高速铁路有效覆盖电平与站间距分析

赵悦，姜海云，杨桐

（中国移动通信集团天津有限公司，天津 300090）

高速铁路有效覆盖电平与站间距分析

赵悦，姜海云，杨桐

（中国移动通信集团天津有限公司，天津 300090）

本文首先对高速铁路的两大覆盖难点进行了介绍，并归纳总结了国内现有高速铁路主流的4种覆盖模式，尤其对高铁专网结构进行了简介。同时，辅以国内某高铁GSM和TD-SCDMA专网海量测试数据为基础，通过载干比、话音质量剖析了有效覆盖电平范围值。其次，对高铁专网分场景下的站间距、有效覆盖电平和成本三因素点进行了综合考评并提出相应站点设计建议。最后，结合高速铁路的两大覆盖难点对未来高铁覆盖模式进行了展望。

高速铁路；多普勒频移；高铁专网；有效覆盖电平；站间距

高速铁路已成为现今社会快速发展中全新的运输方式，而中国高铁350 km甚至更高的时速代表了目前世界最高的高铁速度。同时，中空铝合金材质车体成为车体强度，重量和能源节省等综合考评下的最优之选和后期铁路车厢制造的主流发展方向。

相对无线信号而言，在高铁车厢内实现良好的话音和数据业务，有效覆盖电平即为首要需求。但在高铁高速场景和车体屏蔽严重的双重主要条件制约下，由高铁专网站间距和建设维护成本到提高高铁车内有效覆盖电平占比的博弈一直愈演愈烈。同时，未来高速铁路场景下的无线网络覆盖新模式也是近几年争相讨论和不断摸索的前沿课题。有效覆盖电平保持在何种水平，如何保证有效覆盖电平的前提下，实现低成本下合理站间距和未来高速铁路覆盖新模式都将是本文主要讨论的重点。

1 高铁场景特点

高速铁路现阶段主要面对两大场景优化难点：高铁车体损耗和高速环境下的多普勒频移。

1.1 高铁车体损耗

目前，中国高速铁路列车（CRH）车型共4种类型：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。车体多为中空铝合金构成，对无线信号的损耗由10～25 dBm不等。大幅的电平衰减以及车内网络弱覆盖，成为制约高铁无线网络覆盖和质量优化提升的首要难点。

1.2 多普勒频移

所谓多普勒频移是指当终端在运动中通信时，特别是在高速情况下，相对发射端，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒频移。

f0：系统工作频率；

v：移动台的运动速度；

fD：最大多普勒频移；

θ：多径信号合成传播方向与移动台行进方向夹角；

λ：波长。

从公式中可看出，f0、v、λ和θ实际为决定频偏大小的可变变量。而在实际无线网络组网中，f0、λ和θ已在网络规划和建设初期基本选定和确定下来，可变化范围较小，网络优化调整局限性大。但v在频偏变量中是变化范围最大的一个变量。在实际的高铁网络测试中，频率偏移效应随列车速度加快而明显，电平不断衰减。

由此可见，频移大小和运动速度成正比，运动速度越快频偏越大；频偏越大，实际测试时会导致误码率越高，移动台与网络信令交互越困难。所以，既定高铁网络环境下，速度在多普勒效应里起到了主导作用，也是仅次于车体屏蔽后的第二个制约高铁无线网络覆盖和质量优化提升难点。

2 高铁网络覆盖

现阶段，中国铁路的移动通信网络覆盖主要有4种模式：公网覆盖、宏专网覆盖、微网覆盖和共小区专网覆盖。4种网络覆盖模式各有优缺点，要实现信号覆盖全、网络质量优和客户感知强的目标，一般通信运营商会甄选高铁专网模式覆盖高速铁路，降低上一小节介绍的高铁两大覆盖优化难点的影响。

2.1 高铁网络覆盖选择

4种网络覆盖模式中，每种网络模式都存在各自的优缺点，以下为各种组网方式特点、优缺点、适合场景和时期的比对。

（1）公网覆盖：通过对现有基站的调整，增强信号覆盖，基站同时覆盖铁路和周边用户。优点是容易实现成本低。缺点是多小区覆盖、公网邻区多、不适合复杂场景、指标提升难度大。适合高铁开通初期、过渡时期。

（2） 宏专网覆盖：采用宏蜂窝基站覆盖高速铁路，并构成专网，GSM规划为同一个BSC/LAC，TDSCDMA规划为同一个RNC/RAU。优点是专网小区覆盖、邻区关系简单、切换带切换序列明确。缺点是覆盖范围难控制、对公网影响影响大。适合无线环境简单、环境开阔场景组网。

（3） 微专网覆盖：采用光纤直放站远端覆盖高速铁路，并构成专网，GSM规划为同一个BSC/LAC，TD-SCDMA规划为同一个RNC/RAU。优点是直放站拉远覆盖、容易实现小区覆盖延伸。缺点是设备性能不稳定、上行干扰大、监控稳定性差。适合各种场景使用。

（4） 共小区专网覆盖：采用BBU+RRU分布式基站覆盖高速铁路，并构成专网，GSM规划为同一个BSC/LAC，TD-SCDMA规划为同一个RNC/RAU。优点是共小区拉远覆盖，适合高速铁路建网。缺点是载频容量受限、已商用厂家设备稳定性、成熟度还有待加强。适合各种场景使用。

综合比对以上4种铁路覆盖模式，宏专网覆盖、微专网覆盖和共小区专网覆盖规划为同一个位置区的组网模式更适合铁路场景的覆盖，避免了移动台的频繁位置更新、小区重选和切换，可有效提升网络指标和客户感知。其中，共小区BBU+RRU专网组网构架尤为适合在高速铁路场景下使用，RRU的拉远可在几公里甚至十几公里铁路沿线形成一个超级小区供移动台使用。

2.2 高铁专网组网

上面提到的共小区专网组网模式，实现专网用“空间换时间”目的，即将同一个小区拉至不同的铁路沿线物理站点，覆盖铁路的一部分线状路段。空间上移动台通过这一铁路路段，时间上拉长移动台占用同一小区的时间。有效避免频繁位置更新、小区重选和切换导致的未接通、掉话和数据业务掉线的发生。专网网络结构如图1所示。

3 有效覆盖电平与专网站间距

3.1 有效覆盖电平与网络质量的关系

图1 高铁专网结构

现阶段，国内高铁专网覆盖分GSM和TD-SCDMA专网两种。经采用中国移动自动路测软件对国内某高铁GSM和TD-SCDMA专网在无站点故障的前提下，反复测试，采集足量数据后发现在低于电平-75dBm时， GSM专网C/I比例会出现拐点，出现陡降的情况。同时，话音质量（RxQual）也会随之陡然变差。如图2所示。

而利用中国移动自动路测软件对该高铁TD-SCDMA专网进行反复拉网测试后发现，在综合PCCPCH和DPCH电平统计后，如电平低于-80 dBm后C/I比会出现缓慢下降，而在电平低于-75 dBm后TrchBler高于5%的占比会随之上升，即出现话音质差情况，实际客户话音感知也会下降。如图3所示。

综合该国内某高铁GSM和TD-SCDMA拉网测试结果可见，如将GSM和TD-SCDMA专网在高铁车厢内电平控-75 dBm以上占比扩大，势必能大幅提高整个高铁专网的网络质量，并将有效提升客户通话感知。

3.2 专网站间距浅析

上一小节已经通过质量与电平对比关系进行了解析，在电平高于-75 dBm后，会给移动台提供一个良好的无线环境。在运营商寻求节约及低成本运营的今天，减少投入又能提高高铁车厢内有效覆盖电平占比即成为无线网络规划和优化调整首要和关键目标。以下两小节将从保证有效覆盖电平的前提下，对分场景站间距和国内某高铁站间距实例对专网站间距进行阐述。

3.2.1 站间距推算

高铁专网站点覆盖间距是由传播模型、基站参数、移动台参数和环境参数等链路预算参数综合计算出来的理论数据。由于链路预算部分不作为本文章重点介绍章节，所以仅摘取国内某高铁专网GSM组网工程基站站间距计算表进行示例说明，如表1所示。

图2 电平、质量和载干比在GSM高铁专网内的关系

图3 电平、质量和载干比在TD-S高铁专网内的关系

表1 高铁站间距计算表

通过以上无线链路发射功率、车体损耗、多径衰落和天线相对挂高等主要覆盖影响因素可认为专网天线与铁路轨道相对高度越高，可覆盖距离越远。但考虑到多普勒频移、移动台天线高度修正因子、天线到车厢入射角大于10°以及专网与公网频率干扰问题，应尽量避免站间距过大和天线相对轨面挂高过高的情况，以达到较好的有效覆盖电平和网络质量。同时，更应基于频率规划按铁路周边场景进行站间距的细分。

3.2.2 分场景专网站间距分析

同样以国内某条高铁专网站间距与有效覆盖电平（-75 dBm以上）占比对比表为例，如表2所示。

表2 有效覆盖电平占比

现该国内高铁整体车厢内有效覆盖电平尚有约10%的提升空间。沿该高铁线实地逐站点勘察，有效覆盖电平不足点来源于以下两方面：首先，高层建筑的阻挡（市区段尤为明显）；其次，站点至轨道距离过大，有效覆盖电平覆盖路段收缩（郊区段尤为明显）；结合表2和实际勘察情况，可提出如下建议：市区段应缩短平均站间距，并将天线相对挂高降低，同时规避高层等对信号有阻挡的物体，将有效提高市区段高铁车内有效覆盖电平强度，站间距建议为0.6 km左右。郊区段在保证站点与铁路垂直距离不超过100 m，站间距可增大至1.2 km左右。农村段物理环境简单，遮挡较少，同样保证站点与铁路垂直距离在100 m以内，站间距仍可进一步拉大至1.5 km这个站间距上限。

结合有效覆盖电平和站间距分析，在后期的铁路规划建设中建议：密集市区场景可适当拉近高铁专网站点距离，规避铁路沿线周边高层的阻挡。郊区和农村段场景可在保证专网站点与铁路距离不过远的前提下，拉大站点距离。由于一般铁路市区路段较短，郊区和农村路段较长，按场景线路比例来计算，整体将减少建站需求，降低专网投入和后期维护成本。

4 未来高铁覆盖展望

4.1 从高速铁路频率的使用到TD-LTE应用

现阶段，高铁专网GSM网络一般使用的是900 MHz频段，TD-SCDMA使用的是A频段。但是，GSM900 MHz频段在某些城市城区使用过密，容易出现专网和公网小区同邻频的干扰的问题，而1800 MHz频段相对较为“干净”。那未来可将1800 MHz频段引入作为高铁市区段专网的频点来使用。在考虑1800 MHz频率相比900 MHz频偏约1倍的问题（通过多普勒频移计算），建议将站间距拉近提升入射角度来弥补1800 MHz频移较大的影响。

同时，近来TD-LTE的逐步商用烽火必将影响至高速铁路。而LTE使用的F频段在多普勒频移上较其它LTE可用频段略有优势。预计为今后多用于高铁专网铁路频段首选。

5.2 高速铁路车载基站的展望

在本论文开篇时，我们提及了车体屏蔽和多普勒频移的问题。同时，通篇也是讨论如何通过专网站点距离提升有效覆盖电平。纵观现有高铁网络覆盖模式，都是由车外基站覆盖车内。如果考虑将分布系统的概念引入到高铁覆盖上，也就是在高铁车内安装车载基站。此举既保证了车内覆盖电平强度，又因为基站同高铁车厢同车移动，避免了移动台与基站间多普勒频移的影响。再者，因为不同列车内可以使用相同频点，提高了频点复用，也减少了对公网的干扰。现有比较成熟的高铁车内覆盖方案主要有Femto和High-Speed Railway Communication（HRC）两种。

同时，LTE技术的应用将大大解决两大车内覆盖的车地回传数据传输问题。铁路乃至高速铁路的宽带覆盖梦想将指日可待。

[1] 刘鹏飞，岳磊，杨玉东. GSM网络优化理论与实践[M]，北京：人民邮电出版社，2013.P246-250.

[2] 谢益溪. 移动通信无线网络设计[M]，北京：人民邮电出版社2013.P100-103.

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[4] 沙学军，吴宣利，何晨光. 移动通信原理、技术与系统[M]，北京：电子工业出版社，2013.P48-49

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[6] 韩斌杰，杜新颜，张建斌. GSM原理及其网络优化[M]，北京：机械工业出版社，2009.P23-29.

Analysis of effective coverage level and station spacing of high-speed railway

ZHAO Yue, JIANG Hai-yun, YANG Tong
(China Mobile Group Tianjin Co., Ltd., Tianjin 300090, China)

First of all, this paper introduces the two coverage problems of high-speed railway, and summarizes the four coverage mode of domestic existing high-speed railway mainstream. Especially, for proprietary high-speed railway network structure is briefly introduced in this paper. At the same time, the paper analysis the effective coverage level range value through the carrier-to-interference ratio, voice quality, based on a high-speed railway network GSM and TD-SCDMA mass data. Secondly, the high-speed railway network is divided into scenarios station spacing. Effective coverage level and the cost of three factors were comprehensive evaluation and put forward the corresponding site design suggestions. Finally, combined with the two cover diffculties of high-speed railway has carried on the forecast to the future high-speed railway cover pattern.

high-speed railway; doppler shift; proprietary high-speed railway network; effective coverage level; station spacing

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0060-05

CSR公司成为Mopria移动打印联盟常务理事成员

2013-11-26

CSR公司日前宣布加入Mopria移动打印联盟并成为常务理事成员。作为联盟成员，CSR将积极参与移动打印标准的评选及开发，以应对逐渐兴起的移动时代。CSR将与其他联盟成员以及佳能、惠普、三星和施乐等创始成员一起致力于为消费者打造无缝的移动打印体验。

CSR文档成像部门产品营销高级总监Neil Epstein表示:“作为全球移动打印技术领先提供商，CSR将极大地促进Mopria移动打印联盟目标的实现。据IDC预测显示，2015年50%的智能手机及58%的平板电脑用户将使用移动打印功能。打印机厂商将面临双重挑战，他们不仅需要实现从传统的PC打印到移动设备便捷打印的转型，而且还需进一步开发出全新用例，例如通过连接可穿戴设备进行打印。”