摘要:为满足快速增长的旅客运输需求，国家“十一五”规划了“四纵四横”铁路快速客运通道以及3个城际快速客运系统，时速高达380 km/h。随着列车时速的不断加快，车厢内手机用户通信时发生切换混乱、接通率低和掉话等现象，无线网络覆盖面临挑战。文章立足于高铁专网设计总体目标，基于高速移动通信性能影响因素，采用分布式基站和一体化基站，提出一种高速铁路组网方案。
关键字:高速铁路；基带处理单元；射频拉远单元；动车组
英文摘要:In order to meet growing passenger needs for public transportation, a “four vertical and four horizontal” railway passenger system, as well as a three fast trains inter-city express system (with top speeds of 380km/h) has been proposed in the Eleventh Five-Year plan. However, with the increased top speeds of these modern trains, wireless coverage within them faces particular challenges. These include soft switching confusion of mobile phone users, low throughput rate, and call dropout. This paper presents some high-speed rail network solutions, taking into account the overall design objectives of high-speed rail networks, and effective factors of high-speed mobile communications which adopt distributed and integrated base stations.
英文关键字:high-speed railway; BBU; RRU; CRH train
1 高速移动通信性能影响因素
1.1高速移动带来的问题
高铁列车采用全封闭式车体结构，且部分车采用金属镀膜玻璃，导致在无线传输中车体穿透损耗较大，信号衰减比普通列车大10 dB以上，特殊的材质和极好的密闭性对手机信号的屏蔽会超过24 db以上，基站信号覆盖范围缩小为原来的1/5。当损耗为30 dB时，相当于信号在透过车体时只有原来千分之一的信号强度。对移动用户通信造成非常大的影响。为了克服车体穿透损耗，要求室外的信号发射机功率增强，要求更高的基站接收机灵敏度或者要求用户终端(UE)的发射信号增强。
超过300 km/h的时速将使用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，引起用户在通话过程中在不同的小区覆盖范围内频繁切换，会导致掉话等诸多问题。手机在不同基站间切换至少需要6 s，而全速行速的高铁列车通过两个基站的时间要经常小于6 s，手机基本上无法完成切换。
当行驶速度高达200 km/h甚至更高时，相较于正常状态，移动通信网络的覆盖率会从99%以上下降到84%左右，话音接通率会从原来96%以上下降到81%左右，掉话率也会从原来几平为0上升到25%以上，其他话音指标及数据业务指标均会有不同程度的下降。
因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。在移动通信系统中，特别是高速铁路场景下，这种效应尤其明显。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移。
1.2 3G业务面临的挑战
高速铁路将是3G业务应用的一个重要场景。高速铁路的覆盖是整个3G覆盖不能或缺的重要部分。许多高端的3G用户经常由于商务旅行的原因，需要在高速铁路上使用各种移动通信业务。这些业务不仅包括语音业务、视频业务、还有高速数据上下行业务。
由于高铁主要的目标客户是商务出行或者旅游出行，这些人在列车上使用语音或高速数据业务的需求较为明确。在人们连续乘坐高速列车的时候，特别希望能够通过无线数据业务来排解旅途中的无聊与烦闷。这正是3G丰富多彩的数据业务，如手机网游、手机电视以及视频通话等大显身手的时候。为用户提供高速上下行数据业务是3G时代显著的业务特点，因此，快速发展的高速铁路已成为移动话音和数据业务的新热点。上下行数据业务的速率在很大程度上取决于网络的覆盖质量：一方面为了保证高速列车中用户的网络信号接受质量，抵御车厢的穿透损耗，基站间距需要尽可能缩短；而另一方面，为满足切换的需要以及减少切换及小区重选的次数，基站间又要保持尽量长的距离。
2 高速移动通信网络的规划设计
在进行高速铁路覆盖设计时，充分研究铁路发展趋势，通常以最大穿透损耗的车型作为覆盖优化的目标。基站选址要合理，避免越区覆盖产生，在保证覆盖距离的情况下，尽可能与铁路保持一定距离，克服多普勒效应。尽量将沿线基站放在同一个基站控制器(BSC)或移动交换中心(MSC)中，以减少MSC间、BSC间的切换，避免过长的切换时间对网络服务质量造成不利的影响。
2.1 充分发挥高速铁路链型网络结构的特点
对原有网络结构进行改造，根据高速铁路线形覆盖的特点，将小区结构规划成链形邻区，并针对高速铁路沿线的链形邻区，让用户沿运动方向优先切换到前向链形邻区，这样将尽可能减少切换次数，避免前后小区乒乓切换，也避免了侧向小区的无序切换，提升切换效率，提升业务质量。
2.2 切换带的规划
切换带的规划一方面保证高速移动的手机终端顺利完成切换，同时要尽可能减少基站数量，降低投资，因此切换带的设计要合理。根据快速切换算法触发时间的估算，完成2次快速切换的时间为5～6 s，网络设计过程中通常建议为7～8 s。
2.3 站型和天线的选择
周边用户比较少的农村区域，在铁路比较笔直的场景下，优先选择高增益窄波瓣天线，基站覆盖范围大，切换次数少；对于市区、郊区、沿途有车站、铁路有弧度区域适合选择中等增益天线；功分器虽然增加了3.5 dB损耗，降低了基站覆盖范围，但是两个扇区为同一个小区，减少了切换次数，并且不需要考虑天线前后比的问题，在合适的场景下可以考虑使用；8字形天线比较适合覆盖直线铁路。
