與舊基站的連接終端后再建立與新基站的連接稱為硬切換；通訊終端高速移動并經過多個蜂窩時通話不發生中斷，此時通訊終端可以與多個基站相連接，此為軟切換。硬切換方式不涉及移動交換中心，只是發生于蜂窩內部。在列車沿高速鐵路運行過程中，由于環境因素的影響，可能會發生多種不同的切換，不僅會發生硬切換、軟切換，另外還可能發生虛擬軟切換和更軟切換。CDMA系統采用的是軟切換和更軟切換，WCDMA系統采用的切換方式主要是硬切換、軟切換，虛擬軟切換是一種接力切換方式，介于硬切換和軟切換之間，TD-SCDMA采用的就是這種切換方式。相比其他切換方式，接力切換方式結合了硬切換和軟切換兩種方式具備的優點，同時又彌補了兩者的缺點，這種切換方式切換成功率高，掉話率低。

切換成功與否主要取決于兩個方面，一是切換距離，二是覆蓋小區的重疊距離，兩個因素值與切換時間以及通訊終端的移動速度成正比關系。由于小區雙向切換的影響，切換距離與覆蓋小區重疊距離之間應該是1比2的關系。從原理上分析，越區切換的性能與蜂窩小區的幾何特點有著密切聯系，所以無線網絡覆蓋方案的合理性設計非常重要，需要針對實際情況進行優化，并選擇高效、快速的切換算法，減少掉話率，提高切換成功率。

四、結論

無線網絡覆蓋以及切換技術是高速鐵路3G通信系統的重要技術，加強對移動通信網絡系統的研究對促進高速鐵路發展有著重要意義。目前，無線網絡覆蓋以及切換技術仍處于發展階段，還需要進行不斷研究、探索以進一步提高網絡通信技術性能以及高速鐵路無線移動通信網絡服務質量。

參 考 文 獻

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