京津城际高速铁路3G覆盖方案

第1页京津城际高速铁路WCDMA网无线网络覆盖专题报告张犇李宁（中国联通天津分公司）摘要：文章针对时速高达350公里/小时的京津城际高铁提出了WCDMA无线网络建设的背景，介绍了组网方案模式并针对天津联通WCDMA网络提出了规划方案。关键词：高速铁路WCDMA网络规划、BBU+RRU1高铁组网背景说明1.1高铁场景说明高速铁路属于大区域的轨道交通，目前，全国铁路营业里程为7.6万公里，到2010年，全国铁路营业里程将达到8.5万公里。其中复线里程3.5万公里，电气化里程3.5万公里。1997年到2007年，中国铁路经过六次大提速，内燃机车、电力机车、动车组，车型不断更新换代，主要铁路干线时速达到200公里。第六次提速后，全国范围内出现了很多时速超过200km/h的路段，而超过300公里的高速铁路也即将开始动工。根据未来高铁的发展趋势和欧洲同类国家的运营状况，高铁覆盖方案应该能满足350Kmh以上，最快达到450km/h的高速行驶要求。下表是我国高速铁路列车的基本信息。表1CRH列车基本信息表列车类型运营速度最高速度载客人数列车长度列车材质CRH1200KM/h250KM/h670213.5M不锈钢CRH2200KM/h250KM/h610201.3M中空铝合金车体CRH3330KM/h380KM/h暂无200.0M暂无CRH5200KM/h250KM/h604205.2M中空铝合金车体注：目前开通运营的京津城际铁路采用了CRH3型“和谐号”和CRH2-300型“和谐号”两种型号的动车组。1.2京津高铁天津段基本情况京津高铁天津段全长70Km，其中58Km为开阔的农村郊区，12Km进入市区。主要穿越武清区，北辰区，河北区，河东区，周围无线环境包括密集城区、一般城区和农村郊区。铁路路基高于地面10m---15m，全段为封闭电气化铁路。铁路两边是50m宽度的绿化带，京津高铁天津段如下图红线所示。第2页2高铁覆盖实现方案2.1高铁组网要求高质量1、克服高铁的高速移动带来的多普勒频偏造成的影响2、克服高铁列车的大穿透损耗3、保证高铁终端用户的切换和小区重选4、不影响高铁专网周围终端用户一步到位1、合理规划，建设一步到位2、不受周围公网影响，同时也不影响周围公网3、扩容便利，无需硬件改动2.2站址选择选择合理的站址，对高铁形成良好的覆盖，这是高铁专网组网的基础。站址选择的原则如下：按照覆盖和容量要求筛选按照基站周围环境进行筛选按照基站无线环境筛选按照基站现有资源筛选京津高铁天津段高铁沿线规划了57个基站，其中利旧基站14个，新建基站43个，最小站间距0.6km，最大站间距1.69km，平均站间距1.2km。基站垂直于铁路50米---300米。建站高度30米，天线平均高出铁轨15米。2.3BBU+RRU技术使用BBU+RRU技术，RRU（射频远端模块）就是将基站的射频模块和基带模块在物理上分离开来。基带模块仍旧在基站机柜内，而射频模块用光纤拉至远端，与天线子系统直接相邻。使用了RRU能降低天馈损耗，提高覆盖。RRU直接安装在塔顶，同样条件下天线口的输出功率提高2～3dB（100米馈缆可减少6dB损耗），基站覆盖能力大大增强。在高速覆盖组网时，为了增加单个RRU的覆盖范围，减少RRU数目，我们可以采用一个RRU功分双向发射的方式来增加单RRU的覆盖距离。下图是RRU双向发射的示意图。高速小区下行基带信号同时向两个方向发射，逻辑上还是单个小区工作，这样就相当于1个小区的分裂。当列车行驶经过基站时，不会发生软切换，从而提升性能。2.4基带频偏补偿算法高速覆盖场景对UMTS系统性能影响最大的效应是多普勒效应。接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，称作多普勒效应。多普勒频移随着用户位置的变化而变化，基站接收受到的最大多普勒频率偏移与UE运动速度成正比，速度越高则频偏越大，具体如下表：车速（Km/h）最大多普勒频偏（Hz）1204803001150第3页35013404301600基站的基带频偏补偿算法通常分为两大方面：一个是随机接入过程的频偏估计和补偿；另一个是专用信道的频偏估计和补偿。2.5切换优化在WCDMA系统中切换类型主要有同频软切换、异频硬切换和系统间切换。各种切换由于各自的特性不同，在高速场景运用中不尽相同，下面分别进行分析：软切换软切换，是WCDMA的特有策略，用户通过同时和多个小区存在无线连接以获得更多的链路增益。在高速移动场景中，相对于普通的场景，需要提供更大的小区覆盖半径，以避免出现过于频繁的切换。但同时小区之间需要保证较大的切换区域，以使用户尽量处于宏分集中，从而增加宏分集增益，保证用户的Qos和无缝移动性。在一般情况下软切换的处理时间为400~800ms（从手机上报测量报告开始，到激活集更新完成结束），为此在不同的移动速度下，切换区域至少要满足下表的需求。另外通过切换的参数配置提高切换的性能。可以采用易加难减的策略，即1A配置的较容易触发，1B配置的较难触发，以使链路尽量处于宏分集中。激活集加入门限THadd激活集删除门限THdel1A事件触发，将小区2加入激活集1B事件触发，将小区1删除出激活集来自小区1的信号来自小区2的信号来自小区3的信号时间信号强度T1AT1B1A事件上报的时配置的T1A（TimeToTrigger）起测量结果平滑作用，避免突发信号造成的事件误报的作用。但在高速移动的场景下，信号由差变好所需的时间可能很短，此参数可以配置为小于100ms，以保证切换的及时性。为了满足高铁的特殊应用场景，从上述的分析可知切换需要考虑下述几个方面做优化：高速移动场景的规划小区覆盖半径尽量大：小区半径足够大的情况下，即便用户高速移动，也不会发生频繁的切换规划的切换区域尽量大：尽量使用户保持在宏分集的状态切换应用策略：用于吸收高速UE的组网层尽可能同频覆盖，这样可以切换时就对高速移动UE只考虑同频软切换，不做频间切换/系统间切换切换参数的优化配置：保证当测量事件能尽快判决并及时通知到网络侧2.6小区重选在高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。主要是由于UE驻留时间小于小区选择过程而造成的。一般来说规划的高速场景下的小区半径较大的，用户在单个小区应该是可以完成重选的过程的。主要是在小区交叠覆盖区域，移动速度过快，可能会造成重选失败的现象。不过此时用户不进行呼叫的话，对用户感受度影响不会很大。但为了尽量避免这种现象，也要尽量缩短小区选择重选的过程。这主要涉及到系统消息的读取情况，而系统信息的长度和重复周期都是决定小区选择的因素。第4页为了满足高铁的特殊应用场景，从上述的分析可知，小区重选需要考虑下述几个方面做优化：减少系统消息的读取时间WCDMA中主要使用的系统信息有SIB1、SIB3、SIB11。过多的邻区配置会增大系统信息的长度。为此在重选小区配置上，要配置为有效的邻区。同时重选小区和切换小区的分开配置，以保证切换邻区配置不缺失。在读取系统信息过程中，由于是在无线信道上读取数据，受到周围无线环境的干扰，在一个重复周期内很难准确地读全一个小区的系统信息，需要在多个重复周期内读取，读全系统信息后，UE才能继续进行小区驻留工作。因此，为了保证用户能够快速驻留在小区上，网络侧需要尽可能的缩短系统信息的重复周期。重选参数的配置Treselection用来避免出现信号波动的评判重选，在高速场景中，如果未采用HCS组网策略，那么此参数不易配置的过大。另外Qoffset、Qhyst也配置为当邻区比本小区质量好些的情况下即可以进行重选。2.7LAC，RAC规划由于跨RNC的切换会导致切换时延过长，高速移动过程中可能会造成在RNC边界小区无法完成正常切换，因此应尽量将高速场景覆盖小区配置在同一个RNC下。同时为避免大量用户高速通过LA/RA边界，而发生突发性地位置更新，应尽量将高速场景覆盖小区配置在同一个LA/RA下。由于高速铁路的距离很长，涉及覆盖小区很多，难以将所有覆盖小区配置在同一个RNC和同一个LA/RA下，可考虑将RNC和LA/RA边界设置在低速区域，如高速铁路的车站、轨道的弯道处等。根据以上原则，我们建议将所有覆盖京津高铁的专网小区尽可能配置在同一个RNC下和同一LAC/RAC下3高铁组网频率分析WCDMA是自干扰系统，控制覆盖，降低干扰是组网的基本要求。为了满足高铁专网的一步到位、高质量的要求，中兴通讯认为有必要采用异频组网方案。分析思路如下：从高铁和周围公网的无线信号特征入手，结合高铁和周围的交通环境，结合案例分析，考察同频和异频组网的优劣，最终选取异频组网方案。详细分析如下：3.1高铁和周围公网的无线信号特征高铁信号分布特征高铁列车的穿透损耗大，移动速度快，因此高铁专网整体信号带状分布且覆盖较强，因此需要控制对周围区域的影响。周围公网的信号分布特征周围公网遵循平衡网络的框架结构—蜂窝组网结构，市区路段信号相对较强，而城市之间的路段的信号相对较弱。相对高铁专网信号而言，周围公网的整体信号分布较弱（至少在10dB以上），局部区域可能由于公网站点靠近高铁专网，可能对其形成较强的信号覆盖。同异频组网的信号影响分析同频组网下，周围公网必须考虑高铁专网的强信号分布特征，必须通过优化减少专网对其造成的影响。而公网在专网形成的局部较强信号分布，也增加了高铁高速终端用户的不必要的切换、小区重选等。异频组网下，由于有频间隔离，可认为高铁专网和公网信号相互之间没有影响。3.2高铁和周围的交通环境高铁犹如分水岭，将周围环境一分为二。高铁沿线公路交通或平行于高铁，或通过涵道与高铁交叉。同频组网下，高铁对沿线附近交通的终端用户形成了较强覆盖，增加了高铁专网和公网的切换关系，吸纳了高铁专网的部分容量（极端情况下，高铁周围道岔口可能吸纳大量容量）。第5页异频组网下，高铁专网和公网，是相互分离的两张网络。高铁和周围的交通环境的变化，不会对专网和公网带来影响。3.3同异频组网的优劣结合以上分析和案例，对专网而言，同异频组网的对比分析如下表所示：移动性覆盖容量公网优化同频组网邻区关系复杂，切换频繁小区选择和重选速度变慢难以归属到同一RNC，易导致高速切换失败难以归属到同一LAC，易导致突发性的位置更新，加重行令负荷易受公网影响，特别是接近专网的公网站址影响，导致专网信号在局部区域恶化，同时形成了乒乓切换专网需要吸纳来自沿线的公网用户的容量，容易导致专网小区拥塞，影响专网用户的体验专网需随之进行优化。由于公网调整相对频繁，使专网的优化工作量也较大异频组网邻区关系简单，切换平滑小区选择和重选速度快归属于同一RNC和同一LAC不受公网影响，能保证信号覆盖质量专网专用，容量全部提供给专网用户公网优化和专网优化分析。专用优化完成后，将长期稳定不变通过对比分析可知：同频组网，网络的规划和优化工作量大，但难以保证专网的高质量需求，专网也需随公网的优化而进行优化，难以做到“一步到位”。异频组网，专网和公网分离，专网专用，能够实现专网的“一步到位”和高质量的要求。3.4高铁异频专网组网方案3.4.1高铁专网组网选择异频组网方案1、高铁专网整体采用同一频点，且与周围公网频点异频；2、专网和公网之间的异频硬切换通过车站站台完成。3、必须结合关键技术，满足高速场景下的移动性要求，如多普勒频偏补偿技术，多RRU合并技术等。F2F1F1F1F1F1F1高铁专用小区普通覆盖小区F23.4.2高铁异频专网组网方案分析高铁采用专用频点，考虑普通用户不占用高铁网络资源。在组网阶段，高铁沿线将不进行普通小区和高铁小区之间的重选/切换。候车室/站台等室内环境，采用F1、F2双频点覆盖，如图下图（1）室内F1小区作为室外向室内移动时过渡的重选/切换小区（2）室内F1小区吸收候车室和站台的负荷候车室和站台人口密度大，存在较高的负荷量，而专网F2的容量有限，通过F1来分担一定的负荷量。第6页高铁沿线，保证普通网络的用户不能占用专用网络的资源。不进行高铁小区和普通小区的重选/切换。综上，考虑以上情况普通网络和高铁网络组