高速铁路覆盖专网规划和优化探讨_应伟光

距 离 （ ｍ）
０
发射点 １（ｄＢｍ）
－ ７６
发射点 ２（ｄＢｍ）
－ ８３
距 离 （ ｍ） 沿 铁 路 接 收 场 强 （ ｄＢｍ） ＣＲＨ２ 列 车 内 测 试 场 强（ｄＢｍ） ＣＲＨ１ 列 车 内 测 试 场 强（ｄＢｍ）
表 ５ 测试覆盖电平
２００
４００
６００
８００
－ ６５
－ ７２
－ ７８
－ ８３
大路径损耗为： Ｌｐａｔｈｍａｘ ＝Ｐ－ ＲＸｌｅｖ＝５５－ （－ ５６）＝ １１１ ｄＢ。 当 天 线 挂 高 ３０ ｍ 时 ， １４６．８３３ － １３．８２ｌｇｈｂ ＋
（ ４４．９－ ６．５５ｌｇｈｂ） ｌｇｄ－ ｓ（ａ）＝ １１１ｄＢ， 可知 ｄ＝１．３４９ ｋｍ。 表 ４ 给出了不同天线高度下的覆盖距离。
俯 仰 角 （ °） ３ ３ ３ ３ ３
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电信科学 ２００８ 年第 ６ 期
２．６ 天线选择 由于铁路属于狭长地形场景覆盖， 并且专网小区基站
根据实际地理条件与铁路沿线可能有一定距离， 因此根据 实际情况需要选择不同的天线。
为避免越区覆盖， 优先采用 ３０°窄波束高增益天线（ 如 ＯＤＰ－０３２／Ｒ２１－ＤＢ） ， 并且每个小区使用两副高增益天线对 铁路实施覆盖。为保证一定的覆盖距离（ 暂定为 １ ０００ ｍ） ， 在基站中心两侧总长度为 Ｌ（ Ｌ＜４００ ｍ） 的范围内 将 主 要 通 过天线的副瓣进行主力覆盖。
－ ６８
－ ６７
－ ７４
－ ８０
表 ６ ＣＲＨ１ 和 ＣＲＨ２ 的 测 试 场 强
０
１００
２００
３００
４００
－ ２２
－ ３６
－ ４２
－ ４５
－ ４８
－ ３８
－ ４７
－ ５２
－ ６０
－ ６３
－ ５２
－ ５５
－ ６８
－ ７０
－ ７７
１ ０００ － ８５ － ８２
１ １００ － ８９ － ８５
１ ２００ － ９２ － ９１
Biblioteka Baidu５００
６００
７００
８００
－ ５５
－ ６３
－ ６７
－ ７２
－ ６８
－ ７５
－ ８０
－ ８４
－ ８１
－ ８６
－ ９２
－ ９７
垂 直 铁 轨 距 离 （ ｍ） ５０ １００ １５０ ２００ ２５０
表 ７ 天线方向角与垂直铁轨距离的关系 水 平 角 （ 与 铁 轨 夹 角 ） （ °） ４ ８ １１ １４ １８
关键词 高速铁路； 专网规划； 专网优化
１ 概述
从 ２００７ 年 ４ 月 １８ 日开始， 中 国 铁 路 正 式 实 施 第 ６ 次 大 提 速 ， 提 速 后 列 车 的 最 高 速 度 已 达 到 了 ２５０ ｋｍ／ｈ， 而 环 渤 海 、长 三 角 、珠 三 角 等 各 大 城 市 间 的 城 际 铁 路 的 最 高 时 速 更 是 高 达 ３００ ｋｍ／ｈ。 随 着 我 国 火 车 电 气 工 程 的 不 断 建 设， 高速铁路的无线网络覆盖将会在不久的将来成为全国 范 围 内 一 个 普 遍 性 的 问 题 。如 何 在 高 速 移 动 情 况 下 提 供 良 好的网络服务质量成为运营商和设备商当前的一个重要 关 注 点 。通 过 高 速 铁 路 覆 盖 专 网 的 规 划 建 设 可 以 较 好 地 解 决高速移动对现有 ＧＳＭ 网络带来的冲击问题。
ＣＲＨ２ 内 的 场 强 在－ ７０ ｄＢｍ 以 上 ， 每 个 站 点 采 用 ２ 副 天线， 可以覆盖 １ ０００ ｍ 的距离。
以上两种场景， 可以考虑应用在不同类型的区域， 在郊区及乡村区域内， 用户较少， 频率复用距离较大， 建议采用郊区测试场景的方式进行覆盖， 单站覆盖距 离可以设计为 ２ ｋｍ； 在城区区段， 频率复用距离较小， 建议采用城区测试场景的方式进行覆盖， 便于频率规 划， 规避同邻频干扰， 单站覆盖距离在 １ ｋｍ 左右。 ２．４．３ 天线角度设计
９７２
７７８
３２°， 与铁路夹角： ４°， 俯角： ３°。
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运营与应用
频率 ９００ＭＨｚ
表 ４ 不同天线高度下的覆盖距离
天 线 高 度 （ ｍ）
覆 盖 距 离 （ ｋｍ）
１０
０．８９
２０
１．１５
３０
１．３５
４０
１．５３
５０
１．６８
图 ２ 郊区测试场景
乘坐 ＣＲＨ１ 列车进 行 测 试 ， 分 别 测 试 发 射 点 １ 及 发 射 点 ２ 的覆盖电平， 结果见表 ５。
△ｆ＝Ｆ×Ｖ×（ ｃｏｓθ） ／Ｃ
一般可取 手 机 天 线 有 效 高 度 为 １．５ ｍ， 则 在 ＧＳＭ９００ 系 统
其 中 ， Ｆ： 中 心 频 率 （ Ｈｚ） ； Ｖ： 列 车 运 行 速 度 （ ｍ／ｓ） ； Ｃ （ 光 速 ） ： ３×１０８（ ｍ／ｓ） ； θ： 列 车 行 动 方 向 与 电 磁 波 传 播 方 向的夹角。
５５６
４４４
夹 角 ： １０°， 俯 角 ： ５°； 发 射 点 ２ 距 离 铁 轨 距 离 为
２５０
６９４
５５６
１７０ ｍ， 天 线 挂 高 均 为 ３５ ｍ， 天 线 口 注 入 功 率 ：
３００
８３３
６６７
３４ ｄＢｍ， 天 线 增 益 ： ２１ ｄＢｉ， 天 线 水 平 波 瓣 角 ：
３５０
运营与应用
运营与应用
高速铁路覆盖专网规划和优化探讨
摘要
应伟光， 葛海平， 韩金阳 （ 华信邮电咨询设计研究院有限公司 杭州 ３１００１４）
随着铁路的大面积提速和城际高速铁路的快速建设， 对现有移动通信网络的规划建设和建成后 的 网 络 优 化 提 出 了 更 高 的 要 求 。本 文 分 别 从 理 论 上 和 实 际 工 程 中 对 高 速 铁 路 覆 盖 专 网 如 何 规 划 和优化进行了分析， 并给出了相应的解决方案。
本文从多普勒效应、高速移动对呼叫和切换 带 来 的 影 响等方面来讨论高速铁路专网如何规划以及建成后的专 网优化解决方案。
２ 高速铁路覆盖专网规划
２．１ 车体穿透损耗 ＣＲＨ（ Ｃｈｉｎａ ｒａｉｌｗａｙｓ ｈｉｇｈ ｓｐｅｅｄ） 列 车 采 用 密 闭 式 厢 体
设计， 增大了车体损耗。各种类型的 ＣＲＨ 列车具有不同的 穿透损耗， 对各类型车厢的穿透损耗的测试结果见表 １。
车型
Ｋ 型列车 ＣＲＨ１ 列车 ＣＲＨ２ 列车
表 １ 各类型车厢的穿透损耗
普通车厢 （ ｄＢ）
卧铺车厢 （ ｄＢ）
综合考虑的衰减值 （ ｄＢ）
１３
１４
１４
２４
－
２４
１２
－
１２
表 １ 为列车静态下的测试结果， 列车在运行途中， 衰 减会更大，需要加上校正因子， ＣＲＨ１ 列车的校正 因 子 一 般 取 ５ ｄＢｍ， Ｋ 型列车和 ＣＲＨ２ 列车的校正因子一般为 ３ ｄＢｍ。 目前在国内运行的 和 谐 号 列 车 ， 多 为 ＣＲＨ１ 及 ＣＲＨ２ 高 速 列车， 全为软座车厢。 ２．２ 相邻基站重叠覆盖区域
以典型的 ３０ ｍ 基站天线挂高为例， 天线方向角与 垂直铁轨距离的关系见表 ７。 ２．５ 信源基站载波配置 国 内 列 车 行 车 “闭 塞 区 间 ”一 般 为 １０ ｋｍ（ 闭 塞 区 间 指 单向两列列车的最小运行间隔） ， 目前国内 ＣＲＨ 线 路 大 部 分 为 双 线 ， 本 方 案 考 虑 ２０ ｋｍ 范 围 内 ， 最 多 有 ２ 列 旅 客 列 车 ， 按 每 辆 列 车 １ ０００ 人 计 算 ， ８５％持 有 手 机 ， 其 中 移 动 用 户约占持手机用户 ７０％， 即 ２ ０００×８５％×７０％＝１ １９０ 人 ； 每 线话务量按 ０．０２ Ｅｒｌ， 话务量为 １ １９０×０．０２＝２３．８Ｅｒｌ。 按 无 线 信 道 呼 损 率 ２％设 计 ， 小 区 至 少 需 要 ３２ 个 信 道， 考虑到可以开半速率信道， 因此每个铁路专网小区建 议采用 ４ 个载频小区， 可基本满足峰值容量要求。 如果实际运营中数据业务需求量大， 应适当增加载 波， 对于城镇地段铁路专网小区， 也应结合当地情况适当 增加载波。
列 车 运 行 速 度（ｋｍ／ｈ） ５ ｓ 的 重 叠 区 间 距 离 （ ｍ） ４ ｓ 的 重 叠 区 间 距 离 （ ｍ）
天线 挂 高 均 为 ３０ ｍ， 天 线 口 注 入 功 率 ： ３４ ｄＢｍ， 天 线 增 益 ： ２１ ｄＢｉ， 天 线 水 平 波 瓣 角 ： ３２°， 与 铁 路
２００
切换情况分析如图 １ 所示， 其中， ｃ 点为移动台启动越 区切换测量计算， ａ、ｂ 点为不同方向移动台完成切换时间， 切换在 ｃ－ ｂ 或 ｃ－ ａ 段完成。
如图 １ 所示， 当时速为 ２５０ ｋｍ， 切 换 时 间 为 ５ ｓ 时 ， 需
表 ３ 不同速度下的频率偏差
运行速度（ ｋｍ／ｈ） １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０
高速列车运动速度快， 所以对网络的切换重叠区域要 求高， 其切换重叠区域计算如下。
列车运行在两小区覆盖区域时， 从甲小区到乙小区， 甲小区的信号越来越弱， 乙小区的信号越来越强， 从 Ｃ 点 手机开始启动切换计时， 按典型的切换时长 ５ ｓ 计算， 重叠 覆 盖 区 域 场 强 高 于－ ９０ ｄＢｍ 的 列 车 运 行 时 间 需 大 于 １０ ｓ （ 双 向 都 需 保 证 切 换 时 的 电 平 足 够 ， 需 要 时 间 为 ２×５ ｓ＝
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电信科学 ２００８ 年第 ６ 期
１０ ｓ） ， 列 车 运 行 设 计 时 速 为 ２５０ ｋｍ／ｈ， 则 场 强 重 叠 区 长 度 应最为明显， 由此可得出 ＧＳＭ 系 统 在 不 同 的 运 行 速 度 下
为： Ｓ＝Ｖ×Ｔ＝（２５０ ０００／３ ６００） ×１０＝６９４ ｍ 。
产生的最大频率偏差（ 见表 ３） 。
中 ， Ｏｋｕｍｕｒａ／Ｈａｔａ 模 型 为 ： Ｌｂ ＝１４６．８３３ － １３．８２ｌｇｈｂ ＋（ ４４．９ － ６．５５ｌｇｈｂ） ｌｇｄ－ ｓ（ａ）。
假设基站为 ６０ Ｗ， 即输出功率为 ４８ ｄＢｍ， 以 ６ 载波预
当列车行动方向与电磁波传播方向一致时， 多普勒效 测每载波输出功 率 为 ４０ ｄＢｍ， 高 速 覆 盖 上 一 般 采 用 两 面
重叠覆盖距离见表 ２。
时， 不会影响网络的正常运行。
２．３ 多普勒效应的影响
２．４ 单站覆盖距离
列车高速 运 行 时 由 于 多 普 勒 效 应 ， 对 ＧＳＭ 射 频 信 号 ２．４．１ 理论推导
的中心频率产生频率偏差。多普勒公式如下：
Ｏｋｕｍｕｒａ／Ｈａｔａ 模 型 是 应 用 较 为 广 泛 的 覆 盖 预 测 模 型 ，
天 线 背 向 发 射 ， 设 功 分 器 、馈 线 、接 头 等 损 耗 为
６ ｄＢ， 天 线 增 益 为 ２１ ｄＢｉ， 水 平 波 瓣 角 为 ３２°， 天
线口有效辐射功率为 ５５ ｄＢｍ， ｓ（ａ）取 ２０ ｄＢ。
当车 内 信 号 强 度 需－ ８５ ｄＢｍ 时 ， 车 外 接 收 信
号强度 ＲＸｌｅｖ＝－ ８５ ｄＢｍ＋ ＴＰＬ＋校正因子＝（ － ８５＋２４＋ ５） ｄＢｍ＝－ ５６ ｄＢｍ； 假设为自由空间传输则允许最
频 率 偏 差 （ Ｈｚ）
８３ １２５ １６７ ２０８ ２５０ ２９２
要两个小区信号重叠覆盖区域为 ６９４ ｍ， 场强大于－ ９０ ｄＢｍ，
ＧＳＭ 制式标准允许的中心频率偏差为＋３００ Ｈｚ， 最 大
即可保证小区间的顺利切换。不同速度、不同切换时间的 允 许 运 行 时 速 可 达 到 ３６０ ｋｍ／ｈ， 因 此 在 时 速 为 ３００ ｋｍ／ｈ
测试结果： 覆盖天线挂高 ３０ ｍ 左右， 每副天线可以覆 盖 １ ０００ ｍ 左右 的 路 段 ， 保 证 ＣＲＨ１ 内 的 场 强 在－ ８５ ｄＢｍ 以上， 每个站点采用 ２ 副天线， 可以覆盖 ２ ０００ｍ 的距离。
（２）城 区 测 试 场 景 测 试 条 件 ： 天 线 挂 高 ８ ｍ， 天 线 距 离 铁 轨 距 离 ５ ｍ， 天 线 口 注 入 功 率 ： ３６ ｄＢｍ， 天 线 增 益 ： １８ ｄＢｉ， 天 线 水 平 波 瓣 角 ： ３０°， 与 铁 路 夹 角 ： ０°， 俯 角 ： ０°， ＣＲＨ１ 和 ＣＲＨ２ 的 测 试 场强见表 ６。 测试结果： 在天线挂高 ８ ｍ 时， 每个天线可以覆盖 ５００ ｍ 的 路 段 ， 保 证 ＣＲＨ１ 内 的 场 强 在 － ８５ ｄＢｍ 以 上 ，
２．４．２ 经验测试结果
测试方法： 首先在已完成覆盖的区段， 沿铁
路 线 用 路 测 软 件 打 点 测 试 ， 每 １００ ｍ 做 一 次 记
录， 每个点记录 ２０ 个数据， 取统计平均值。
图 １ 切换分析
（ １） 郊区测试场景 郊区测试场景如图 ２ 所示。
表 ２ 不同速度切换时间的重叠覆盖距离
测试条件： 发射点 １ 距离铁轨距离为 ５０ ｍ，