中國(guó)鐵路已步入高速時(shí)代，預(yù)計(jì)2020年，200km/h速率以上的中國(guó)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(yùn)營(yíng)商一直在進(jìn)行研究解決的問(wèn)題。
和常規(guī)的CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃相比，高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備一定的特殊性。找準(zhǔn)高鐵覆蓋的關(guān)鍵問(wèn)題才能在高鐵沿線的深度覆蓋、精細(xì)優(yōu)化上做到更精準(zhǔn)。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(biāo)志性因素
高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要體現(xiàn)在4個(gè)標(biāo)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(qū)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(hào)頻率會(huì)發(fā)生偏移，導(dǎo)致基站和接收機(jī)的相干解調(diào)性能降低。
◆ 對(duì)接收機(jī)的影響
CDMA采用相干解調(diào)，要求接收機(jī)本地解調(diào)載波與接收信號(hào)的載波同頻，載波頻率的抖動(dòng)對(duì)接收機(jī)的解調(diào)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(jù)多普勒頻移公式計(jì)算得到接收機(jī)允許的最大移動(dòng)速度為972km/h和648km/h。此速度遠(yuǎn)高于高速鐵路最大運(yùn)行時(shí)速，芯片解調(diào)容限滿足要求。
◆ 對(duì)基站的影響
由于多普勒頻移的存在，導(dǎo)致基站和手機(jī)的相干解調(diào)性能降低。可考慮在鏈路預(yù)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(dǎo)致切換時(shí)更易掉話，對(duì)切換的要求遠(yuǎn)高于普通場(chǎng)景。
在切換區(qū)大小不變的前提下，速度越快的終端穿過(guò)切換區(qū)的時(shí)間越小。因此，當(dāng)終端的移動(dòng)速度足夠快，以至于穿過(guò)切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)處理的軟切換最小時(shí)延，此時(shí)會(huì)導(dǎo)致掉話產(chǎn)生。在對(duì)高速鐵路覆蓋基站的參數(shù)設(shè)置時(shí)需要考慮設(shè)置最小的切換區(qū)，滿足高速火車(chē)在高速運(yùn)行時(shí)的切換需求。最小切換區(qū)的大小可根據(jù)列車(chē)時(shí)速大小與軟切換時(shí)延計(jì)算而得。軟切換時(shí)延一般取300ms，因此，最小切換區(qū)大小主要取決于列車(chē)移動(dòng)速度。
目前的高鐵設(shè)計(jì)最高時(shí)速為350km/h，根據(jù)公式計(jì)算得最小軟切換區(qū)為29m。
沈大高鐵CDMA覆蓋案例
我們就沈大高鐵的CDMA無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行研究，主要用于覆蓋高速鐵路客運(yùn)專(zhuān)線的用戶，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(zhǎng)553km。為雙線電氣化鐵路，平均時(shí)速200km/h以上。2011年竣工通車(chē)。沈大高鐵內(nèi)共設(shè)有15個(gè)車(chē)站。
沈大高鐵設(shè)計(jì)采用的高速列車(chē)為長(zhǎng)春軌道客車(chē)公司和法國(guó)阿爾斯通公司聯(lián)手合作制造的CRH5車(chē)型，8輛編組，全長(zhǎng)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(duì)抗多普勒效應(yīng)的途徑主要有兩種：一是設(shè)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)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)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，F(xiàn)dr=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(jì)算
需要說(shuō)明的是，當(dāng)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(xù)的時(shí)間很短，系統(tǒng)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(dá)到很好的效果。
根據(jù)《中華人民共和國(guó)鐵路運(yùn)輸安全保護(hù)條例》第四十一條：沿鐵路兩側(cè)新建、擴(kuò)建建筑工程，應(yīng)符合以下規(guī)定：高速鐵路兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于50m；鐵路干線兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于20m；鐵路支線、專(zhuān)用線兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于15m；鐵路兩側(cè)的圍墻與軌道中心線的距離不得小于10m，圍墻的高度不得大于3m。對(duì)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(qū)基站間距為500m左右；一般城區(qū)基站間距為1km左右；郊區(qū)基站間距為2km左右；農(nóng)村基站間距在4km左右。
◆ 車(chē)體穿透損耗問(wèn)題的解決
圖2 高鐵天線掠射角
如圖2所示，基站天線與所覆蓋高速火車(chē)的掠射角越小，列車(chē)穿透損耗就越大，當(dāng)掠射角等于10°的時(shí)候，車(chē)廂平均穿透損耗為24dB左右，當(dāng)它等于5°時(shí)，車(chē)廂平均穿透損耗上升到29dB，當(dāng)掠射角接近0°的時(shí)候，車(chē)廂平均穿透損耗呈現(xiàn)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足高速鐵路覆蓋目標(biāo)。對(duì)于沈大高鐵的基站設(shè)計(jì)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(qū)= 切換距離×2。
結(jié)論
總之高速鐵路的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常復(fù)雜，需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)和優(yōu)化人員根據(jù)實(shí)際情況和設(shè)備性能，通過(guò)充分的實(shí)地考察、理論計(jì)算和測(cè)量，合理確定解決方案，做到在保證通信質(zhì)量情況下，嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。
