浅谈WCDMA网络高铁覆盖策略

朱青

(中国联通东莞分公司，广东东莞523009)

1.前言

高铁技术的成熟，低碳经济的呼声，路网规划的完善，集中表明我国已进入高铁黄金时期。2010-2014年我国高速铁路建设将进入全面收获时期。以“四纵四横”为骨架的快速客运网基本形成，旨在建立省会城市及大中城市间的快速客运通道。中国正进入史无前例的高铁建设期，三年内中国将建成四十二条高速铁路客运专线，总里程一点三万公里。目前高铁时速250公里以上，新型高铁武广铁路最高运行时速高达350公里，面对新型的覆盖场景，不仅给移动通信运营商带来新的商业契机，同时也带来网络覆盖挑战。

2.WCDMA网络高铁覆盖方案分析

2.1 各种条件分析

2.1.1 高铁车体穿透损耗

CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，下表是对各类型车厢的穿透损耗的测试结果。

表1 各车型穿透损耗总结

在规划中应根据不同未来不同高铁线路最高运行时速和最大车体损耗进行网络设计。

2.1.2 邻小区的重叠区域计算

在移动通信过程中，由于网络架构为蜂窝结构，因此手机在移动过程中，需要在不同小区间进行切换。当手机在服务小区的信号强度衰落到一定程度，会触发小区重选（idle模式）或者切换（Active模式）过程，我们必须保证在手机顺利进入新小区之前，当前小区的信号不会进一步衰落到门限值以下，否则空闲的手机可能进入No Service Mode（即脱网）、或者Active模式的手机切换失败而掉话。因此需要控制重叠区域的大小，来保证重选或者切换的完成。重叠覆盖区域既要足够大，保证有足够的时间进行小区间的切换，又要足够小，尽量扩大单小区的覆盖范围，减少设备数量，同时也减少小区间的切换数量。

图1 邻小区的重叠区域示意图

对于WCDMA系统，应考虑在切换带起呼状态，所需时间系统一般不超过2.4S(具体计算方法参考3GPP下发的WCDMA切换标准协议)，建议在规划设计按照3S取定。不同高铁线路规划的最高时速不同，重叠区域大小也有所不同。

2.1.3 多普勒频移分析

列车高速运行时由于多普勒频移效应，对于射频信号的中心频点产生频率偏差，多普勒公式如下：

F：中心频率，单位Hz

V：列车运行速度，单位：m/s

C：光速=3×108m/s

θ：列车动行方向与电磁波传播方向的夹角

当列车动行方向与电磁波传播方向一致时，多普勒频移最为明显，由此可得出对于WCDMA系统，不同的运行速度，产生最大的频率偏差见下表。

表2 不同时速对WCDMA系统产生最大频率偏差表

达到350公里/小时；WCDMA产生的最大频偏差±681Hz，WCDMA制式标准允许的中心频率偏差为±800Hz。因此在时速为350公里以下，不会影响WCDMA网络的正常运行。

2.1.4 站距分析

参考目前国内通常最高时速为350km/s，只考虑语音业务的情况。分析高铁覆盖的站点距离。

表3 350Km时速下WCDMA网络链路预算

考虑到高铁线路一般都建设到高架桥上面，虽然经过的环境不同，但总体来讲可以参考准开阔地的传播模型进行覆盖能力分析。上面链路预算是基于此计算得出WCDMA网覆盖能力。

传播模型：L（dB）＝23.8+33.9lgf－13.82lgH＋（44.9－6.55lgh）lgd

取定：f=1950Mhz H=35m，h=1.5m

根据以上分析WCDMA网总体覆盖能力，单扇区可以覆盖1.4Km左右。不同的高铁线路所经过的场景会不同，有山地、城市、平原、草原、湖泊。要更加精确地规划高铁覆盖，需要根据不同的场景选择不同的模型进行链路预算得出覆盖半径。

对于隧道特殊场景链路预算有所不同，隧道覆盖由于采用漏缆，建设成本较高，一般都可用多运营商共同建设分担成本的办法。

泄露电缆方式模型讨论：

L总耦合损耗=65dB+20lg(6m/2m）+L车屏蔽=65+9.5dB+15dB=89.5dB。要求车内WCDMA的Ec场强不小于‐90dB，漏缆馈电点EIRP=30dBm。L漏缆长=（EIRP+0.5dBm）÷5.84dB/100米=522米。

2.2 覆盖方案策略

2.2.1 地面高铁

地面高铁（含地面高架桥）覆盖方式的选择，应充分考虑地形、地物的影响，一般考虑原则如下：

(1)根据覆盖质量指标要求，进行链路预算，确定站距要求。

(2)为避免无线信号入射角过小，建议基站与铁路垂直距离在50米以上，实际设站还需结合共建共享和铁路部门的要求。

(3)对于直线轨道，相邻站点宜交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，有助于改善切换区域，有利于车厢内两侧信号质量的均衡。

(4)对于铁路弯道，站址宜设置在弯道的内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性。

(5)天线挂高设置应考虑铁轨高度，宜高出轨面15米以上。应保证天线与轨面视通。

(6)当站点与铁轨沿线垂直距离较近时，可选用窄波束高增益天线，如33度21dBi天线；当站点与铁路沿线的垂直距离较大时可选用65度18dBi天线；在城区站距较近条件下，天线增益建议为16dBi。天线型号的选择还需要结合基站周边环境。

(7)在郊区宜采用单极化双天线，城区宜采用双极化单天线，实现接收分集。若建设铁塔站，应考虑铁塔安装位置与投资，可采用双极化单天线。

(8)可设置两小区或单小区+功分器，实现单站点两方向覆盖。

(9)基站类型选择建议：大型车站可采用宏站+室内分布系统、其它站点可采用分布式基站、独立RRU、光纤直放站等。

(10)利旧站点可分裂出独立小区专门用于高铁的覆盖。

必要时可采用各种覆盖增强技术改善覆盖效果，如高功率载频、塔放、四天线分集接收等。

在设备选择上尽量选择BBU+RRU的形式，将RRU设备尽量放置在天线的近端，减少馈线损耗，提高覆盖能力。对于直线轨道，相邻站点宜交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，有助于车厢内两侧信号质量的均衡。1个RRU采用功分形式覆盖，具体模型如图2所示：

图2 RRU功分形式覆盖模型

不同厂家由于BBU+RRU的性能不同，在设置上需要有所区别。

2.2.2 隧道高铁

隧道的覆盖采用泄漏电缆单边布放（资源充足的地方，也可以使用双边布放，成本将多一倍），考虑多运营商共建，通过POI合路后统一馈入。泄漏电缆布设于隧道侧壁上，高度与列车窗口等高，距离轨面2.5m。

需根据隧道的类型以及洞室分布情况，同时泄漏电缆的覆盖能力及重叠覆盖区的需求，确定信号源的数量及位置。

隧道覆盖方式主要为信号源+泄漏电缆+隧道口天线的方式，对应于长隧道、短隧道、隧道群。分别对应有不同的覆盖方案，如图3所示。

根据高铁隧道的建设，一般隧道两边每隔250米就建设一个避风洞，相对单边来看每隔500米就有一个避风洞。通信设备可以考虑放置避风洞中，沿线采用漏缆。从隧道链路预算分析得到WCDMA网一个单RRU通过功分器功分后，1个RRU功分后介入泄露电缆单边可以覆盖400米以上，如果500米设置一个信源通过功分后两边覆盖，可以满足300米的切换带需求。

图3 长隧道、短隧道覆盖思路示意图

下面介绍一个某市大岭山隧道的具体覆盖方案：

如图4所示，隧道内利用500米1个避风洞的条件设置一个RRU信源，连续通过泄露电缆进行隧道覆盖。如果考虑进一步减小切换次数的话，可以把其中的几个RRU使用光纤直放站进行代替。

隧道外：不同的场景需要不同的设置。左边的隧道口，使用一个外置洞口天线，连接隧道内的RRU进行较短的隧道外覆盖，仅提供隧道内的信号进行隧道外信号的延伸保证300米的切换距离。同理右边的隧道口也架设一个室外天线，保证和隧道外山坡上的另外一个光纤直放站信号进行300米信号重叠覆盖。

图4 某市大岭山隧道的具体覆盖方案

3.总结

移动网络高铁覆盖作为一个新型特殊的移动网络覆盖场景，本文只是针对单一的WCDMA网进行覆盖浅析，实际建设过程中，在国内各个运营商为了减小成本将进行联合共建，需要同时考虑GSM、CDMA、WCDMA三网的综合设置。