王 慶 黃會(huì)玲

(1中國電信股份有限公司黃石傳輸局,湖北黃石 435003;2湖北師范學(xué)院物電學(xué)院,湖北黃石 435002)

0 引言

鐵路是我國最主要也是最重要的交通手段,通過對(duì)鐵路實(shí)現(xiàn)電氣化改造,鐵路的最高時(shí)速一次次被刷新,即將開通的京滬高鐵最高時(shí)速甚至可達(dá)500 km/h。未來,高鐵網(wǎng)絡(luò)將覆蓋全國所有的重要城市,高速公路和高速鐵路也將成為無線通信需求匯聚的重要場(chǎng)所。乘客在體驗(yàn)高速鐵路帶來便利生活的同時(shí),也期待享受到無處不在的通信服務(wù)。但是在列車提速的同時(shí)也給列車通信帶來了一定的影響。對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)而言,當(dāng)移動(dòng)終端速度達(dá)到350 km/h以后,則需要考慮一些新的技術(shù)問題。首先,列車的高速運(yùn)行使得多普勒頻移效應(yīng)明顯;第二,切換和小區(qū)重選問題,一些微蜂窩體制和切換速度較慢的系統(tǒng)已經(jīng)不適合這樣高速的移動(dòng)載體了;第三,高速列車強(qiáng)度的加大使得電波的穿透損耗也進(jìn)一步增加,因此,高速移動(dòng)條件下鐵路通信的安全性、可靠性、穩(wěn)定性和無縫覆蓋等技術(shù)問題變得尤為突出。高速鐵路的無線覆蓋尤其是 3G覆蓋對(duì)網(wǎng)絡(luò)、基站以及用戶終端提出了更為苛刻的要求,經(jīng)技術(shù)人員測(cè)試,高鐵部分區(qū)域存在覆蓋空洞、切換掉話、PDSN(Packet Data Serving Node)間無法切換等網(wǎng)絡(luò)問題,影響了用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

1 高速下無線通信面臨的問題

1.1 信號(hào)覆蓋問題

高速鐵路的移動(dòng)通信覆蓋是一個(gè)世界性難題。高速公路、鐵路一般位于郊區(qū),相對(duì)于城市而言更為空曠,有利于無線信號(hào)的傳播,但是高速列車的封閉性強(qiáng),對(duì)無線信號(hào)的覆蓋造成了一定的影響。高速鐵路的電力接觸網(wǎng)與地面及列車車廂頂部的距離都非常近,而電壓卻高達(dá)幾萬伏,這種高電壓產(chǎn)生的強(qiáng)大電磁場(chǎng)對(duì)通信的無線電信號(hào)造成了干擾,另外,列車車廂本身對(duì)無線傳輸信號(hào)就具有一定的屏蔽作用,會(huì)造成信號(hào)更大的穿透損耗,穿透損耗一般具有以下幾個(gè)特點(diǎn):

1)列車車廂穿透損耗的增加幅度會(huì)隨著掠射角的減小而增大。

2)當(dāng)掠射角在 10°以內(nèi),列車穿透損耗增加幅度明顯加快。

3)穿透損耗的程度還與位置有關(guān),并且車廂內(nèi)不同位置損耗值的差距比較大。

4)CRH(CHINA RAILWAY HIGHSPEED)動(dòng)車車廂整體穿透損耗平均值在25 dB左右[1]。因此在高速運(yùn)動(dòng)的情況下要求具有更強(qiáng)功率的覆蓋信號(hào)。

不同的通信技術(shù)對(duì)重疊覆蓋區(qū)的計(jì)算還稍有區(qū)別,比如GSM(Global System for Mobile Communications)是硬切換,但是WCDMA(Wideband CDMA)采用的卻是軟切換,因此WCDMA相鄰小區(qū)的連接是先于本小區(qū)斷開的,重疊覆蓋區(qū)的計(jì)算也與 GSM有所不同。一個(gè)基站的覆蓋距離是可以計(jì)算的,而且重疊覆蓋區(qū)直接決定了站間距。在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中,由于站址選擇的限制,通常各個(gè)運(yùn)營(yíng)商,各種通信系統(tǒng)在高鐵沿線都需要共站,實(shí)際的站間距是從理論計(jì)算各種技術(shù)所需要站間距的最小值[2]。

1.2 速度問題

傳統(tǒng)的微蜂窩體制和切換速度較慢的系統(tǒng)不再適合高速移動(dòng)載體的需求。終端高速運(yùn)動(dòng)時(shí),從基站發(fā)向終端的信號(hào)和從終端發(fā)向基站的信號(hào)都會(huì)產(chǎn)生多普勒頻移。所謂多普勒頻移(Doppler shift)是指當(dāng)發(fā)射源與接收體之間存在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí),會(huì)導(dǎo)致接收體接收的發(fā)射源發(fā)射信息頻率與發(fā)射源發(fā)射信息頻率不相同,接收頻率與發(fā)射頻率之差稱為多普勒頻移。多普勒頻移也被叫做多普勒擴(kuò)展,它代表了信道的衰落速率。對(duì)接收信號(hào)的影響可看作發(fā)射信號(hào)頻率的多普勒擴(kuò)展或頻譜展寬而不是看作一頻偏。如果當(dāng)作頻偏來理解進(jìn)行頻偏試驗(yàn),那么不管是GSM、TD -SCDMA(Time Division-Synchronous Code Division Multiple Access)、CDMA 800、CDMA 2000、WCDMA等,得出的結(jié)果都會(huì)相同,即頻偏越大,所傳數(shù)據(jù)誤碼率越高,而頻偏的大小是和載波的大小以及運(yùn)動(dòng)速度成正比的,因此,速度越快所造成的頻偏也就越大,信號(hào)的畸變也就越嚴(yán)重,會(huì)導(dǎo)致列車行駛過程中無線傳輸信號(hào)的雜音比較大,而當(dāng)列車運(yùn)行方向與電磁波傳播方向一致時(shí),多普勒頻移最為明顯。

多普勒頻移被限制在 ±fm內(nèi),通常它比載波頻率 fc低得多。從移動(dòng)臺(tái)前面來的波遭到正的多普勒頻移;反之從移動(dòng)臺(tái)后面來的波有負(fù)的多普勒頻移。接收到信號(hào)各個(gè)多徑分量被不同的多普勒頻率所偏移。多普勒頻偏會(huì)影響對(duì)無線鏈路的解調(diào)性能,接收信號(hào)頻率會(huì)偏離基站側(cè)中心頻點(diǎn)。

1.3 切換問題

但凡移動(dòng)通信,都牽涉到越區(qū)切換,列車互聯(lián)網(wǎng)絡(luò)無線傳輸系統(tǒng)也不例外。由于列車無線調(diào)度電話的使用,每個(gè)火車站都有無線電信號(hào)的發(fā)射鐵塔,而且每個(gè)火車站都有通信機(jī)房。因此,鐵路無線通信的小區(qū)制是以各站站場(chǎng)為中心、半徑為 4～7 km的圓形小蜂窩,小區(qū)切換帶的設(shè)置主要和列車運(yùn)行速度、小區(qū)重選與小區(qū)切換時(shí)間有關(guān)。2個(gè)相鄰小區(qū)之間必須保證足夠的重疊覆蓋區(qū)域,以滿足終端在高速移動(dòng)過程中,對(duì)切換的時(shí)間要求[3]。列車運(yùn)行的速度越快,用戶在通信過程中切換、重選所需要覆蓋的區(qū)域也就越大。對(duì)于現(xiàn)網(wǎng)基站所使用的各種覆蓋方式而言,覆蓋區(qū)域過大,切換關(guān)系過于復(fù)雜,切換重疊覆蓋區(qū)域過短,都容易出現(xiàn)針尖效應(yīng)以及切換不及時(shí)等問題。針尖效應(yīng)主要表現(xiàn)為在較強(qiáng)目標(biāo)小區(qū)信號(hào)的短時(shí)間作用下,原小區(qū)信號(hào)經(jīng)歷短暫快速下降,又上升的情況,產(chǎn)生于天線電波傳播的死區(qū),往往出現(xiàn)在街道拐彎的地方或者 2條街道交界的地方。

此外,高速運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的用戶幾乎同時(shí)通過LAC(location area code位置區(qū))和RAC (router area code路由區(qū)),位置更新信令量大,系統(tǒng)壓力大,并且,由于通常情況下高速公路及高速鐵路都是呈超長(zhǎng)線狀分布的,與周邊的環(huán)境之間形成的互相干擾問題也就更為嚴(yán)重,給保障通信質(zhì)量帶來了更大的難度。

2 解決方案

要提高高速運(yùn)動(dòng)下無線通信的通信質(zhì)量,可以從改善通信設(shè)備入手,也可以通過優(yōu)化切換算法來保證通信的穩(wěn)定性。另外,專門為鐵路設(shè)計(jì)的專網(wǎng)GSM-R(即專業(yè)無線數(shù)字通信系統(tǒng))也為鐵路的無線通信提供了良好的網(wǎng)絡(luò)保障。

2.1 優(yōu)化通信設(shè)備

要消除由于高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的上下行頻偏,可以通過增強(qiáng)設(shè)備能力,使基站和終端采用更復(fù)雜的消除頻譜的算法來實(shí)現(xiàn),采用這種方法,還能使基站擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍,減少切換的次數(shù)。高速公路和高速鐵路附近的用戶量少,所以可以針對(duì)高速運(yùn)行的特點(diǎn)來對(duì)沿線的基站進(jìn)行專門的設(shè)計(jì)與建設(shè),但終端必須是通用的,因?yàn)榻K端處于高速運(yùn)動(dòng)下的情況畢竟是少數(shù),為了適應(yīng)高速運(yùn)動(dòng)下通信質(zhì)量的需求而專門改進(jìn)終端設(shè)備成本太高。目前主流系統(tǒng)設(shè)備廠家生產(chǎn)的基站都可以支持頻偏補(bǔ)償,具體實(shí)現(xiàn)方法是基站根據(jù)接收到的上行信號(hào)的頻偏,調(diào)整收信機(jī)接收頻率,抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移;同時(shí)相應(yīng)對(duì)下行發(fā)信頻率置相同的偏移量,保證手機(jī)的正常通信。

除此以外,還可以讓車輛配備標(biāo)準(zhǔn)化的信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備,車載轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備可以起到直接放大通信信號(hào)的作用,同時(shí),還可以起到信號(hào)處理的作用,消除由于高速運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生的信號(hào)頻率畸變,降低對(duì)終端設(shè)備能力的要求。

2.2 優(yōu)化切換算法

現(xiàn)在常用的優(yōu)化切換算法一般都是采用超級(jí)小區(qū)的方法,在相鄰小區(qū)設(shè)置足夠的重疊覆蓋區(qū)域,以滿足終端在高速移動(dòng)過程中對(duì)切換時(shí)間的要求,而且重疊區(qū)域距離應(yīng)保持在切換距離的 2倍以上,以適應(yīng)信號(hào)在小區(qū)間的雙向切換[4]。同時(shí),還可采用獨(dú)立 RRU級(jí)聯(lián)、小區(qū)合并、光纖直放站級(jí)聯(lián)的技術(shù)來減少小區(qū)的數(shù)量,從而達(dá)到減少切換次數(shù)的目的。高速鐵路運(yùn)行初期通常預(yù)留一定的提速能力,車速應(yīng)按遠(yuǎn)期運(yùn)行車速考慮。由于地形、隧道、橋梁等原因各段鐵路運(yùn)行速度并不相同,應(yīng)分段考慮。

另外,要改善高速運(yùn)動(dòng)下的切換狀態(tài),設(shè)置“超級(jí)小區(qū)”是一個(gè)辦法,即一個(gè) BBU (Bandwidth Based Unit)和多個(gè)RRU(Regenerative Repeater Unit)串聯(lián),使一個(gè)小區(qū)的覆蓋距離達(dá)到數(shù)公里,從而保證高速下的信號(hào)切換。

2.3 建立專網(wǎng)

除了2G/3G的無線公網(wǎng)覆蓋,隨著國內(nèi)多條高速鐵路的順利開通,也使得專網(wǎng)——鐵路數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)GSM-R應(yīng)用得越來越廣泛。專用通信網(wǎng)(專網(wǎng))作為公用通信網(wǎng)的一種補(bǔ)充,它是指在一些行業(yè)、部門或單位內(nèi)部,為滿足其進(jìn)行組織管理、安全生產(chǎn)、調(diào)度指揮等需要所建設(shè)的通信網(wǎng)絡(luò)。作為專門為鐵路設(shè)計(jì)的專業(yè)無線數(shù)字通信系統(tǒng),GSM-R針對(duì)鐵路通信列車調(diào)度、控制、通信,具有支持高速列車的特點(diǎn),并將鐵路移動(dòng)通信所具有的特色(群呼、組呼、優(yōu)先級(jí)別、強(qiáng)插、強(qiáng)拆等功能)加進(jìn)去,構(gòu)成了GSM-R用于鐵路的全球移動(dòng)通信系統(tǒng)。通信系統(tǒng)的公網(wǎng)與專網(wǎng)的區(qū)別在于以下幾點(diǎn):

1)在組網(wǎng)原則上,高速鐵路的公網(wǎng)不單獨(dú)規(guī)劃新的站址,覆蓋區(qū)域參數(shù)和大網(wǎng)保持一致,而專網(wǎng)則要規(guī)劃專門的基站、傳輸和天線系統(tǒng),并保證高鐵網(wǎng)絡(luò)擁有獨(dú)立的參數(shù)設(shè)置。

2)在覆蓋區(qū)域上,高鐵的公網(wǎng)覆蓋鐵路和鐵路附近區(qū)域,而專網(wǎng)則只覆蓋高速鐵路的帶狀區(qū)域。

3)在業(yè)務(wù)方面,專網(wǎng)只面向鐵路系統(tǒng)的指揮調(diào)度等用戶。

4)最后專網(wǎng)的GSM-R網(wǎng)絡(luò)有更強(qiáng)的安全性和冗余性,并且與公網(wǎng)的頻點(diǎn)是區(qū)分開的。

除了以上所提到的這些方案以外,解決高鐵覆蓋問題的關(guān)鍵是網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)站址、站高、發(fā)射功率、天饋的設(shè)計(jì)?？梢圆捎酶吖β驶尽⑦h(yuǎn)端拉遠(yuǎn)基站(沒有饋線損耗)、塔頂放大器以及提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋的一些軟件功能提高網(wǎng)絡(luò)的覆蓋水平。

3 結(jié)論

高速鐵路對(duì)鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)提出了更高的要求,主要表現(xiàn)在:移動(dòng)通信系統(tǒng)在網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)、硬件設(shè)備、軟件算法方面都要適應(yīng)列車最高時(shí)速達(dá)到300～500 km/h時(shí)的情況,必須具有快速越區(qū)切換的功能,還能夠?qū)崿F(xiàn)無線列控方式。此外,系統(tǒng)應(yīng)滿足雙線雙方向運(yùn)行要求和功能尋址的要求,同時(shí)滿足故障安全原則,能夠并充分利用頻譜資源,適應(yīng)各種鐵路運(yùn)輸?shù)男枰?/p>

[1] 魯義軒.“高鐵熱”激發(fā)無線通信新問題[J].通信世界周刊,2010(46):16

[2] 浦實(shí),王均宏,李錚.高速鐵路環(huán)境下無線鏈路的一體化建模與分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 2009,24(1):43-49

[3] 魯義軒.高鐵網(wǎng)優(yōu):重視鄰區(qū)優(yōu)化與切換算法[J].通信世界周刊,2010(46):17

[4] 高超,毛勝利.基于Mix網(wǎng)絡(luò)的通信系統(tǒng)安全性能分析[J].黃石理工學(xué)院學(xué)報(bào),2010,26(2): 24-26