高铁通信覆盖技术

高速铁路的一般覆盖策略

针对TD-SCDMA的高速铁路覆盖，本文提出多普勒频偏补偿、穿透损耗克服、切换和重选优化设置等三种策略。

2.1 多普勒频偏补偿策略

TD-SCDMA频段范围内典型的多普勒频偏如图1、表1所示：

图1 典型的多普勒频偏

表1 典型的多普勒频偏

3GPP标准协议中定义TD-SCDMA的最高移动速度为120公里/小时，明显低于高速铁路的需求，无论是终端还是基站都需要做频率补偿。

（1）终端

TD-SCDMA终端通过AFC（Automatic Frequency Control，自动频率控制）技术进行载波频率跟踪，而基站侧采用固定频点的载波频率进行信号接收，使得高速铁路沿线的基站最大多普勒频偏可达1400Hz，对比表1可知，时速已经超过500公里，满足要求。但为了保证数据的解调性能，需要对检测数据进行FOE（Frequency Offset Estimation，频偏估计）和FOC（Frequency Offset Calibration，频偏校准）。

（2）基站

在高速移动业务情况下，TD-SCDMA基站一次性做频偏估计、校准的难度极大，需要采用两次频偏补偿。首先根据信道估计得到的信道响应来估计频偏，然后利用该值对联合检测数据进行初步校正，根据初步校正值利用数据符号频偏估计方法计算二次频偏值，并进行频偏补偿。根据分析，第一次频偏估计精度稍差，约在2000Hz以上，而第二次频偏则在800Hz左右。在高速环境下，经过两次频偏估计，所估计的频偏范围能控制在200Hz以内。

2.2 穿透损耗克服策略

在TD-SCDMA的2GHz频段，对于不同的高速列车，其穿透损耗是不一样的，见表2：

表2 不同列车的穿透损耗（dB）

列车典型穿透损耗在14dB～24dB。基站选址时，尽量使站址与轨道线有一定的距离（大于50米），并使天线主瓣方向与轨道线尽量有一定夹角（掠射角），以减少穿透损耗。

图2 掠射角对穿透损耗的影响

随着掠射角的减小，列车车厢穿透损耗增加的幅度增大，当掠射角在10度以内时，幅度明显加快。因此，在进行TD-SCDMA网络规划时，尽量把掠射角控制在10度以上。

综合考虑基站距离轨道线位置与掠射角的关系，给出“之”分布和“）”形分布：（1）“之”分布：即在铁轨两侧交替布站。考虑到目前高速铁路的复线铁轨方式，采用“之”字分布可以更好地兼顾“来往”列车的覆盖要求。

（2）如果需要绕过重要的设施、山谷等，建议采取“）”弯轨形式，考虑将基站建设在“）”形弯道内侧，保证对弯形轨道的良好覆盖。

李同坡、许平等人还提出了在高速列车上布放直放站等方式来减少穿透损耗，也是比较好的解决办法[1,2]。

2.3 切换和重选设置策略

正常情况下，TD-SCDMA终端的切换时间在0.3～2秒。当终端移动速度足够快以致于切换区的时间小于系统处理切换的最小时限时，切换流程将无法完成，导致掉话。

考虑到小区的双向切换，覆盖重叠距离应为切换距离的2倍以上，即重叠覆盖距离=2*列车时速*切换时间。重叠区的覆盖距离可参考表3：

表3 切换时间和距离

对于小区设置引发的切换，采取以下策略：

（1）功分扇区：采用功分器，把小区的功率平均分成两部分，然后用两幅高增益天线辐射出去，从而解决同一基站内部不同小区之间的切换问题。

（2）清理主服务小区和邻区：简化网络结构，甚至设置高速铁路专网，形成长距离的主覆盖信号，将覆盖距离短、衰落快的信号清理出高速铁路覆盖，避免频繁重选和切换。

（3）设定同小区：采用BBU+RRU串联的方式，多个RRU设为同一个小区，具有相同的频点、扰码，有效扩大单个小区的覆盖范围（最大可至40公里）。

3 高速铁路的隧道覆盖策略

隧道覆盖属于线型室内分布覆盖的范畴，有泄漏电缆和天线覆盖两种。比较而言，对于公路隧道，由于维护方便，建议采取天线方式覆盖，成本可以控制得更低；而对于铁路隧道，由于难于维护，且要求覆盖质量均匀，建议采用泄漏电缆方式覆盖，也可以使用更少的有源设备，但成本较高。

3.1 链路预算模型

泄漏电缆的覆盖距离（m）模型为：

Ld=(Pin-(P+L1+L2+L3+L4+L5)/S （1）

其中：Pin为泄漏电缆输入端注入功率（dB），P为要求覆盖边缘场强（dBm），L1为泄漏电缆耦合损耗（95%概率）（dB），L2为人体损耗（5dB），L3=20*lg(d/2)为宽度因子（dB），d为终端距泄漏电缆距离（m），L4为衰减余量（3dB），L5为车体损耗（见表2，取值22dB），S为每米泄漏电缆损耗（dB）。

以常用的RFS-13/8规格泄漏电缆为例说明隧道覆盖的上下行链路。下行PCCPCH注入功率26dB，隧道顶距用户终端约2.5米，计算如下：

表4 隧道下行覆盖距离

采用1w单PATH的主机，按-90dBm的边缘场强，单边下行能覆盖329米。

表5 隧道上行覆盖距离

从以上链路预算结果可知，上行覆盖距离较下行覆盖远，在下行满足覆盖的前提下，上行满足覆盖要求，保证上、下行链路平衡。

3.2 高速铁路短隧道覆盖

短隧道指在不需要重新注入泄漏电缆功率的前提下能够解决覆盖的隧道，对TD-SCDMA而言，一般长度在500米以下。此时，为减少切换次数，隧道内外应设为同一小区，建议在隧道外布放洞顶天线。信源基站不但可提供隧道覆盖，还可兼顾隧道外覆盖。

图3 短隧道覆盖

另外，为保证隧道洞口电平突变时间的增加，建议靠近基站侧的泄漏电缆拉出隧道口约10米。

3.3 高速铁路长隧道覆盖

高速铁路的长隧道覆盖需要在隧道内增设级联RRU，以解决泄漏电缆注入功率不足的问题。增设的级联RRU应该与隧道外的信源基站共小区，以减少切换带。

图4 长隧道覆盖

同样，由于隧道口处会出现电平突变，在隧道出口处增加洞顶天线，让隧道内信号延伸至隧道外，使切换带由隧道口移至隧道内，保证切换成功。

3.4 隧道覆盖信源选取

对于独立的短隧道，隧道内覆盖与隧道外协同考虑，采用与隧道外同小区的RRU为信源。对于长距离隧道，采用专用信源（仅用来覆盖隧道），利用BBU+RRU进行覆盖。而对于连续的隧道群，同样采用专用信源，利用BBU+RRU，将隧道与隧道之间的区域纳入隧道覆盖中，避免切换。