高铁移动通信的特殊性讨论_苏华鸿

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—收稿日期：2010-05-14

0前言

鉴于中国高速铁路采用的是密封式车厢结构，车体屏蔽良好，使车窗穿透损耗加大，因此按常规的宏基站覆盖方式将会产生一系列的质量指标问题，如车内场强弱、切换/重选频繁、话务接通率低、通话质量差、只能低速率业务通信等。当前，高铁公用移动通信大都采用了专网和使用射频拉远技术增加基站覆盖半径，减小用户切换次数，提高网络质量指标。但在实际工程中发现，有诸多技术问题并没有引起人们的足够重视，或者采用的措施并不得当。下面就有关高铁移动通信的特殊性问题进行分析，以供同仁参考。

1高速移动时功率控制作用失效

按常规理解，WCDMA 功率控制频率为1500Hz ，是能克服列车时v 速360km 所带来的1300Hz 快速瑞利衰落的，即f ＝2v /2λ＝（2×360000/3600）/0.15≈

1300（Hz ）。依据参考文献［1］，当时速达到50km 以上

时，功控就不能有效地补偿信道的快速衰落，但为什么快速移动时快速功控会失效呢？这是由功控误差引起的。WCDMA 的功率控制算法一般是基于DPCCH 导频比特估计接收信号SIR 的。在理想条件下，功率控制能够完全补偿信道的衰落影响，使接收信号的SIR 恰好满足传输质量要求。但在实际网络中，功率控制总是会存在一定误差的，并成为评估功率控制算法的重要指标。

造成功率控制误差的原因有以下几个方面。

a ）实际的信道估计和外环功率控制的SIR 估计

总是存在着误差的。

b ）闭环功率控制从判决、发送功率控制指令到执行

存在着一定的时延。闭环功率控制的频率为1500Hz ，当移动台移动速率较快时，无线信道衰落的频率加快，信

苏华鸿（京信通信系统有限公司，广东广州510663）

SU Hua-hong （Comba Telecom systems （Guangzhou ）Ltd.，Guangzhou 510663，China ）

高铁移动通信的特殊性讨论

关键词：

高铁；移动通信；功控失效；莱斯分布；基带展宽；损耗加大

中图分类号：TN929.5

文献标识码：A

文章编号：1007-3043（2010）06-0001-04

摘要：简要介绍了高铁通信遇到的特殊环境技术问题，如快速功控失效、无线信号包络莱斯分布、多普勒效应使基带信号频谱展宽、车厢窗户穿透损耗和入射角损耗加大、智能天线作用受限、小区硬切换信令开销增大等，并提出了适于高铁通信的无线覆盖方案。

Abstract ：

It takes tests on videophone call receding in WCDMA network ，and analyzes the failure causes of call receding ，including terminal and net-work causes.Around the receding failure issues ，it gives suggestions on network optimization.

Keywords ：

High-speed railway ；Mobile communication ；Power control failure ；Rician distribution ；Baseband broaden ；Loss increase

Discussion on the Particularity of High-speed Railway Mobile Communication

道相干时间缩短。当功率控制时延大于相干时间时，功率控制就不能有效地补偿信道衰落，因此功率控制只对慢速移动的UE 较为有效。

c ）发射机功率调整的动态范围有限。

d ）步长一般为1dB 。发射功率每次只能以步长为

单位上调或下调，对信道衰落的补偿存在一定的误差。

e ）功率控制指令TPC 比特在DPCCH 信道上发送，TPC 不进行信道编码和纠错，在无线链路的传送过程中会发生一定的误码，造成功率控制误差。TPC 误码

率和衰落信道密切相关。在高速移动的情况下，内环功率控制的主要问题是TPC 比特的误码率，它将提高

UE 接收SIR 的标准差。这对于有低SIR 要求的承载业务尤其明显，也是AMR 语音业务具有比PS 业务更高的SIR 标准差的原因。

从定性分析角度看，功率控制误差对于系统性能的影响是显而易见的。在达到相同传输质量的条件下，功率控制误差增大了发射功率，过大的发射功率只会增加干扰，降低系统容量。从定量分析角度看，功率控制提高了E b /N o 均值，从而降低了系统容量。但准确地说，E b /N o 的波动不仅仅是功率控制误差造成的，还包括了外环功率控制的调整。总之，对WCDMA 来说功率控制频率为1500Hz ，而CDMA 为800Hz 、cdma

20001X 为600Hz 、TD-SCDMA 为200Hz 、GSM 为2Hz 。既然具有最高功率控制速率的WCDMA 在高速移

动时功效会失效，那么其他几种制式的功控同样也是不能起作用的。此时，交织提供的时间分集是克服衰落的主要手段，其次是加大衰落储备，而减少链路损耗也是不可或缺的措施。

2高铁通信穿透损耗和入射角损耗

中国高铁采用的是密封式厢体，为防止意外事故发生，玻璃窗还加入了一些特殊材料，从而使高铁有较大的穿透损耗。依据参考文献［2］，高铁穿透损耗为20

dB 左右，还测得厢体玻璃窗存在着一定的入射角损耗，其值随通信距离增大、入射角变小而处于0~15dB 之间。例如，远离发射天线600m 、入射角为2°左右时，上述2项损耗之和达20＋15＝35（dB ），这些损耗使得高

铁移动通信的覆盖半径大为减小。

3高铁通信多普勒效应使基带信号展宽

依据参考文献［1］和［3］，多普勒频移通常被称为多普勒扩展，它代表了信道的衰落速率。其对接收信号

的影响来说，可以看做是发射基带信号频率的多普勒扩展或频谱的展宽，而不是频偏。如图1（b ）所示的，发射信号的中心频率实际上并没有偏移，只是基带信号展宽了B D 。

假定高铁时速为360km ，即100m/s ，2GHz 频段的3G 产生的多普勒扩展B ＝（V /C ）f c cos δ＝（v /λ）cos δ，最大多普勒扩展B D ＝（100/0.15）cos0°＝667（Hz ）。通常多普勒扩展B D 被考虑在0.01~0.005B w 量级就认为是慢衰落信道了，其中B w ：GSM 900为270kHz ，cdma2000

1X 为1.228MHz ，TD -SCDMA 为1.28MHz ，WCDMA

为3.84MHz ，相对应允许的B D ：GSM 900为1.3kHz ，

cdma20001X 为6kHz ，TD-SCDMA 为6.5kHz ，WCD -MA 为19.2kHz 。总之，从对抗多普勒效应来讲，目前

这几种移动通信制式都不存在问题，但也同时提醒我们，将来LTE 所采用的OFDM 技术是将高速串行数据转为上千个并行数据的，在空中传输的是上千个频宽很窄的基带信号，高速移动时是否会存在严重的多普勒快速衰落信道的效应是值得深思的［4］。

4高铁车厢外传输信号包络莱斯分布

依据参考文献［2］实测的高铁覆盖场强，视距下传输损耗要比自由空间损耗大20~29dB ，证明接收信号除了直射信号占主导地位外，还存在大量经反射后较弱的散射信号。高铁移动通信传输路径示意见图2。