高铁专网覆盖设计研究

郑舟，林亮，李阳德

（中国移动通信集团广西有限公司，南宁 530022）

高铁专网覆盖设计研究

郑舟，林亮，李阳德

（中国移动通信集团广西有限公司，南宁 530022）

自中国铁路第6次大提速以来，中国开始进入了高速铁路建设高峰期，当列车时速提升至200km以上后，传统覆盖方式根本不能满足覆盖要求，列车的大规模提速对现有GSM和TD-LTE网络提出了新的挑战。因此，为了提升客户感知，改善高铁信号质量至关重要。本文从多普勒频移、穿透损耗、信号衰落、小区切换等方面介绍了高铁环境下的覆盖特点及问题，并根据链路预算、共小区技术、信号重叠覆盖区域、站间距等方面进行分析，提出高铁GSM及TD-LTE专网覆盖的站址规划、站点勘察方案，最后通过南广高铁GSM及TD-LTE专网覆盖站点建设后的实际测试效果验证了整个方案的合理性和有效性。

高速铁路；传播模型；站间距

自2007年4月铁道部宣布铁路第6次提速后，在已有干线铁路旅客列车时速可达到200 km以上。随着中国各地高铁建设的快速发展，“八纵八横”高铁网络的规划提出和城际客运系统的陆续开通，高速铁路承担起越来越重要的客流运送任务。根据发改委《中长期铁路网规划》，中国高铁运营里程将在2020年达到30 000 km。而对于广西地区，到2020年，高铁运营里程将达到2 500 km左右。随着各地高铁的快速建设，高铁线路的无线信号覆盖也成为各运营商进行网络部署的一项重要工作，为了提升用户感知，加强高速列车上信号覆盖质量至关重要。

1 高速铁路网络覆盖特点分析

1.1 多普勒频移

当终端在移动时，基站和终端接收到的信号频率会发生偏移，即多普勒频移。多普勒频移计算公式:

f0为中心频率，v是列车移动速率，c为电磁波传播速率，θ为入射信号与终端移动方向的夹角。当列车运动方向与信号传播方向一致时，多普勒频移最明显。终端在高速移动时，在下行产生一倍的频率偏移，在上行则会产生约两倍的频偏，多普勒频移对基站侧影响较大。

在不同速度下各频段产生的上行多普勒频移如表1所示。

表1 不同速度下的多普勒频偏

为了减小多普勒频移的影响，应考虑选用具备频率补偿技术的设备，补偿多普勒效应，改善无线网络的稳定性。

1.2 车体穿透损耗

掠射角即为信号入射方向与列车运动方向的夹角。当掠射角减小时，信号穿透的车体厚度将迅速增加，列车穿透损耗也相应增大，同时多普勒频移也会增大。为了减小车体穿透损耗对信号覆盖的影响，应保证掠射角不宜过低。

在高铁提速后，铁道部引入了CRH车型。为了适应高速运行的要求，高速列车车体采用全封闭式结构，使得车体穿透损耗较普通列车大许多。各类型列车在GSM900、TD-LTE(1.9G)、TD-LTE(2.6G)下综合考虑车体损耗如表2所示。

表2 列车综合考虑损耗值

1.3 信号衰落影响分析

1.3.1 快衰落

在移动通信中，终端接收的信号由于多径效应的存在使得信号电平快速变化，称为快衰落。当信号传播方向与终端运动方向一致时，其平均衰落率为：

衰落率与终端运动方向及速度、信号的发射频率有关，终端移动速率越快，信号频率越高，无线信号平均衰落的次数越多，信号质量越差。为了抵抗快衰落，规划时需考虑一定的衰落余量来抵抗快衰落。由于GSM功控频率远低于信号快衰落频率，因此GSM高铁覆盖时需关闭功控。

1.3.2 慢衰落

由于高铁经过的位置区域复杂，信号传播容易被建筑物、山体等障碍物的阻挡产生电磁场的阴影，影响高铁信号覆盖质量。为减少慢衰落对高铁覆盖的影响，尽量避免天线覆盖铁轨方向被障碍物阻挡，保证可视传播。

1.4 高速场景切换重选分析

由于传统的铁路覆盖大多采用现网兼顾铁路的方式，在列车速度大于200 km/h时，重选和切换频繁，且重选和切换速度低于信号衰减速度，终端常常不能占用最好的信号，列车内覆盖效果进一步恶化。

假设现网基站每小区能覆盖铁路1.2 km，按列车运行时速为250 km计，若列车上的旅客平均每次通话时间为1 min，手机发生切换的频率为17 s/次，则每次通话将发生3～4次切换。如此频繁的重选和切换，必然会降低重选和切换的成功率，导致掉话或脱网的情况出现。

1.5 铁路覆盖资源利用率

高速铁路容量需求具有瞬时性，在列车经过时，小区容量配置必须能够满足峰值业务需求，尤其是当两辆列车交汇时，瞬间容量需求最大，但当列车经过该小区后，覆盖高速铁路的小区资源处于空闲状态，资源利用率较低，造成资源浪费。为了提升高速铁路覆盖资源利用率，可以通过使用一些特定的高铁覆盖技术提升单小区覆盖距离，以此来缓解列车瞬时性高资源需求与低资源利用率之间的矛盾。

2 高铁专网覆盖基站建设方案

2.1 单站覆盖距离

高铁专网覆盖，以 GSM车内接收信号为-80 dBm设计，TD-LTE车内接收信号为-113 dBm，天线采用窄波束高增益天线。GSM和TD-LTE链路预算如表3、表4所示。

表3 GSM覆盖预算

表4 TD-LTE覆盖预算

2.2 高铁站址设置

2.2.1 共小区技术及站间距

RRU多站点共小区技术基于分布式基站架构，BBU进行基带信号处理，通过RRU进行射频拉远，一个BBU下的多个物理地址的拉远小区在逻辑上合并为同一小区。当列车穿过该逻辑小区时不发生切换，只有分属不同逻辑小区的RRU之间才发生切换，通过这样的方式，可以大大提升小区的覆盖范围，减少切换，提升资源利用率。

由于在同一逻辑小区之间终端无需进行小区重选和切换，因此不需要设置重叠覆盖距离。共小区站间距L为：

其中R为单小区覆盖距离，θ为掠射角。以掠射角10°来计，共小区站点站间距如表5所示。

表5 共小区站间距

2.2.2 非共小区站间距及耦合技术

2.2.2.1 小区切换站间距

当终端穿过不同小区时，为了保证切换和重选的顺利完成，需要考虑一定的重叠覆盖距离。GSM切换一般按5 s来计；对于TD-LTE，考虑一次切换，重叠距离=2×(信号到满足切换电平迟滞(2 dB)距离+终端检测上报距离+时间迟滞距离+切换执行距离），其中信号到满足切换电平迟滞距离按40 m算，终端检测上报距离为200 ms，切换时间迟滞距离为128 ms，切换时间按100 ms计，则重叠覆盖距离如表6所示。

表6 重叠覆盖距离

相应的，小区间切换站间距计算如下：

D为重叠覆盖距离，不同速度下的站间距计算如表7所示。

表7 小区间站间距

2.2.2.2 耦合技术

对于高铁专网专网切换站点，还可以通过结合耦合技术进行切换，提升切换成功率。通过耦合器（一般是6 dB）的主线端口和耦合端口的电平差，保证左侧小区在左侧天线的电平值高于右侧小区，反之亦然。当列车从小区A的方向驶来时，先检测到小区B的信号（CellB1”），当终端在经过站点垂直位置处时，服务小区CellA的信号电平下降而小区B的电平上升，并在CellA3”区域中完成切换。

此时，相邻两个小区的各一个RRU装在同一物理站址（同址异小区），耦合器的输入端连接至RRU，主线端和耦合端口则分别连接该小区RRU本侧和对侧的天线。

GSM采用异频组网，TD-LTE在专网间采用同频组网，同频组网可能会导致SINR恶化，因此耦合技术仅适用于GSM高铁专网覆盖，不适宜高铁LTE网络。

2.2.3 站址位置选择要求

2.2.3.1 站址与铁轨垂直距离

高速铁路路线通常较为复杂，根据不同地势情况需要采用不同的铁塔，为了保证铁塔伏倒时不会影响到高速铁路，因此基站塔桅应与高速铁路保持一定距离。当站址距离铁轨越近，掠射角越小，车体穿透损耗、多普勒频移都越大；当站址距离铁轨越远时，覆盖范围变小，增加建站成本。以掠射角10°来算，站址距离铁轨垂直距离130 m，考虑到工程建设的冗余性及铁塔的倒伏距离要求，站址距离铁轨垂直距离不应低于60 m（塔桅低于45 m），不宜超过500 m。

2.2.3.2 天线挂高要求

对在城区时为了避免越区覆盖致使大量公网用户接入专网，导致专网拥塞，因此城区塔桅不宜过高。而在农村或郊区，为了避免高铁防护栏对信号的阻挡，减小损耗，天线可以适当采用高一点的为尽可能让信号从列车窗户进入。综合考虑，城区天线挂高以高出铁轨10～20 m为宜，农村天线可适当采用高一点的塔桅。

2.2.3.3 “之”字形布点

由于高铁轨道一般采用线状、双线方式铺设轨道，当列车单侧遭遇障碍物阻挡或两车交汇时，信号穿透损耗增加。为了更好兼顾覆盖需求，在建设条件允许的情况下，基站应尽量在铁轨两侧交叉建设，采用“之”字形布点。

2.3 高铁基站选址与勘察

2.3.1 高铁专网站点选址要求

（1）由于高铁专网站点距离铁路较近，信号应以视距传播为主，天线直接对着铁轨打。

（2）根据链路预算，对于共小区的站点，站间距控制在1.2～1.4 km；非共小区站点，GSM站间距为0.6～0.8 km，F频段LTE为1 km，市区若采用D频段则站间距为0.6 km；如果协同规划，则站间距以小的为准。

（3）不同系统不同厂家设备RRU共小区技术支持下带的RRU数量不同，GSM与TD-LTE系统建设时需做好切换带设置，并适当预留RRU以备后期弱覆盖测试补点。

（4）铁塔与铁轨水平距离在60～300 m之间，最好控制在120～150 m，天线采用30°～40°水平波瓣高增益天线(20 dB及以上 )；当塔桅与铁轨垂直距离大于300 m时，为保证覆盖效果，天线宜采用65°水平波瓣高增益天线(17 dB以上)。

（5）丘陵地形阻挡时考虑采用抱杆拉远一个小区解决山下信号。

（6）高铁市区站点天线相对列车高度应控制在10～20m左右，农村站点可适当采用高一点的塔桅。

（7）相邻站点以“之”字形布点原则，若规划位置附近高压线较多且无法避开或其它协调问题无法建站，则考虑将站址调整到铁轨另一面或调整小区切换位置。

（8）站址选择位置应便于建设、便于维护，节约投资，满足安全性要求。

2.3.2 高铁新建站勘察要求

由于高铁专网基站建设对站址位置要求较高，在站点勘察选址前应充分熟悉前期规划方案，了解本期工程采用的设备及天线特性、配置要求，组网频段及站间距要求等。在勘察时做好周边环境、覆盖目标、机房及天面拍照等相关资料的详细记录，根据高铁站址要求结合现场地理环境及站址协调情况确定建站位置，选定满足覆盖及建设要求的机房和塔桅方案。如果预规划站址不适宜建站，可先考虑在满足站址和覆盖要求的前提下调整位置或调整到铁轨对面选点，其次再考虑调整切换带的位置、新增信源站、新增补点等方案。

2.4 共建共享

为了避免重复的工程建设，造成不必要的资源浪费，加快工程建设进度，高铁基站建设应充分考虑共建共享。根据工信部发布《关于2015年推进电信基础设施共建共享的实施意见》提出：自2015年1月1日起，铁塔等基站基础配套设施建设将由铁塔公司完成。

为保证充分共建共享，加快建设进度，除了后期建设共享外，还可考虑将规划设计资源进行共享。作为建设的首要环节，规划设计资源的共享对后期的基站建设尤为重要。前期可联合铁塔公司及其他运营商规划人员及设计人员根据各运营商网络特性协同规划，初步商定可共享站点，联合勘察、资料共享、统一协调，提出相应的站址位置、天线挂高及电源配套要求，由铁塔公司根据设计建设要求完成站址协调及相应配套的建设。

2.5 实例分析

以南广高速铁路广西段为例，根据站址规划、站间距设置要求，南广高铁广西段GSM专网共规划选址红线外站点221个，其中物理站点211个，同址异小区站点10个。TD-LTE专网广西段共规划红线外站点264个，其中F频段站点242个，D频段站点22个。根据规划建设方案，南广高铁广西段GSM专网覆盖测试情况如下。

截至目前，除部分隧道故障外，南广高铁GSM专网规划站点基本完成建设。根据测试结果，整段覆盖率达到95%，0～5级RxQuality在95%以上，部分弱覆盖路段由于隧道站点故障导致，整段高铁线路GSM专网已基本满足覆盖要求，总体情况符合预期。

由于南广高铁TD-LTE专网红线内站点还未施工，受点施工进度影响，存在部分弱覆盖区域。根据测试结果，RSRP均值在-90 dBm左右，覆盖率（RSRP> -110&SINR≥-3）为86%左右，隧道外路段已基本满足覆盖要求，待红线内站点完成并开通后，可解决隧道覆盖，提升覆盖指标，达到初步设计目标。

3 总结

本文通过对南广高速铁路GSM和TD-LTE专网覆盖的分析研究，从站址规划、切换带设置、共小区技术、站点选择等方面进行分析，有效地解决高速场景下GSM及TD-LTE无线组网面临的穿透损耗大、多普勒频移和频繁切换等问题，较好地解决高速铁路无线网络覆盖。经过南广高铁广西段实际的测试验证，达到了前期高铁设计预估的效果。

[1] 应伟光, 葛海平, 韩金阳. 高速铁路覆盖专网规划和优化探讨[J]. 电信科学, 2008(6).

[2] 张筵, 薄建涛. 高铁特殊场景覆盖方案分析[J]. 邮电设计技术, 2013(7).

[3] 张筵. 高铁公网覆盖共建共享的探讨[J]. 电子世界, 2014(19): 74-75.

[4] 樊学宝, 何春霞. 高铁LTE网络覆盖研究[J]. 移动通信, 2016(1).

Research of the private network designed for high-speed railway

ZHENG Zhou, LIN Liang, LI Yang-de
(China Mobile Group Co., Ltd. Guangxi Co., Ltd., Nanning 530022, China)

With the vigorous development of China high-speed railway construction after the sixth china railway speed—up campaign, the coverage of the GSM and TD-LTE communication network is faced with new challenges when the speed of the train exceeds to 200km/h, the traditional mobile communication network could not fulf i ll all the requirements. Therefore, it is essential to improve network quality, and enhance the user perception. This paper introduces the characteristic of high-speed coverage environment and problem, such as doppler shift, penetration loss, signal fading, fast and frequent handover, etc. Analyzes the site assigment and investigation of the private networks that cover high-speed railways, including link budget, handoff overlapped region, multi-site cell, etc. The practical test results of Nanning–Guangzhou high-speed railway verify the feasibility and effectiveness of the proposed solution.

high-speed railway; radio propagation model; base-station distance

TN929.5

A

1008-5599（2017）04-0037-05

2017-03-01