广西高铁CDMA网络优化策略简析

李筱林袁俊杰

（1．柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545007；2．广西电信柳州分公司，广西柳州 545005）

广西高铁CDMA网络优化策略简析

李筱林1袁俊杰2

（1．柳州铁道职业技术学院，广西柳州 545007；2．广西电信柳州分公司，广西柳州 545005）

以广西高铁为研究对象，通过对影响高速铁路CDMA网络性能的原因进行分析，探讨面向高速铁路列车服务的CDMA网络规划的难点，针对不同的网络场景，提出可以应用于高速铁路的CDMA网络优化策略。

高速铁路；CDMA；网络规划；优化策略

随着我国高速铁路通车里程不断增加，城市之间的距离被缩短了，越来越多的商务人士优先选择高速铁路出行，高速铁路上的手机用户对手机信号的网络覆盖和网络质量提出更高的要求。2013年12月28日，随着广西高铁的开通，结束了广西没有高铁的历史，广西高速铁路全长1000 km以上，最高时速可达300 km以上，平均时速250 km。由于高速列车完全封闭，行驶速度比传统铁路快，因此传统CDMA网络在为高速行驶的列车上旅客提供通信服务时，需要克服不少难题，才能提供高质量的CDMA网络服务。

1 广西高铁CDMA网络面临的问题分析

针对广西境内高铁的电信CDMA网络质量，中国电信广西分公司对广西境内的全部高铁进行评估测试，通过对语音业务进行测试，评估电信网络的语音业务覆盖率、语音业务呼叫保持性以及语音质量，以指导后期网络规划、网络建设与网络优化电信CDMA DT语音业务测试指标如表2所示。

表1 电信CDMA语音业务测试统计表

分析以上测试结果可以看出，整体覆盖效果较差。由于高速铁路的特殊性，CDMA移动通信网络需面临以下几个技术问题。

1.1 高速列车车厢里的CDMA网络信号变差

由于高速列车的密闭性普遍比较高，信号穿过车体的损耗比普通列车要大，造成车厢里的CDMA网络信号较差，特别是一些密闭性较高的车型，更是无法满足手机信号的覆盖要求。使用较多的3种车型的测试比较如表3所示。通过分析3种车型的测试结果，高铁车型对接通率、覆盖率、掉话率的影响是显而易见的，其中CRHI（庞巴迪）穿透损耗最大。

1.2 多普勒频移造成通信质量降低

由于通信基站是固定安装在高速铁路沿线的，手机用户在高铁车厢内是相对运动的。由于存在接收机（手机客户端）与基站发射源之间的相对运动，使得接收机接收到的信息频率与发射源发射的信息频率会存在差异，这种差异就是多普勒频移现象。随着相对运动速度的提高，多普勒频移现象会更加明显。广西高铁设计速度为200～350 km/h，在这样的高速下，信号传输的多普勒频移现象更为严重，会引起基站和终端解调性能降低、误帧率上升或数据速率下降，从而造成用户通信质量降低。

表2 电信CDMA DT语音业务测试指标

1.3 邻区切换成功率降低

若采用铁路沿线原有覆盖小区的信号来覆盖高速铁路，由于高铁列车运行速度快，会造成频繁切换小区。另外，在切换带比较窄的区域，相邻区域的导频有可能不能及时进入激活集，从而造成切换不成功。而且，无论是CDMA1x还是EVDO系统，都采用软切换技术，EVDO前向链路也使用虚拟软切换技术，要完成软切换或虚拟软切换都需要一定时间，而在这个时间内，接收机是在高速移动的，也容易造成切换不成功。用传统的CDMA网络覆盖高铁列车，必然会降低切换成功率。

1.4 复杂的地形地貌带来弱覆盖

广西属丘陵地貌区域，地形复杂，地势高低起伏，隧道多，给CDMA网络覆盖带来较大困难，有很多区域会出现覆盖较弱的现象，进而影响通信质量。

通过以上分析，用传统的CDMA网络覆盖高速铁路，存在车厢信号弱、通信质量低、切换成功率低、区域弱覆盖等问题，不能为高速铁路提供优质的通信网络服务，需要用特殊的策略解决这些问题。

2 解决策略

针对广西高铁CDMA网络优化的难点，CDMA网络覆盖存在的问题，在原有大网覆盖的基础上，对一些有问题的特殊区域采用针对性优化策略，完善CDMA网络覆盖；通过对广西高铁沿线站点的优化调整以及站点补充来完善沿线覆盖，而不离于CDMA大网之外孤立进行专网覆盖。通过对广西高铁沿线所经过的区域分析，主要途经南宁、柳州、桂林、北海、钦州、东安、全州南、永福南、防城港等人口密集城区，无线环境多为丘陵区域，也途径郊县与农村、铁路隧道与桥梁，地形复杂，根据不同场景采用对沿线新建站点的方式进行高铁路段覆盖。

2.1 采用多种手段，优化高速铁路车厢内覆盖

通过合理选择天线型号、科学设计天线挂高、综合布局基站站点、选取站址控制“掠射角”等多种手段，可以优化高速铁路上行驶的列车车厢内的CDMA网络覆盖。

2.1.1 合理选择天线型号

由于广西高铁沿线CDMA网站点并不密集，且周围村屯多，综合考虑高铁和村屯兼顾覆盖，对于多村屯区主要选取17 dB增益65°波瓣天线，对于无村屯覆盖要求，只覆盖高铁的基站可选择21 dB高增益天线。为了更好的兼顾大网与高铁路线覆盖，且不出现“塔下黑”的现象采用带有“零点填充”功能的天线。

2.1.2 科学设计天线挂高

根据每个站点的实际情况进行塔桅选择，保证天线相关挂高达到50 m，考虑广西高铁主要以高架桥的方式铺设，假设其铁轨高度基本为10 m左右，天线与移动终端相对高度为50 m，即铁塔高度设为60 m，对于郊区或地面铁轨部分可选择铁塔高度。

2.1.3 综合布局基站站点

根据天线型号、天线挂高以及链路预算，综合考虑切换要求的覆盖重叠区、各类损耗等情况，在郊区站点的站间距小于3 km，在农村站点的站间距小于4 km，在跨省边际区域站间距小于3 km。由于移动运营商的站间距为800 m，联通为1.5 km，站点相对比较密集，为了充分利用资源共建共享，郊县及农村的25个站点平均站间距为3.1 km，最远站间距3.7 km，最近站间距2 km。城区的6个站点站间距在500 km～1000 >km之间。

2.1.4 选取站址控制“掠射角”

“掠射角”就是基站天线主瓣方向和铁路铁轨之间形成的夹角。根据测试经验，“掠射角”越小，则列车穿透损耗就越大，如图1所示。

图1 掠射角和车厢穿透损耗相互关系

随“掠射角”的减小，车厢内的穿透损耗增大，以车厢内平均穿透损耗值为例，在0°与10°之间，损耗由24 dB快速增长。所以，控制“掠射角”在10°以上能使宏基站为高速铁路车厢内做良好的覆盖。基站设置在高铁沿线两旁，考虑掠射角10°以上，根据公式（1）计算。

其中，H：基站距离铁轨最小垂直距离，S：基站站间距。基站距离铁轨垂直距离以200 m～800 m为宜。

2.2 基站采用高通CSM6700、6800解调芯片，抵抗多普勒效应

由于高速运行的列车和固定的基站设备之间相对速度过高，会产生多普勒效应，从而影响到通话质量，根据公式（2）计算。其中，

fd：多普勒频移；

f：系统工作频率；

C：光速；v：车速。

通过公式（2）可以计算出，当高铁设计时速为350 km、f=850 MHz时，对应的多普勒偏移大约为275 Hz。该频偏是基站到手机的下行信号偏移量，由于手机会通过下行信号的频率来校正自身上行的频率，因此手机上行的频率将会产生双倍的频率偏移。而在CDMA基站中采用CSM6700、CSM6800解调芯片允许的多普勒偏移通常在1000Hz左右，可满足高铁列车移动速度的要求。

2.3 合理规划重叠覆盖区，提高切换成功率

高速运行的列车频繁的小区切换会导致终端信号差、掉话率升高。进行覆盖区域设计时，保证两个不同小区之间必须有足够距离的重叠覆盖区，可以提高软切换的成功率。列车速度越高，需要重叠覆盖区的范围越大。在网络规划中，可根据列车的实际行驶速率进行计算，设计覆盖区域。计算方法如图2所示。

图2 相邻小区切换带计算示意图

在图2中，点A、C和点B、D分别是两个小区的边界，E点为两小区信号强度等值点。BC段为两小区重叠覆盖距离。

根据统计，CDMA1x和EVDO软切换的时间在300 ms左右，可以满足EVDO前向链路虚拟软切换的要求。为确保切换成功率，预留足够的裕量，根据经验设置1 s，能充分满足EVDO前向链路虚拟软切换的要求，200 km/h移动速度需要56 m的重叠覆盖距离；350 km/h移动速度需要97 m的重叠覆盖距离。

2.4 采用“分布式基站组网+泄露电缆”方式实现隧道覆盖

广西是丘陵地貌，当高铁通过山区、丘陵时，通常会有大量的隧道，而且隧道的长度各异，最长可达10 km以上，短的不到100 m，针对这些长、中、短距离的隧道，可采取“BBU+RRU”的基站组网方式。对短距离隧道，RRU安装在隧道外两端，配合使用高增益板状天线；对中距离隧道，除在隧道外两端安装RRU，还可在隧道内安装RRU或者光纤直放站；对长距离隧道，则采用泄露电缆。

3 测试结果

经过以上的解决方案，在桂柳段进行测试，其结果如图3、4所示。前向物理层峰值速率达2.5 Mbit/s以上，前向IP层峰值速率达2.35 Mbit/s以上，优秀话音质量占73.38%，CDMA1X全网覆盖，无掉话现象。

图3 数据流量监测图

图4 话音质量统计图

广西高速铁路CDMA网络覆盖建设项目，是在原有大网覆盖的基础上，对一些有问题的特殊区域采用针对性的优化策略，完善CDMA网络覆盖，根据CDMA技术特点和广西的实际情况，采用BBU+RRU组网方式和其他辅助方式，语音数据两者并重，重点解决了弱覆盖、切换问题。

4 结论

针对广西高速铁路的CDMA网络特性，采取合理选择天线型号、科学设计天线挂高、综合布局基站站点、选取站址控制“掠射角”等多种手段优化高速铁路车厢内覆盖；在基站中用高通CSM6700、CSM6800解调芯片抵抗多普勒效应；合理规划重叠覆盖区，提高切换成功率；采用分布式基站组网+泄露电缆方式，实现隧道覆盖等策略，解决了电信CDMA在广西高铁沿线的覆盖质量问题，经测试网络接通率为94.39%，里程掉话比为14.74，EVDO网络DT测试分下行吞吐率大于300 kbit/s的比例为40.80%，达到了中国电信集团的考核要求，提高了用户的感受度。

[1]中国电信集团公司.2009年中国电信高速铁路CDMA网络建设指导意见[S].

[2]中国联通.800MHz CDMA数字蜂窝移动通信系统设备总技术规范：基站部分.[S/OL].[2010-03-22].http：//www.docin. com/p-48845916.html.

[3]陈颖羿，钟晓峰.高速铁路的WCDMA网络覆盖技术探讨[J].甘肃科学学报，2012（2）：95-97.

Taking Guangxi high-speed railway as a research object, the paper discusses the challenges in CDMA network planning for high-speed trains through the analysis of causes to affect CDMA network performances, and puts forward the CDMA network optimization strategy applicable to high-speed railways according to different network scenarios.

high-speed railway; CDMA; network planning; optimization strategy

10.3969/j.issn.1673-4440.2015.02.010

2015-03-03）

广西高等学校特色专业及课程一体化建设项目（GXTSZY191）工作的开展。测试结果如表1所示。