摘要：隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的建設(shè)和開(kāi)通，現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)已不能適應(yīng)高速鐵路覆蓋的要求。文章在分析高鐵對(duì)移動(dòng)通信的影響因素基礎(chǔ)上，結(jié)合國(guó)內(nèi)相關(guān)運(yùn)營(yíng)商的實(shí)際網(wǎng)絡(luò)建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，就現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)兩種解決方案進(jìn)行分析和研究，并提出了兩種方案在實(shí)施過(guò)程中的關(guān)鍵技術(shù)。

關(guān)鍵詞：高速鐵路；移動(dòng)通信；現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化；虛擬專網(wǎng)

中圖分類號(hào)：TN929 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2013）11-0111-03

1 概述

近年來(lái)，我國(guó)高速鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，已經(jīng)開(kāi)通了滬寧城際高鐵、京津城際高鐵、京寧高鐵、武廣高鐵等多條高鐵線路，高速鐵路的運(yùn)營(yíng)時(shí)速普遍高于200km/h，部分高鐵列車時(shí)速已經(jīng)接近300km/h，未來(lái)建設(shè)的高速鐵路時(shí)速有望超過(guò)350km/h。

高鐵列車的開(kāi)通和不斷提速，方便了人民的出行，但是卻對(duì)高速鐵路移動(dòng)通信的網(wǎng)絡(luò)覆蓋帶來(lái)了挑戰(zhàn)。由于高速鐵路列車為全密封鋁合金車體，穿透損耗大，降低了車廂內(nèi)的覆蓋效果，高鐵列車運(yùn)營(yíng)時(shí)速快，接近或超過(guò)300km/h，多普勒頻移和小區(qū)間頻繁切換現(xiàn)象嚴(yán)重，影響了列車內(nèi)的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

隨著高鐵不斷建設(shè)和開(kāi)通，國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)都受到了嚴(yán)重挑戰(zhàn)，都在積極規(guī)劃和解決高速鐵路網(wǎng)絡(luò)覆蓋問(wèn)題，由于國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商各自運(yùn)營(yíng)的網(wǎng)絡(luò)制式不同、頻段不同，受到的影響程度也不相同，因此其各自制定的高鐵移動(dòng)通信覆蓋解決方案也不相同。本文首先分析了高鐵的開(kāi)通對(duì)移動(dòng)通信的影響，并在此基礎(chǔ)上，結(jié)合各運(yùn)營(yíng)商的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)，提出了針對(duì)性的解決方案。

2 高速鐵路對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)影響分析

高鐵列車對(duì)于移動(dòng)通信的影響，主要有兩方面的

原因：

第一，車廂結(jié)構(gòu)的變化：由于高鐵列車車廂為鋁合金結(jié)構(gòu)，整體密封性能好，無(wú)線信號(hào)的穿透損耗增大，降低了車廂內(nèi)無(wú)線信號(hào)的強(qiáng)度，從而使高鐵列車的車廂內(nèi)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)比普通列車低，網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量變差。

第二，運(yùn)行速度的提升：高鐵列車的高速運(yùn)行，帶來(lái)的一個(gè)最直接的影響就是多普勒頻移問(wèn)題。多普勒頻移是一個(gè)運(yùn)動(dòng)物體普遍存在的現(xiàn)象，由于普通列車一般運(yùn)行時(shí)速為120km/h，速度相對(duì)較低，多普勒頻移現(xiàn)象不嚴(yán)重。而在高鐵環(huán)境下，列車運(yùn)營(yíng)時(shí)速接近300km/h，遠(yuǎn)高于普通列車，因此多普勒頻移對(duì)高速鐵路移動(dòng)通信的影響更加嚴(yán)重。另外，移動(dòng)通信單小區(qū)的覆蓋范圍相對(duì)固定，由于高鐵列車運(yùn)行速度的增加，必然會(huì)縮短列車在單小區(qū)內(nèi)的停留時(shí)間，小區(qū)間切換次數(shù)增加。而切換時(shí)造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降，尤其是掉話的重要原因。

2.1 多普勒頻移

多普勒效應(yīng)的產(chǎn)生主要是由于無(wú)線電波的波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象。由于移動(dòng)臺(tái)或者終端相對(duì)于基站的移動(dòng)方向不同，多普勒頻移的影響也不相同。

2.1.1 移動(dòng)臺(tái)（終端）向著基站的方向運(yùn)動(dòng)。假設(shè)移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度為V，而基站的下行無(wú)線信號(hào)的發(fā)射頻率為f1。由于多普勒效應(yīng)的影響，移動(dòng)臺(tái)接收到的無(wú)線信號(hào)的頻率為f2，移動(dòng)臺(tái)以f3向基站發(fā)射上行無(wú)線信號(hào)，基站收到的來(lái)自移動(dòng)臺(tái)的上行無(wú)線信號(hào)的頻率為f4，則可以

得到：

2.1.2 移動(dòng)臺(tái)（終端）向遠(yuǎn)離基站的方向移動(dòng)。參考上面的分析，同理可以得到如下公式：

國(guó)內(nèi)規(guī)劃、建設(shè)和運(yùn)營(yíng)中的高速鐵路最高設(shè)計(jì)時(shí)速為350km，而現(xiàn)網(wǎng)運(yùn)行的移動(dòng)通信系統(tǒng)的系統(tǒng)芯片在設(shè)計(jì)的時(shí)候，一般都考慮了頻偏的影響，采用了頻率補(bǔ)償算法，因此現(xiàn)有移動(dòng)通信系統(tǒng)都具有一定頻率偏移的容錯(cuò)能力。雖然在高速鐵路環(huán)境下的多普勒頻移現(xiàn)象對(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響較普通或者慢速移動(dòng)環(huán)境下的影響嚴(yán)重，但整體影響并不嚴(yán)重，移動(dòng)通信系統(tǒng)仍可以正常工作。

2.2 快衰落

國(guó)內(nèi)運(yùn)營(yíng)開(kāi)通的高速鐵路列車，一般運(yùn)營(yíng)時(shí)速接近300km/h，最高的時(shí)速接近350km/h。對(duì)于主要工作在800M～2GHz之間的移動(dòng)通信系統(tǒng)，其快衰落的衰落深度嚴(yán)重時(shí)可能達(dá)到20～40dB，這將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)覆蓋。但是我們知道，在高速鐵路覆蓋的環(huán)境下，基站一般沿著鐵路線覆蓋，周邊高大建筑物較少，因此移動(dòng)臺(tái)與基站間一般都存在著直射路徑，故移動(dòng)臺(tái)收到的無(wú)線信號(hào)的電頻主要受路徑損耗影響較大，而受到由多徑效應(yīng)產(chǎn)生的快衰落影響較小。

2.3 車體穿透損耗

國(guó)內(nèi)正在運(yùn)營(yíng)的高鐵列車目前主要有四種類型，表2為不同型號(hào)的高鐵列車的基本概況：

根據(jù)相關(guān)測(cè)試統(tǒng)計(jì)，CRH1型號(hào)的高鐵列車穿透損耗為20～30dB，其他型號(hào)的高鐵列車的車廂穿透損耗一般為10～15dB，由上述分析來(lái)看，CRH1型的高鐵列車的車體穿透損耗最大，因此在制定覆蓋方案需要充分考慮CRH1列車的覆蓋要求，滿足了CRH1列車的覆蓋要求，也就滿足了其他型號(hào)高鐵列車的覆蓋要求。

2.4 切換與重選

對(duì)于國(guó)內(nèi)三大運(yùn)營(yíng)商現(xiàn)有的GSM、TD-SCDMA、WCDMA和CDMA2000四張移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，完成一次切換的時(shí)間（工程經(jīng)驗(yàn)值）一次為3～5秒、1.5～3秒、0.8～3秒、0.3～5秒。故對(duì)于上述移動(dòng)通信系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)完成一次切換，要求兩個(gè)基站間的覆蓋重疊區(qū)域的長(zhǎng)度不應(yīng)該小于2×V×T/3600（km），其中V（km/h）為移動(dòng)臺(tái)的移動(dòng)速度，T為系統(tǒng)完成一次切換所需時(shí)間。

根據(jù)上面的表格，不同的系統(tǒng)，由于切換所需的時(shí)間不同，因此切換帶設(shè)置的距離也不相同，整體來(lái)說(shuō)，GSM網(wǎng)絡(luò)需要的切換時(shí)間最長(zhǎng)，需要的切換帶距離也最長(zhǎng)，因此在實(shí)際高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案中GSM網(wǎng)絡(luò)切換帶的設(shè)置也是需要重點(diǎn)關(guān)注。

3 高速鐵路覆蓋解決方案

高鐵列車高速運(yùn)行對(duì)現(xiàn)有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的無(wú)線覆蓋在技術(shù)上提出了一定挑戰(zhàn)，根據(jù)前面的分析，高速鐵路列車的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的各種問(wèn)題主要是由于移動(dòng)臺(tái)高速移動(dòng)，造成在多小區(qū)間的頻繁切換；車體結(jié)構(gòu)變化，車廂穿透損耗增大；列車快速移動(dòng)，多普勒效應(yīng)現(xiàn)象嚴(yán)重。針對(duì)上述問(wèn)題，相關(guān)運(yùn)營(yíng)商主要采用了兩種高鐵覆蓋解決方案：現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化和虛擬專網(wǎng)。表4從覆蓋指標(biāo)、切換指標(biāo)、容量指標(biāo)、建設(shè)難度及優(yōu)化難度等方面對(duì)以上兩種建設(shè)方案進(jìn)行了對(duì)比。

4 國(guó)內(nèi)主要的高鐵覆蓋方案對(duì)比

4.1 虛擬專網(wǎng)方案

對(duì)于中國(guó)移動(dòng)，經(jīng)過(guò)多年的網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，其基站較密集，尤其在市區(qū)，存在同一覆蓋區(qū)內(nèi)多小區(qū)重復(fù)覆蓋的現(xiàn)象，尤其在市區(qū)的鐵路沿線附近，信號(hào)復(fù)雜，采用現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度大，同時(shí)對(duì)鐵路沿線的基站進(jìn)行大量?jī)?yōu)化調(diào)整，必將影響原有的大網(wǎng)覆蓋，帶來(lái)大網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降。因此中國(guó)移動(dòng)在高鐵覆蓋方案選擇時(shí)，多選擇建設(shè)專網(wǎng)方式。對(duì)于采用專網(wǎng)建設(shè)方式，主要考慮以下四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

4.1.1 網(wǎng)絡(luò)帶狀覆蓋。由于高鐵列車在行使過(guò)程中頻繁跨越不同小區(qū)，切換頻繁，有可能會(huì)造成掉話等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。一方面，為減少移動(dòng)臺(tái)在高鐵列車行駛過(guò)程中的切換次數(shù)，需要在高速鐵路沿線建設(shè)以專門覆蓋鐵路為目的的帶狀虛擬帶狀網(wǎng)絡(luò)，通過(guò)對(duì)帶狀網(wǎng)絡(luò)的各個(gè)小區(qū)的位置、天線方向角等參數(shù)的調(diào)整，可以使高速鐵路上的移動(dòng)臺(tái)首選在這個(gè)虛擬專網(wǎng)內(nèi)部小區(qū)之間切換，而不在附近的大網(wǎng)內(nèi)小區(qū)間切換，這樣可以降低切換的次數(shù)，降低了掉話率；另一方面，由于專網(wǎng)內(nèi)的各個(gè)小區(qū)的位置和間距是通過(guò)鏈路預(yù)算獲得，這樣可以在保證覆蓋和小區(qū)間的切換重疊區(qū)域要求的前提下，使切換次數(shù)達(dá)到最小，從而提高網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

另外隨著技術(shù)和移動(dòng)通信設(shè)備的發(fā)展，基站的形態(tài)也發(fā)生了根本的變化，現(xiàn)在主流的基站形態(tài)為BBU+RRU方式。在這種基站形態(tài)下，可以采用多RRU共小區(qū)技術(shù)，從而使幾個(gè)RRU的覆蓋區(qū)變成一個(gè)小區(qū)，移動(dòng)臺(tái)在這幾個(gè)RRU之間移動(dòng)，不發(fā)生切換，這樣可以使移動(dòng)臺(tái)在十幾公里的范圍內(nèi)，不發(fā)生切換，從而大大降低了切換次數(shù)，帶來(lái)了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升。

4.1.2 多普勒頻移的抑制方法。多普勒頻移主要與移動(dòng)速度有關(guān)，因此我們可以減小列車相對(duì)與基站的移動(dòng)速度，來(lái)降低多普勒頻移的影響。降低移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)移動(dòng)速度，可以通過(guò)拉大基站與鐵路之間的間距來(lái)減小移動(dòng)臺(tái)相對(duì)于基站的移動(dòng)速度，但是由于基站和移動(dòng)臺(tái)的發(fā)射功率有限，其網(wǎng)絡(luò)覆蓋半徑也有限，基站與鐵路之間的距離越遠(yuǎn)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果越差，因此不能簡(jiǎn)單地通過(guò)拉大基站與鐵路之間的距離以降低移動(dòng)臺(tái)的相對(duì)移動(dòng)速度，以免影響基站對(duì)鐵路的覆蓋效果。基于上述分析，在站點(diǎn)資源允許的情況下，建議高鐵覆蓋基站與鐵路之間的垂直距離在100～300m之間。

4.1.3 高增益天線的采用，增加基站的有效覆蓋范圍。一方面，在基站的發(fā)射功率一定的前提下，采用高增益天線，天線的水平波瓣角變小，使無(wú)線信號(hào)的能量在某一方向上集中，從而使這一方向的基站有效覆蓋范圍增加；另一方面，較小的水平波瓣角小，也可以很好地控制專網(wǎng)小區(qū)信號(hào)外泄，降低對(duì)周邊大網(wǎng)的影響。

4.1.4 采用功分器，避免基站內(nèi)部小區(qū)間切換。根據(jù)上述的分析，影響高鐵環(huán)境下移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的主要原因是頻繁切換問(wèn)題。在現(xiàn)網(wǎng)，一般一個(gè)基站有多個(gè)小區(qū)，而在同一基站的多個(gè)小區(qū)間，重疊覆蓋區(qū)小，無(wú)法保證高鐵列車快速運(yùn)行，對(duì)切換區(qū)域距離的要求。因此在工程建設(shè)中，可以引入功分器這一器件，把一個(gè)小區(qū)的信號(hào)利用功分器平均分成兩部分，用兩幅天線輻射出去，這樣一個(gè)小區(qū)變成兩個(gè)扇區(qū)，而這兩個(gè)扇區(qū)的信號(hào)來(lái)自一個(gè)小區(qū)，在它們之間不存在切換問(wèn)題，從而解決了同一基站不同小區(qū)間的切換距離不夠可能造成掉話的問(wèn)題。

4.2 現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案

對(duì)于中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通，由于自身的網(wǎng)絡(luò)特點(diǎn)和投資特點(diǎn)，其在高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案選擇上，多采用現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化方案。

現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化建設(shè)方案，考慮重點(diǎn)考慮以下五個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：天線調(diào)整、波束寬度調(diào)整、功率調(diào)整、主覆蓋小區(qū)梳理、切換/重選參數(shù)優(yōu)化。

4.2.1 天線調(diào)整。天線調(diào)整是覆蓋優(yōu)化最優(yōu)先考慮的方法，同時(shí)也是最有效的方法。在高鐵沿線基站進(jìn)行天線調(diào)整時(shí)，主要進(jìn)行天線的方向角和下傾角調(diào)整，調(diào)整方向角的目的是為了使高鐵覆蓋基站小區(qū)的主瓣方向沿著鐵路覆蓋，提高鐵路覆蓋效果。在高鐵沿線的基站覆蓋中，應(yīng)盡量減小下傾角的設(shè)置度數(shù)，以提高單站的覆蓋范圍。

4.2.2 波束寬度調(diào)整。結(jié)合基站的位置，小區(qū)天線覆蓋方向，針對(duì)個(gè)別路段信號(hào)覆蓋仍較弱，但又無(wú)法通過(guò)天線調(diào)整來(lái)解決的，可以通過(guò)調(diào)整天線波束寬度來(lái)加強(qiáng)信號(hào)覆蓋。天線的波束寬度一般有四種取值：30、65、90、120。從取值我們可以看出來(lái)，波束寬度取值越小，能量可以更集中在鐵路覆蓋沿線，可以有效提高鐵路沿線的覆蓋效果。

4.2.3 功率調(diào)整。覆蓋的優(yōu)化除了調(diào)整天線和波束寬度調(diào)整之外，還可以調(diào)整小區(qū)的發(fā)射功率。功率設(shè)置過(guò)高，雖然可以提高小區(qū)的覆蓋范圍，但是可能會(huì)造成鄰近的小區(qū)的干擾；設(shè)置過(guò)小，雖然可以降低干擾，但是影響覆蓋，會(huì)造成部分區(qū)域存在弱覆蓋的問(wèn)題，所以在進(jìn)行功率調(diào)整時(shí)，需結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)詳細(xì)的測(cè)試，進(jìn)行綜合考慮。

4.2.4 主覆蓋小區(qū)梳理。切換是造成網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量下降的一個(gè)重要因素，所以在滿足覆蓋的前提下，可以通過(guò)手天線調(diào)整、降功率、切換參數(shù)設(shè)置，甚至是刪除鄰區(qū)關(guān)系等手段，盡量將高鐵沿線的某些非必要的小區(qū)剔除出高鐵覆蓋區(qū)，從而達(dá)到高鐵沿線有明確的主覆蓋小區(qū)，減少乒乓效應(yīng)的發(fā)生次數(shù)。

4.2.5 切換/重選參數(shù)優(yōu)化。切換、重選慢導(dǎo)致小區(qū)邊界信號(hào)強(qiáng)度偏弱問(wèn)題，可進(jìn)行小區(qū)合并、調(diào)整切換遲滯、切換時(shí)延、加大小區(qū)偏置、遲滯、重選延遲等參數(shù)來(lái)解決。

乒乓切換問(wèn)題，在車速很快的情況下，信號(hào)強(qiáng)度變化也快，乒乓切換往往會(huì)造成切換不及時(shí)而導(dǎo)致弱信號(hào)掉話。優(yōu)化的手段有FR優(yōu)化和切換參數(shù)優(yōu)化兩種，F(xiàn)R優(yōu)化是優(yōu)先考慮的方法，但天線調(diào)整往往比較費(fèi)時(shí)，所以有時(shí)也可考慮通過(guò)參數(shù)優(yōu)化來(lái)達(dá)到抑制乒乓切換的效果。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著中國(guó)高速鐵路的不斷提速，為移動(dòng)通信的高鐵覆蓋帶來(lái)了新的挑戰(zhàn)，造成了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的下降，嚴(yán)重影響了用戶的感知，因此為了應(yīng)對(duì)高鐵的開(kāi)通運(yùn)營(yíng)對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響，需要研究和制動(dòng)高速環(huán)境下的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案，改善高速列車上的通信質(zhì)量，滿足人們通信的需求，樹(shù)立移動(dòng)運(yùn)營(yíng)商的良好形象。

參考文獻(xiàn)

[1]華為技術(shù)有限公司.GSM無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化[M].北京：人民郵電出版社.

作者簡(jiǎn)介：殷鵬（1973—），中郵建技術(shù)有限公司高級(jí)工程師，碩士，研究方向：無(wú)線通信新技術(shù)和移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化。

（責(zé)任編輯：文 森）