中國電信無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化中心：高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò )優(yōu)化淺析

隨著(zhù)武廣、福廈等時(shí)速在350公里以上的客運專(zhuān)線(xiàn)相繼落成，人們出行方式的選擇、工作環(huán)境的變化也將隨之改變。乘客不僅希望能體驗到高速鐵路帶來(lái)的便利生活，也期待享受到無(wú)處不在的通信服務(wù)。

開(kāi)往春天的高鐵

2009年春節，武廣高速鐵路正式投入春運，高達350公里的時(shí)速，將武漢與廣州之間的鐵路旅行時(shí)間從11小時(shí)拉近到3小時(shí)。從年初一開(kāi)始，每天都有武漢和廣州兩地的旅客相互拜年，早上人還在武漢，傍晚則趕回廣州。1000多公里的路程，來(lái)回也不過(guò)六個(gè)小時(shí)。春運，讓更多的中國人感受到了高鐵的魅力。

武廣高鐵僅僅只是一個(gè)開(kāi)始，隨著(zhù)鄭西、福廈等高鐵客運專(zhuān)線(xiàn)投入運營(yíng)，以及在未來(lái)兩三年從北京到上海，從上海到武漢、成都、昆明的高速鐵路的建成通車(chē)，到2012年，以四縱四橫為主骨架的高速鐵路網(wǎng)將引領(lǐng)我國全面進(jìn)入高鐵時(shí)代。這個(gè)世界最大的高速鐵路網(wǎng)，將把經(jīng)濟最發(fā)達的長(cháng)三角、珠三角、環(huán)渤海地區，及其他城市密集地區緊緊相連。

與此同時(shí)，全球也掀起了高速鐵路建設熱潮，俄羅斯、法國、西班牙等國紛紛投入巨資。歐洲鐵路工業(yè)聯(lián)盟稱(chēng)，2016年世界各國在高速列車(chē)方面的投入將升至1500億歐元。美國總統奧巴馬在今年的《國情咨文》里也一度放話(huà)：“我們沒(méi)有理由讓歐洲和中國擁有最快的鐵路?！?

高鐵通信高要求

高鐵時(shí)代的來(lái)臨，改變的不僅是城市間的空間距離，它所帶來(lái)的還包括不同地域民眾舊有的生活節奏和觀(guān)念的巨變，主要是人們對出行方式的選擇——乘飛機不再是速度的唯一體現。更為重要的是，乘坐高鐵還能享受到乘坐飛機所不具備的通信服務(wù)。在飛馳的列車(chē)上，人們依舊可以打電話(huà)、發(fā)短信、瀏覽網(wǎng)頁(yè)、收發(fā)郵件。與平地上的通信不同，打造穩定的高鐵通信網(wǎng)絡(luò )，提供可靠的通信質(zhì)量，運營(yíng)商必須克服下面兩個(gè)問(wèn)題：

首先是列車(chē)提速帶來(lái)通信區域的頻繁重選與切換。坐過(guò)“和諧號”列車(chē)的旅客都遇到過(guò)短信發(fā)不出去，電話(huà)經(jīng)常掉線(xiàn)或者不通的情況，這是因為手機會(huì )在高鐵的運行過(guò)程中頻繁重選和切換。

其次是多普勒頻移。列車(chē)運行速度越快，多普勒頻移越大。當列車(chē)時(shí)速為350km/h、電磁波頻率800MHz時(shí)，多普勒頻移的范圍是±260Hz。發(fā)生頻移后，系統測算的信號接收點(diǎn)，不是實(shí)際信號的最強接收點(diǎn)，這樣會(huì )降低通信的質(zhì)量。

破解通信難題

延伸切換重疊區域

CRH3型高速列車(chē)時(shí)速可達350km/h，每秒約達到100米，傳統方式假設CDMA網(wǎng)絡(luò )每小區覆蓋鐵路范圍1.5km，平均每次通話(huà)時(shí)長(cháng)60s，那么平均每次通話(huà)要發(fā)生4次切換。任何一次切換失敗都將導致用戶(hù)短信發(fā)送失敗、通話(huà)斷續。

若想保證切換成功率，最有效的方法就是延伸切換重疊區域。CDMA網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)應根據列車(chē)移動(dòng)速度預留一定的切換重疊區域，防止用戶(hù)剛進(jìn)入切換帶，源側信號突然變弱，此時(shí)新分支還沒(méi)有來(lái)得及加進(jìn)來(lái)，或者用戶(hù)剛通過(guò)切換帶，刪除了源側分支，但目標側信號突然波動(dòng)變弱，導致掉話(huà)。

考慮到C網(wǎng)切換從觸發(fā)到交互完成，整個(gè)軟切換過(guò)程大約需要1秒。在時(shí)速為350km/h的高速列車(chē)中，單邊切換區長(cháng)度要求大于97.2m，若雙向運行切換，重疊區域要大于194m。鑒于硬切換過(guò)程通常為軟切換的5倍，因此高鐵對于跨廠(chǎng)家硬切換重疊距離要求為軟切換重疊距離的5倍。

另外，運營(yíng)商還可根據實(shí)際情況采用扇區功分或同PN（Pseudo-Noise，偽/隨機噪聲） RRU級聯(lián)技術(shù)，延伸切換重疊區，減少切換頻率，提高終端用戶(hù)感知。

調整距離

移動(dòng)通信領(lǐng)域，將因波源或觀(guān)察者相對于傳播介質(zhì)的運動(dòng)而使觀(guān)察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現象稱(chēng)為多普勒效應。在每小時(shí)超300km/h的高速移動(dòng)場(chǎng)景下，這種效應尤其明顯。多普勒效應所引起的頻移稱(chēng)為多普勒頻移。CDMA反向信號接收采用搜索窗原理，相比GSM的反向接收時(shí)隙設置范圍更大，但由于高速移動(dòng)導致接收機不能在最高功率點(diǎn)的相位與接收信號作擴頻解調，信號能量存在部分丟失，這樣就對有用信號能量強度造成了影響，這就是為何列車(chē)在高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的多普勒效應，會(huì )影響下載速率和用戶(hù)感知。

因此，降低多普勒頻移效應可通過(guò)加大站址和軌道之間的距離，減緩列車(chē)相對基站移動(dòng)速度，減少高速移動(dòng)對頻率解調的影響。優(yōu)化測試發(fā)現，基站距鐵路垂直距離大于50m、小于150m時(shí)效果最佳。

優(yōu)化京津高鐵網(wǎng)絡(luò )覆蓋

高速鐵路的移動(dòng)通信覆蓋是一個(gè)世界性難題。京津高鐵作為國內首條時(shí)速達380km/h的鐵路極具代表性，其全長(cháng)113.54 km，采用CRH3型列車(chē)，年客流量達到2555萬(wàn)人次。北京電信在2009年4月摸底測試時(shí)發(fā)現，該高鐵部分區域存在覆蓋空洞、切換掉話(huà)、PDSN（Packet Data Serving Node）間無(wú)法切換等網(wǎng)絡(luò )問(wèn)題，影響了用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗。

北京電信現場(chǎng)技術(shù)人員通過(guò)延伸相鄰基站或同一基站不同扇區的重疊區域，如對“永樂(lè )開(kāi)發(fā)區”等必掉點(diǎn)進(jìn)行PN改造、功分器共用扇區信號等方式，成功解決了該類(lèi)場(chǎng)景的切換問(wèn)題。在北京電信網(wǎng)優(yōu)中心、電信研究院以及華為公司為期數月的聯(lián)合攻關(guān)下，京津高鐵網(wǎng)絡(luò )質(zhì)量得到了有效優(yōu)化，在2009年11月的三方測評中，話(huà)音質(zhì)量(FER3)從優(yōu)化前的91.67%提升至98.14%，里程掉話(huà)比從之前的17026m/次提升至113540m/次，網(wǎng)絡(luò )整體指標得到了顯著(zhù)改善。

隨著(zhù)中國3G網(wǎng)絡(luò )的全面商用，以及社會(huì )經(jīng)濟的快速發(fā)展，人們在高速移動(dòng)環(huán)境下使用通信工具進(jìn)行語(yǔ)音和數據業(yè)務(wù)的需求越來(lái)越多，因此對高速環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò )建設方案進(jìn)行研究有著(zhù)極其重要的意義。對高鐵沿線(xiàn)無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋進(jìn)行專(zhuān)項規劃和優(yōu)化，能提高整體網(wǎng)絡(luò )覆蓋水平，改善網(wǎng)絡(luò )通信質(zhì)量，提升用戶(hù)滿(mǎn)意度。

表1 　C網(wǎng)切換重疊區域與速度對應關(guān)系