高速鐵路中CDMA覆蓋的關(guān)鍵問(wèn)題解決方案

中國鐵路已步入高速時(shí)代，預計2020年，200km/h速率以上的中國高速鐵路將超過(guò)1.8萬(wàn)公里。如何在高速移動(dòng)的環(huán)境下為用戶(hù)提供良好的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )服務(wù)，是自有高速鐵路以來(lái)移動(dòng)通信運營(yíng)商一直在進(jìn)行研究解決的問(wèn)題。

和常規的CDMA網(wǎng)絡(luò )覆蓋規劃相比，高速鐵路覆蓋規劃具備一定的特殊性。找準高鐵覆蓋的關(guān)鍵問(wèn)題才能在高鐵沿線(xiàn)的深度覆蓋、精細優(yōu)化上做到更精準。如圖1所示。

　　圖1 高鐵覆蓋的研究意義

高鐵覆蓋的4個(gè)標志性因素

高鐵網(wǎng)絡(luò )覆蓋主要體現在4個(gè)標志性因素上：多普勒頻移、車(chē)體穿透損耗、切換問(wèn)題和覆蓋區域地形多樣性。

多普勒頻移

多普勒頻移問(wèn)題是指在高速移動(dòng)的情況下，接收端的信號頻率會(huì )發(fā)生偏移，導致基站和接收機的相干解調性能降低。

◆ 對接收機的影響

CDMA采用相干解調，要求接收機本地解調載波與接收信號的載波同頻，載波頻率的抖動(dòng)對接收機的解調性能產(chǎn)生影響；同時(shí)，1X 采用高通CSM6700芯片，DO RevA采用高通CSM6800芯片，頻移的最大取值為分別為1440Hz和960Hz。根據多普勒頻移公式計算得到接收機允許的最大移動(dòng)速度為972km/h和648km/h。此速度遠高于高速鐵路最大運行時(shí)速，芯片解調容限滿(mǎn)足要求。

◆ 對基站的影響

由于多普勒頻移的存在，導致基站和手機的相干解調性能降低?？煽紤]在鏈路預算時(shí)在原有的Eb/Nt取值上增加3dB。

切換問(wèn)題

切換問(wèn)題是指高速移動(dòng)導致切換時(shí)更易掉話(huà)，對切換的要求遠高于普通場(chǎng)景。

在切換區大小不變的前提下，速度越快的終端穿過(guò)切換區的時(shí)間越小。因此，當終端的移動(dòng)速度足夠快，以至于穿過(guò)切換區的時(shí)間小于系統處理的軟切換最小時(shí)延，此時(shí)會(huì )導致掉話(huà)產(chǎn)生。在對高速鐵路覆蓋基站的參數設置時(shí)需要考慮設置最小的切換區，滿(mǎn)足高速火車(chē)在高速運行時(shí)的切換需求。最小切換區的大小可根據列車(chē)時(shí)速大小與軟切換時(shí)延計算而得。軟切換時(shí)延一般取300ms，因此，最小切換區大小主要取決于列車(chē)移動(dòng)速度。

目前的高鐵設計最高時(shí)速為350km/h，根據公式計算得最小軟切換區為29m。

沈大高鐵CDMA覆蓋案例

我們就沈大高鐵的CDMA無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋進(jìn)行研究，主要用于覆蓋高速鐵路客運專(zhuān)線(xiàn)的用戶(hù)，包括車(chē)站候車(chē)和高速列車(chē)上的乘客。

沈大高鐵概況

沈大高鐵貫穿遼寧省鐵嶺、沈陽(yáng)、遼陽(yáng)、鞍山、營(yíng)口、大連6個(gè)地市，全長(cháng)553km。為雙線(xiàn)電氣化鐵路，平均時(shí)速200km/h以上。2011年竣工通車(chē)。沈大高鐵內共設有15個(gè)車(chē)站。

沈大高鐵設計采用的高速列車(chē)為長(cháng)春軌道客車(chē)公司和法國阿爾斯通公司聯(lián)手合作制造的CRH5車(chē)型，8輛編組，全長(cháng)211.5m，車(chē)體最大寬度3200mm，車(chē)輛高4270mm。

覆蓋問(wèn)題的解決

◆ 多普勒頻移問(wèn)題的解決

高鐵覆蓋中對抗多普勒效應的途徑主要有兩種：一是設備采用頻偏糾正法克服多普勒頻移的影響，二是從根本上降低多普勒頻移和頻移變化率。無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )規劃設計一般從第二種方案出發(fā)。多普勒頻移變化率和f成正比，和d成反比。取f=2.1GHz，Fdr=5.8Hz/m，則不同速度時(shí)要使得最大多普勒頻移變化率不超過(guò)Fdr（多普勒頻移變化率門(mén)限）所需的基站到鐵軌的最小垂直距離如表1所示。

　　表1 不同車(chē)速時(shí)基站到鐵軌之間的最小垂直距離計算

需要說(shuō)明的是，當基站距離鐵軌非常近時(shí)，最大多普勒頻率變化率雖然非常大，但持續的時(shí)間很短，系統整體性能受影響也較小，因此隧道中采用漏纜方式覆蓋可以達到很好的效果。

根據《中華人民共和國鐵路運輸安全保護條例》第四十一條：沿鐵路兩側新建、擴建建筑工程，應符合以下規定：高速鐵路兩側的建筑工程與軌道中心線(xiàn)的距離不得小于50m；鐵路干線(xiàn)兩側的建筑工程與軌道中心線(xiàn)的距離不得小于20m；鐵路支線(xiàn)、專(zhuān)用線(xiàn)兩側的建筑工程與軌道中心線(xiàn)的距離不得小于15m；鐵路兩側的圍墻與軌道中心線(xiàn)的距離不得小于10m，圍墻的高度不得大于3m。對于沈大高鐵的覆蓋基站，基站到鐵軌的最小垂直距離取84米即可。

沈大高鐵覆蓋基站間距：

密集城區基站間距為500m左右；一般城區基站間距為1km左右；郊區基站間距為2km左右；農村基站間距在4km左右。

◆ 車(chē)體穿透損耗問(wèn)題的解決

　　圖2 高鐵天線(xiàn)掠射角

如圖2所示，基站天線(xiàn)與所覆蓋高速火車(chē)的掠射角越小，列車(chē)穿透損耗就越大，當掠射角等于10°的時(shí)候，車(chē)廂平均穿透損耗為24dB左右，當它等于5°時(shí)，車(chē)廂平均穿透損耗上升到29dB，當掠射角接近0°的時(shí)候，車(chē)廂平均穿透損耗呈現快速上升的狀態(tài)。所以合理地控制掠射角，將能夠更好更省地滿(mǎn)足高速鐵路覆蓋目標。對于沈大高鐵的基站設計時(shí)一般考慮掠射角控制在10°以上為宜。

◆ 切換問(wèn)題的解決

CDMA網(wǎng)絡(luò )三種切換方式：軟切換、硬切換和虛擬軟切換。具體如表2所示。

　　多種不同時(shí)速下的切換環(huán)境：250km/h、300km/h、350km/h、400km/h。

雙向切換，覆蓋重疊區= 切換距離×2。

結論

總之高速鐵路的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋非常復雜，需要網(wǎng)絡(luò )規劃設計和優(yōu)化人員根據實(shí)際情況和設備性能，通過(guò)充分的實(shí)地考察、理論計算和測量，合理確定解決方案，做到在保證通信質(zhì)量情況下，嚴格控制網(wǎng)絡(luò )建設成本。