1 高速移動通信性能影響因素

1.1高速移動帶來的問題

高鐵列車采用全封閉式車體結構，且部分車采用金屬鍍膜玻璃，導致在無線傳輸中車體穿透損耗較大，信號衰減比普通列車大10 dB以上，特殊的材質和極好的密閉性對手機信號的屏蔽會超過24 db以上，基站信號覆蓋范圍縮小為原來的1/5。當損耗為30 dB時，相當于信號在透過車體時只有原來千分之一的信號強度。對移動用戶通信造成非常大的影響。為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號發射機功率增強，要求更高的基站接收機靈敏度或者要求用戶終端(UE)的發射信號增強。

超過300 km/h的時速將使用戶在非常短的時間內穿過多個信號小區，引起用戶在通話過程中在不同的小區覆蓋范圍內頻繁切換，會導致掉話等諸多問題。手機在不同基站間切換至少需要6 s，而全速行速的高鐵列車通過兩個基站的時間要經常小于6 s，手機基本上無法完成切換。

當行駛速度高達200 km/h甚至更高時，相較于正常狀態，移動通信網絡的覆蓋率會從99%以上下降到84%左右，話音接通率會從原來96%以上下降到81%左右，掉話率也會從原來幾平為0上升到25%以上，其他話音指標及數據業務指標均會有不同程度的下降。

因波源或觀察者相對于傳播介質的運動而使觀察者接收到的波的頻率發生變化的現象稱為多普勒效應。在移動通信系統中，特別是高速鐵路場景下，這種效應尤其明顯。多普勒效應所引起的頻移稱為多普勒頻移。

1.2 3G業務面臨的挑戰

高速鐵路將是3G業務應用的一個重要場景。高速鐵路的覆蓋是整個3G覆蓋不能或缺的重要部分。許多高端的3G用戶經常由于商務旅行的原因，需要在高速鐵路上使用各種移動通信業務。這些業務不僅包括語音業務、視頻業務、還有高速數據上下行業務。

由于高鐵主要的目標客戶是商務出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語音或高速數據業務的需求較為明確。在人們連續乘坐高速列車的時候，特別希望能夠通過無線數據業務來排解旅途中的無聊與煩悶。這正是3G豐富多彩的數據業務，如手機網游、手機電視以及視頻通話等大顯身手的時候。為用戶提供高速上下行數據業務是3G時代顯著的業務特點，因此，快速發展的高速鐵路已成為移動話音和數據業務的新熱點。上下行數據業務的速率在很大程度上取決于網絡的覆蓋質量：一方面為了保證高速列車中用戶的網絡信號接受質量，抵御車廂的穿透損耗，基站間距需要盡可能縮短；而另一方面，為滿足切換的需要以及減少切換及小區重選的次數，基站間又要保持盡量長的距離。

2 高速移動通信網絡的規劃設計

在進行高速鐵路覆蓋設計時，充分研究鐵路發展趨勢，通常以最大穿透損耗的車型作為覆蓋優化的目標。基站選址要合理，避免越區覆蓋產生，在保證覆蓋距離的情況下，盡可能與鐵路保持一定距離，克服多普勒效應。盡量將沿線基站放在同一個基站控制器(BSC)或移動交換中心(MSC)中，以減少MSC間、BSC間的切換，避免過長的切換時間對網絡服務質量造成不利的影響。

2.1 充分發揮高速鐵路鏈型網絡結構的特點

對原有網絡結構進行改造，根據高速鐵路線形覆蓋的特點，將小區結構規劃成鏈形鄰區，并針對高速鐵路沿線的鏈形鄰區，讓用戶沿運動方向優先切換到前向鏈形鄰區，這樣將盡可能減少切換次數，避免前后小區乒乓切換，也避免了側向小區的無序切換，提升切換效率，提升業務質量。

2.2 切換帶的規劃

切換帶的規劃一方面保證高速移動的手機終端順利完成切換，同時要盡可能減少基站數量，降低投資，因此切換帶的設計要合理。根據快速切換算法觸發時間的估算，完成2次快速切換的時間為5～6 s，網絡設計過程中通常建議為7～8 s。

2.3 站型和天線的選擇

周邊用戶比較少的農村區域，在鐵路比較筆直的場景下，優先選擇高增益窄波瓣天線，基站覆蓋范圍大，切換次數少；對于市區、郊區、沿途有車站、鐵路有弧度區域適合選擇中等增益天線；功分器雖然增加了3.5 dB損耗，降低了基站覆蓋范圍，但是兩個扇區為同一個小區，減少了切換次數，并且不需要考慮天線前后比的問題，在合適的場景下可以考慮使用；8字形天線比較適合覆蓋直線鐵路。

3 分布式基站和一體化基站的使用

分布式基站組網方案核心思想是將基站的基帶部分和射頻部分分開：射頻部分可以靈活地放置，基帶池集中放置使基帶可以共享，基帶池通過光纖與射頻拉遠單元連接。鐵路沿線比較容易鋪設光纜，為分布式基站的建設提供了便利條件，另外基帶池集中放置，適用于沿線城鎮容量較大區域，減少對機房資源的需求，便于站址獲取、集中管理和維護。

室外一體化基站體積小、重量輕，不需要機房，安裝方式靈活，可安裝在水泥桿、拉線塔以及建筑物的墻體上，無需空調，能有效減低配套成本，適合鐵路沿線覆蓋使用。射頻拉遠單元是利用基站剩余的信道板和基帶處理設備組成新的扇區，通過光纖系統拉到遠處。它具有硬件容量，并且擁有新的擾碼和同步碼。

基帶處理單元+射頻拉遠單元(BBU+RRU)構成傳統意義上的完整基站。BBU部分實現的功能主要為：主控、時鐘、基帶處理；RRU實現的功能主要包括：數字中頻、收發信機、功放和低噪放。

RRU的工作原理是：基帶信號下行經變頻、濾波，經過射頻濾波、經線性功率放大器后通過發送濾波傳至天饋。上行將收到的移動終端上行信號進濾波、低噪聲放大、進一步的射頻小信號放大濾波和下變頻，然后完成模數轉換和數字中頻處理等。

RRU同基站接口的連接接口有兩種：通用公共射頻接口(CPRI)及開放式基站架構(OBASI)。

4 網絡覆蓋方案

4.1 高速移動場景特征

高速鐵路干線網絡覆蓋的特點是容量需求不高，呈帶狀結構，屬于典型的覆蓋受限系統，話務量需求較低，但是對連續覆蓋的要求比較高。鐵路沿線采用BBU+RRU組網，采用小區分集和高速頻偏補償算法，在高速列車上裝載直放站克服穿透損耗。

4.2 分布式天線覆蓋方案

為了增強高速鐵路場景下的覆蓋性能，提高網絡覆蓋質量，我們提出了分布式天線結構在高速移動環境中應用的技術方案。在設備選型上，采用分布式光纖基站BBU+RRU組網設備。優點是在某一區域可以只放置一個BBU，鏈接多個RRU進行高速鐵路覆蓋，同時RRU具備級聯功能，通過級聯的方式能夠節省光纖，提供靈活的建網方式。

在分布式天線系統高速鐵路應用場景中，沿高速鐵路架設了4個天線組，每個天線組采用2根天線進行覆蓋，8根天線的覆蓋區域共同構成一個小區。在條件允許的條件下每個天線組的2根天線盡可能按照相互獨立的放置，如無法滿足條件，也必須存在一定的相關性。

5 專網模式解決高速接入難題

5.1 專網方案

在高速鐵路覆蓋中，有專網和大網2種組網方案。專網組網即以專用網絡覆蓋高速鐵路沿線，與大網相對獨立。一般在普通鐵路和高速公路場景下可以考慮采用大網組網方式，在高速鐵路場景中建議采用專網方式。尤其是300 km/h以上的高速鐵路無線覆蓋需要多種方式并舉才能夠得到較好的效果。

大網組網即不單獨考慮高速場景的覆蓋，與其他場景合為一體統一地由室外宏蜂窩大網提供覆蓋。大網方案則不用考慮誤附著等問題，且資源利用率高，成本相對低，但是大網很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求，優化難度大。

專網組網有利于切換鏈的設計，除了在車站和列車停留區域與大網允許切換外，沿線采用鏈形鄰區設計，不與大網發生切換。可以很好保證高鐵的用戶在高速移動時切換和重選的路徑，提高通信質量；有利于應用專用于高速場景的無線資源管理算法、切換和重選策略和網絡參數值，從而更好地提高整個網絡的質量。但在實現專網化的過程中一個必要條件是實現對專網信號的嚴格控制，避免對周圍城鎮用戶造成影響。

5.2 鏈形鄰區

現網調整可以通過逐步對鐵路覆蓋的基站覆蓋進行加強，逐步控制鐵路覆蓋信號對周邊城鎮的影響，將現網具備條件的小區進行專網化，實現逐個小區的推進，最終形成專網的覆蓋結構，實現全線的專網化。考慮到高速鐵路沿線覆蓋區域低速用戶很少，可以在高鐵沿線小區采用鏈形鄰區設置、專用于高速場景的無線資源管理算法，根據快速切換的需要規劃切換帶、優化切換參數。通過數據設置將現有的公眾網絡和高鐵專網區分開來，使公網的用戶切不進來，專網的用戶切不出去，只在兩端的車站設置網絡的出入口。

5.3 專網保護帶

專網一個很大的問題是和大網的融合問題：在密集城區和列車的站點附近是專網和大網的進出口。如何判斷由哪個網絡給用戶提供服務，如何防止用戶誤附著，以及對誤附著的用戶如何處理是專網方案設計的難題。在專網和公網的重疊區域，專網和公網通過不同的接入策略接入，保證低速用戶接入公網，高速用戶接入專網。

專網保護帶的思路是在專網覆蓋小區的兩側選擇一些非專網小區作為專網與公網的隔離帶小區，這些小區可以與專網小區進行重選和切換，以此避免周邊城鎮用戶一進入專網就無法正常退出的問題，同時又可以避免專網小區切換關系過多所引起的麻煩。在專網大網出入口，如車站小區，可以根據移動路徑靈活規劃鄰區關系和切換帶，從而滿足切換需求。如果條件不具備可以適當考慮建立專網保護帶的方式來保證專網的有效運行。

高鐵用戶能順暢地進入專網，而沿線普通用戶在切入專網后還能夠順利切出，巧妙地解決了高鐵途經密集市區、郊縣縣城且和常規鐵路線部分重疊的復雜場景覆蓋難題，確保高鐵用戶百分之百切入切出成功。

6 結束語

高速鐵路的無線網絡覆蓋非常復雜，需要網絡規劃設計和優化人員根據實際情況和設備性能，通過充分的實地考察、理論計算和測量，合理確定解決方案，做到在保證通信質量情況下，嚴格控制網絡建設成本。