GSM 高铁两种不同场景下的覆盖规划方法

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1、GSM高铁覆盖规划目录1概述32铁路无线网路设计原则32.1站址规划原则32.2基站高度设计原则32.3基站与铁轨垂直距离设计原则32.4重叠覆盖区规划原则6小区重选对重叠覆盖区的要求6切换对重叠覆盖区的要求73高铁分场景覆盖规划73.1地面行车场景7覆盖策略7覆盖规划83.2隧道场景11覆盖策略11覆盖规划11链路预算144附录164.1高铁列车规格164.2天线选择建议201 概述高速铁路系统的覆盖和传统的室外和微蜂窝系统覆盖有着显著的差别，主要体现在独特的传播环境、多普勒频移、链路预算、容量规划、切换的考虑、移动性管理等多个方面，本文将针对上面提到的覆盖相关的因素进行讨论，给出高铁覆盖的

2、解决方案。2 铁路无线网路设计原则铁路系统大部分是链状结构，只有在铁路的交汇处才会形成网状结构，所以高速铁路特殊的移动环境和高铁特殊的业务需求都应在无线规划中考虑到。2.1 站址规划原则通过新增站址和基站在现网基础上建设一层高铁专网，针对高铁铁路运行特性采用相应的规划，通过网路结构的设置和参数的调整，使车内用户由专网覆盖，这样在满足通话需求的同时可以提供可靠的通话质量、系统指标，降低和其它基站之间的切换、重选、位置区/路由区更新。2.2 基站高度设计原则为了提高基站的覆盖效率，建议新建基站的天线高度高于轨道30m。2.3 基站与铁轨垂直距离设计原则传统的GSM网络所支持的移动速度一般为200K

3、mh，随着铁路运营速度的大幅提升，对GSM网络性能带来了较大影响，最直接的就是高速导致的频偏效应，即多普勒频移。多普勒频移简而言之就是接收机靠近信号发射源时，接收到的信号频率变高；远离信号发射源时，接收到的信号频率变低。设发射机发出的信号频率为（f发），接收机接收到的信号频率为（f收），发射机与接收机之间的相对运动速度为V。公式：f收（cv)/f发fd。其中c为电磁波在自由空间的传播速度：3108米秒。fd即为多普勒频移，fd的大小取决于信号波长及相对运动速度V。由fdv/得出：当接收机与发射机之间以每秒一个波长的速度作相对运动时，所产生的多普勒频移即为1Hz。接收基靠近基站，f收变大；接收机

4、远离基站，f收变小。图2-1 多普勒频移下图是在不同车速下900M/1800M的频偏测试结果：车速（km/h）频偏（Hz）200250300350400450500550600900M频段1672082502923333754174585001800M频段3334175005836677508339161000考虑入射因子（900M）118147177206235265295324354考虑入射因子（1800M）235295354412472530589648707表2-1 不同频段在同速度下频偏测试结果入射因子为假设入射信号与车体呈45度角，实际高铁运行中，移动台和发射机之间必然存在角度，因

5、此需要考虑入射角对频偏的影响。根据下图可以看出，因为，中的存在，运行在小区边缘的火车频偏最大，变化较慢；而在经过基站近段0点时频偏最小，但频偏变化最大。下面为一组典型参数：=1000m ，=900MHz，=600km/h。以及分别给出了在100m、80m、60m、40m、20m时的仿真曲线。图表 22 高铁模型的频偏曲线（900MHz，600km/h）为了减少多普勒频移对网络性能的影响，在没有AFC（自动频率校正）算法保证的前提下，应远离铁路建站，且尽量避免天线覆盖方向和铁路平行。在移动台和发射机存在直射径的场景，需要分析值和残留频偏的影响。仿真结果如下：图表 23 不同高铁速度下1阶环AFC

6、残留频偏图（900MHz，Fcut=2Hz)根据以上的理论推算结果得出，如果城区的目标时速为300km/h，在30米以上就可以保证频偏残留在0.1ppm的范围内。如果目标时速为450km/h，在70米以上就可以保证频偏残留在0.1ppm的范围内。在现实中，由于AFC的频偏残留会降低信道解调性能。但是，频偏的时变区都停留在基站的尽端，电平信号强度较好，完全可以对抗一定频偏的影响。时速（km/h）150300450600最短距离（m）104050100表格 22基站和铁路间的距离规划表2.4 重叠覆盖区规划原则因为列车在高速运行过程中，预留给用户做切换和重选的时间很短，所以为了保障用户在高速过程中

7、的切换和重选能顺利进行，必须要求两个小区之间有足够的重叠覆盖区域，信号检测时间、测量值平均时间、切换/重选执行时间、安全余量等都必须考虑在内，这也是我们在站址选择、覆盖规划前必须要考虑的原则之一。2.4.1 小区重选对重叠覆盖区的要求小区重选规则中，当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5秒钟，手机将发起小区重选。在跨位置区处，则邻小区C2必须高于服务小区C2与CRH设置值的和且维持5秒钟，手机发起小区重选和位置更新。所以，手机会在两个相邻小区重叠覆盖区的中间开始计时，最少要超过5秒钟后，开始小区重选。即小区的重叠覆盖区最少要满足10秒的火车运行时间。时速（km/h）200250300

8、350400450500550600对应的重叠覆盖区大小（m）55669483397211111250138915281667表2-3 满足重选要求覆盖重叠区列表2.4.2 切换对重叠覆盖区的要求首先是快速切换算法触发时间估算如下：（下面描述时间根据门限缺省设定值）测量报告滤波时间2秒，P/N准则触发切换时间2秒，切换倒回时间12秒，二次切换时间2秒（与一次切换时间相同）。一次切换时间为： 测量报告滤波时间P/N准则触发切换时间 224秒；二次切换时间为：测量报告滤波时间P/N准则触发切换时间切换倒回时间二次切换时间2222 = 8秒；以上为理论分析值，实际情况需要增加一些保护时间，因此完成2

9、次快速切换的时间为810秒。例如：考虑二次切换时间为8秒，那么在车速为350km/h时，切换的大小为：350000*8/3600=778米。 根据不同的车速计算出的切换要求的重叠覆盖区如下：时速（km/h）200 250 300 350 400 450 500 550 600 8S 对应的重叠覆盖区大小（m）444 556 667 778 889 1000 1111 1222 1333 10S 对应的重叠覆盖区大小（m）556 694 833 972 1111 1250 1389 1528 1667 综上所述，考虑MS切换和重选对切换带的要求，在覆盖规划中以10s为标准进行重叠覆盖区规划。如果

10、我们短期以450km/h为高速覆盖目标，那么两个小区间的切换带要达到1250米。一般切换判决会从重叠区开始，两个平行铁路覆盖的基站间间距要减少1250米。3 高铁分场景覆盖规划3.1 地面行车场景3.1.1 覆盖策略地面行车场景又包括普通行车路段和车站，在这种场景下，由于高铁列车车体损耗较大，传统覆盖在铁路上的覆盖电平不足，严重影响用户的通话质量和数据业务由于未来高铁速度较高，一般不建议兼顾公网用户，而是建设高铁专网进行专项覆盖，基于以上的分析，建议采用RRU共小区配合低矮建站+功分天线进行建设。3.1.2 覆盖规划覆盖规划同时考虑链路预算、容量规划、产品级联能力、频率规划、公网话务渗透、优化

11、难度。RRU可以采用单RRU+功分天线双方向覆盖，又称为复合小区，或者单RRU+单天线单方向覆盖，如下图：一般建议在城区场景下单个RRU共小区长度小于3公里、郊区RRU共小区长度小于5公里、农村RRU共小区长度小于7公里。一般建议在铁路两边30100米，新建1530米抱杆形成专网覆盖层。天线下倾角计算公式其中：下倾角；：天线垂直半功率角；H：天线高度（m）；D：覆盖半径（m）。由于周边公网用户可能渗入高铁专网，建议尽量避免过覆盖。下倾角=arctan（站高/覆盖距离）+天线垂直半功率角/2。天线增益=10log（32400/（水平半功率角度垂直半功率角度）一般站高15米、覆盖距离700米、天线

12、增益21度、水平半功率角30度，可以大致得到下倾角5度。链路预算：假设采用RRU每载波功率41dBm（13W），采用21dBi高增益天线功分天线，站高15m，车体损耗24dB，区域覆盖概率95%的条件进行计算。Link BudegtULDLSector type2 SectorMax. transmit power (dBm)3341.1Cable loss Tx (dB)-1Antenna gain Tx (dBi)021EIRP (dBm)33.0 57.6 External Combiner Loss(dB)3.5Antenna gain Rx (dBi)21.0 0.0 Antenna

13、 diversity gain Rx (dB)3.0 0.0 Cable loss Rx (dB)1-Receiver sensitivity (dBm)-113.0 -104.0 Min. required RX level (dBm)-85.0 Penetration loss (dB)24.0 Slow fading standard deviation (dB)6Area coverage probability95.0%Edge coverage probability83.13%Slow fading margin (dB)5.76Allowed max path loss (dB

14、)116.74 112.84 MS antenna height (m)2BTS antenna height (m)15Frequency band (MHz)900Propagation model usedOkumuru-HataCell radius (km)0.75 0.59 表格 31 900MH在RRU功分天线链路预算如果采用功分天线（每载波13W输出），则理论覆盖半径590米。如果采用单方向单位置组（每载波13W输出），则理论覆盖半径740米。城区场景高架铁路接收到周边较多信号干扰，一般建议采用1800MHz频段组网。Link BudegtULDLSector type2 Se

15、ctorMax. transmit power (dBm)3040Cable loss Tx (dB)-1Antenna gain Tx (dBi)021EIRP (dBm)30.0 56.5 External Combiner Loss(dB)3.5Antenna gain Rx (dBi)21.0 0.0 Antenna diversity gain Rx (dB)3.0 0.0 Cable loss Rx (dB)1-Receiver sensitivity (dBm)-113.0 -102.0 Min. required RX level (dBm)-90.0 Penetration

16、loss (dB)25.0 Slow fading standard deviation (dB)6Area coverage probability95.0%Edge coverage probability83.13%Slow fading margin (dB)5.76Allowed max path loss (dB)119.74 115.74 MS antenna height (m)2BTS antenna height (m)15Frequency band (MHz)1800Propagation model usedCost231-HataCell radius (km)0.

17、50 0.39 表格 32 1800MH在RRU功分天线链路预算如果采用功分天线（每载波10W输出），则理论覆盖半径390米。如果采用单方向单位置组（每载波10W输出），则理论覆盖半径490米。注意此处前提条件是1800MHz采用专用频点，考虑频段干扰较小，保证车内-90dBm的最低下行接收电平。注意：RRU型号、载波数目、天线增益、站高、覆盖概率、车体损耗不同，预算结果不同。不同车型的穿透损耗如下：3.2 隧道场景3.2.1 覆盖策略由于高铁列车车体损耗较大，在隧道内高速运行产生巨大气流，不适合采用分布式天馈的安装，而且传播模型存在列车时的传播模型尚不清楚。一般采用泄漏电缆进行覆盖，天馈安装

18、高度一般在车窗上方位置的隧道墙壁。采用RRU共小区配合泄漏电缆成为隧道覆盖主要方式，切换区域控制在隧道外。3.2.2 覆盖规划如果隧道长度较短（1个共小区覆盖长度以内）且隧道内与隧道外站点存在光纤路由，建议隧道出口的基站和隧道内组成一个共小区，使小区间切换在隧道外及早完成，避免高铁列车快速进入隧道可能导致的掉话或切换失败。若隧道长度无法满足两个隧道口外基站和隧道内成为一个小区，尽量选择一侧隧道外基站进行共小区组合，示意图如下所示。图表 1短隧道覆盖示意图隧道长度在一个RRU共小区覆盖长度以内，则小区间切换需在两个隧道口外完成，隧道口外墙安装板状天线进行覆盖，示意图如下所示。图表2 中等隧道覆盖

19、示意图隧道长度大于一个RRU共小区覆盖长度，则需要多个RRU共小区在隧道内进行覆盖，当前一个BBU下仅支持一个RRU共小区，示意图如下所示。图表 3 长隧道覆盖示意图若存在施工条件，可以将上图中隧道出/入口外两侧的基站同隧道出/入口的RRU合并成一个小区，可以降低高铁列车进出隧道的掉话风险。连续短隧道组成的隧道群，若隧道间距较小，建议采用泄漏电缆覆盖隧道间空隙段（需咨询当地是否可采用），示意图如下所示。图表 3连续隧道覆盖示意图1若连续隧道间距较大，则采用隧道口安装天线进行覆盖，示意图如下所示。图表5连续隧道覆盖示意图2铁路隧道场景使用DC-BLOCK解决方案在铁路隧道场景，通常使用泄漏电缆来

20、实现隧道内信号的均匀覆盖，由于泄漏电缆与电力机车的供电电线在隧道内平行布放，因为长线的耦合效应，会在泄漏电缆上产生很高的耦合电压与电流，容易对基站设备造成危害。要求当华为基站（包括所有型号）用于铁路隧道（不包括城市轨道交通）与泄漏电缆一起使用时，必须使用DC-block器件进行防护，否则基站存在损坏的可能。DC-BLOCK推荐使用RFS公司的DC-BLOCK-4-NMF。图表5 DC-BLOCK-4-NMF元器件图表6 DC-BLOCK-4-NMF元器件技术指标3.2.3 链路预算一般泄漏电缆中仅采用某一移动通信制式时，采用收发共缆；若多系统合路则需要考虑系统间干扰共存，现有多系统合路器无法满

21、足设计需求，则需要使用收发分缆建设。收发分缆和收发共缆的链路预算方法一致。泄漏电缆覆盖链路预算计算方法如下：车内覆盖电平RRU机顶发射功率1/2跳线损耗电桥损耗空间耦合损耗漏缆百米损耗 L/100车体损耗宽度因子错车余量其中：a) RRU机顶发射功率：按照不同的RRU、载波数决定；b) 电桥损耗：RRU处于中间位置向两边连接泄漏电缆进行覆盖，需要电桥或功分器；c) 空间耦合损耗和泄漏电缆传输损耗：同具体泄漏电缆指标相关；d) 车体损耗：若泄漏电缆安装于高铁列车车窗高度，则移动台同泄漏电缆保持直视路径，车体损耗较仅考虑玻璃窗即可。实际由于安装位置可能在车窗斜上方，用户不一定存在直射径。e) 宽度

22、因子：10log（D/2)，D为接收机距离泄漏电缆垂直距离（2m）。f) 错车余量：考虑两列火车平行的错车的余量，该值为工程经验值。其他设计余量如下表所述：场景高铁列车（dB）快衰落余量1干扰余量0车体损耗（包含人体损耗）20两车相错余量5表格1 泄漏电缆其他设计余量其中：泄漏电缆输入功率，RRU机顶输出功率减去电桥及跳线损耗为泄漏电缆输入功率：泄漏电缆馈线损耗；：泄漏电缆耦合损耗；：设计目标电平，假设移动台距离泄漏电缆2m处，宽度因子即为0；：各种余量总和=快衰落余量+干扰余量+车体损耗。铁路隧道（单线），Margin=21dB其中：泄漏电缆输入功率（dBm）单线铁路隧道覆盖距离（m）复线铁

23、路隧道覆盖距离（m）251000 773 281136 909 321318 1091 351455 1227 36.81536 1309 381591 1364 411727 1500 表格 2 泄漏电缆覆盖距离注：上表的覆盖距离是距离泄漏电缆2m处的链路预算。若考虑dm（d2m）处的场强，则需要加入宽度因子10log（d/2)余量；复线铁路隧道覆盖距离考虑了两列列车相错5dB余量的情况。泄漏电缆输入功率（dBm）单线铁路隧道覆盖距离（m）复线铁路隧道覆盖距离（m）25727 500 28864 636 321045 818 351182 955 36.81264 1036 381318 1

24、091 4114551227表格 3 泄漏电缆覆盖距离（考虑宽度因子和错车因子）注：上表考虑在泄漏电缆馈线径向8米处，10log（8/2)=6dB余量。复线铁路隧道覆盖距离考虑了两列列车相错5dB余量的情况。4 附录4.1 高铁列车规格现有中国高铁列车规格高铁列车型号CRH1CRH2CRH3CRH5生产厂商青岛四方庞巴迪鲍尔铁路运输设备有限公司川崎重工、南车四方机车车辆股份有限公司西门子、唐山轨道客车阿尔斯通公司、长春轨道客车编组形式8节编组，可两编组重联运行CRH2A/2C：8节CRH2B/2E：16节8节编组，可两编组重联运行8节编组，可两编组重联运行定员（人）670610601606+2

25、（残疾）营运最高速度（km/h）200CRH2A/2B/2E：250CRH2C：350350250设计最高速度（km/h）250370394.3250适应轨距（mm）1435143514351435编组长度（m）213.5201.4200211.5车体形式不锈钢中空型材铝合金中空型材铝合金中空型材铝合金车头车厢长度（mm）26950257002567527600中间车厢长度（mm）26600250002477525000车辆宽度（mm）3328338029503200车辆高度（mm）4040370038904270表格 41 常见高铁列车规格CRH1A外观图表 41 CRH1A外观照片CRH1E外观图表 42 CRH1E外观照片CRH2外观图表 43 CRH2外观照片CRH3外观图表 44 CRH3外观照片CRH380A外观图表 45 CRH380A外观照片CRH5外观图表 46 CRH5外观照片4.2 天线选择建议图表 47 窄波束天线水平方向图上图为一个典型的水平半功率角33度21dBi 高增益的天线的水平方向图图表 48 窄波束天线垂直方向图上图为天线垂直方向图，包含2度电下倾，注意右旋90度为地面安装方向，上图中存在2度的电下倾。图表 49 窄波束高增益天线外观图窄波束高增益天线为了使水平半功率角变窄，只有在水品方向上增加半波阵子，因此天线宽度较大。