针对高铁场景的覆盖方案论文
摘要：针对高铁覆盖出现的主要问题进行分析，提出高铁覆盖的技术方案，结合技术方案提出GSM组网的方案建议
关键词：高铁
前言
大规模的高铁建设，给人们工作生活带来方便的同时也对移动通信提出更高的要求。高铁正逐步成为商务及旅游出行人士必选的交通工具，由于高铁行驶速率达到300km/h，传统的GSM组网方式已不能满足移动语音及数据业务需求，这就给GSM网络覆盖提出新的问题。
一、GSM高铁覆盖存在的主要问题
1、GSM与GSM-R频点三阶互调干扰
GSM-R930-935MHz为铁路专用频段，GSM任何系统都是非线性系统，两个信号F1和F2经过该系统后都会有新的频率分量产生，所以为了减少互调对GSM-R的影响，就需要把互调产物尽量避免落入GSM-R带内，但考虑到互调阶数越高互调产物的电平就越小，且随着网络越来越复杂，要避免所有互调产物几乎不可能，所以实际操作中一定要避免三阶互调落入GSM-R带内。由于GSM-R在GSM低频段，频点在-25~0之间(含)，则说明三阶互调落在了GSM-R频点内，这就需要在高铁小区频点规划时尽量规避三阶互调。由于GSM频点有限，以及三阶互调限制，原有的GSM频点规划方案已不能应用于高铁频点规划。
2、高速移动下的多普勒频移
多普勒频移是指接收到的信号波长因为信号源和接收机相对运动而产生附加频移。频移大小和运动速度成正比，运动速度越快频偏越大。
当频偏移动过大时，会导致解调符号产生较大的相位偏差，从而导致数据的误码率升高，基站与移动台之间的频率同步出现问题。多普勒频移的存在，导致基站和手机相干解调性能下降，300km/h运动速度下900M频段终端等效衰落1dB，2000M频段等效衰落4dB。因为对于移动台是一倍的多普勒频移，而对于基站是二倍的频移。故多普勒频移对移动台的影响小于对基站的影响。
移动台在靠近和远离基站时，合成频率会在中心频率上下偏移。当移动台驶向基站方向时，频率增加，波长变短，频偏减小；当移动台远离基站方向时，频率降低，波长变长，频偏偏大。列车在高速移动下，移动台与基站的距离频繁改变，这使得频移现象非常严重。
无线链路若要有效抵抗多普勒频移，‘无线链路数据速率’要远超过由多普勒引起的‘信道衰落速率’，使无线信道呈现慢衰落特性。根据理论分析和仿真测试，GSM能支持的理论最大时速为600公里。1800M比900M的频率偏移打，对基站解调能力影响更大，铁路覆盖建议采用900M频段，同时基站设备在对抗多普勒频移方面需要进一步改善。
3、快、慢衰落对覆盖影响
移动通信中信号随接收机与发射机之间的距离快速、不断变化，曲线的瞬时值呈快速变化，称快衰落。根据理论推导，无线信号快衰落最大衰落次数：Ln=2v/λ（次/秒）（v为移动速度，λ为信号波长），严重衰落时深度达20~40dB，这将严重影响信号传播质量。移动速度越快、信号频率越高，无线信号快衰落的次数越多，经历衰落谷底的时间越长，信号质量越差。快衰落对高铁的.影响最严重。
无线通信通常采取快速功控、RAKE、扩频和加大衰落储备等技术对矿快衰落，但由于GSM功控频率远低于快衰落的频率，且快衰落速度和列车行驶速度成正比，故GSM高铁覆盖小区必须关闭功控。
慢衰落是由于障碍物阻挡成阴影效应，接收信号强度下降，但场强中值随地理改变变化缓慢。信号强队随时间的变化服从对数正太分布。在高铁网络规划建设中应避开障碍物遮挡，保证可视传播。在链路预算过程中，应考虑一定的阴影衰落余量，其取值与扇区边缘通信概率、阴影衰落标准差相关。
4、高速移动对小区切换及重选的影响
高速移动场景下，移动台最佳的服务小区变化较快，小区选择与重选、切换发生的频率明显加快。若按以前的参数进行设置，则有可能发生重选、切换不及时现象，导致移动台发生脱网或切换掉话等现象。一般小区重选5s以上的时间，而切换一般3-5s内可以完成，所以满足重选需求的覆盖区域交叠区可满足切换需求。重叠覆盖区至少需要满足列车10s的运行距离，速度越快，所需满足重叠覆盖距离也越长。
高铁在高速运行中，频繁的小区重选及切换会造成电平质量的波动，导致数据业务下载速率降低等问题，影响用户感知。所以，为有效的减少重选、切换频次，需增大单小区的覆盖距离，即采用共小区技术。
5、车体穿透损耗大
高铁列车采用特殊的材质，高铁车厢对信号的屏蔽较高，车体穿透衰耗最大可达24dB，严重影响基站的覆盖能力。为克服车体穿透损耗，可使基站的发射功率增强，同时提高基站的接收灵敏度。
考虑到现实的可行性，目前使用BBU+RRU分布式基站加高增益天线方案。高增益天线增益约为6dBd，高于普通天线增益。由于高增益天线相对来说是使辐射方向上更加狭窄，在某些方向上的辐射较为集中，故能量集中到某些方向上去了，故体现为某些方向上的增益。这样就能减少车体损耗对信号衰耗的影响。同时，也可以采用G网对于弱覆盖地区所采用的优化方法，在车体内增加无线直放站或分布系统，放大车外信号以克服车体穿透损耗。但无线直放站有其不稳定因素，其易对所引信号源的造成干扰，并且其受高铁礼车流动性、归属性的影响大，工程协调和实施有难度。目前未使用此方式。
二、GSM组网高铁覆盖的方案建议
普通铁路列车车速较慢，现有大网可兼顾铁路列车用户和周边用户，可充分利用现网资源进行铁路“大网覆盖”。大网覆盖不会单独考虑高速场景下的覆盖，其LAC和BSC相对较多，网络结构不能满足高速需求，同时大网参数设置难以同时兼顾高速与铁路周边低速区域的优化需求，大网邻区关系复杂，难以有效控制快速通过的铁路用户切换、重选频次。因此，高铁必须使用专网覆盖才可能有较好的覆盖效果。
1、专网覆盖带来的好处
（1）专网覆盖采用共小区技术可以避免大网中多LAC切换。
（2）通过对参数的优化，保证专网和大网的分离，避免多用户之间的干扰。
（3）专网覆盖可有效控制邻区关系，避免与公网有切换关系，同时可针对专网做重选和切换参数的专项优化。
2、专网覆盖方案
2.1站址选择原则
高铁站点在实际建网中，一般都在现网或者2G站点中选择，不存在绝对模型化的方式。但在高铁站址选择上有几点原则应该注意：
（1）建议采用“之”字型布站，可减少3-5dB的覆盖重叠区的设计。“之”字型布站可以双侧覆盖车厢，减少实际穿透损耗。
（2）基站天线挂高若高出高铁路面20M，站间距1.2KM；基站天线挂高若高出高铁路面10M，站间距1KM；基站天线挂高若高出高铁路面5M，站间距0.8KM。
站址距铁路垂直距离要求在100M±50M范围内
2.2频率规划原则
（1）EGSM清频，减少对GSMR干扰
调整频点配置，高铁专网与EGSM频段预留一定的保护带，高铁频点到25号频点以上；控制单通道内的频点带宽，单通道的所有频点需要约束到5MHz以内，三阶互调产物避开930-934MHz频段。
加装外置滤波器，930-934MHz抑制达到30dB。
（2）统一专网频率配置，降低网内干扰
PGSM与铁路GSMR频段间隔仅1M，铁路“公网对GSMR干扰须小于-95dBm”要求苛刻，高铁禁用25号以下频段，避免三阶互调对GSMR干扰，致使高铁频点使用数大大减少。为确保专网质量，满足高速运动状态下用户通话要求，需重点做好频率规划。专网频点尽量划取一段连续的频点，便于后续管理。
专网BCCH与专网TCH频点分段，专网BCCH与大网BCCH频点不能混用，避免重选出专网。建议专网TCH分成规律的几组，交替使用，确保频点隔离度。
（3）合理制定参数策略，适应高速移动环境
针对高铁超高速、专网小区链式切换特点，在控制重叠区覆盖优化的同时，适当减少切换窗口降低切换门限，可有效降低因切换过慢而造成的掉话概率
总结
根据本文分析可知，针对GSM高铁网络组网，首先我们需要解决好多普勒频偏问题，然后通过共小区技术减少切换及重选频次，通过站址选择、尽量减少车体穿透损耗。根据频率规划原则减少大网与专网干扰，以及与GSM-R频段的干扰。同时本文也针对大网与专网组网进行了利弊分析，对高速环境下的网络覆盖提出了解决方案。