高速铁路移动通信解决方案forCMFJ

1©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信解决方案NPOCMFJ04/082©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信解决方案高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结3©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信带来问题和特点多普勒频移高速移动的手机产生较大的多普勒频偏，频偏对通信性能有影响。车体穿透损耗由于车体的高损耗，因此在铁路沿线信号覆盖电平设计时要有足够强的信号。对切换要求更高快速移动导致信号的快速衰落，需要快速切换到新的小区。覆盖目标区域地形多样铁路呈线状分布，经过的地域有密集的城区、宽阔的农村地貌、丘陵、隧道、高架铁路桥、凹陷的U形地堑等各类差异很大的地形，对不同地形要选择针对性的方案。4©NokiaSiemensNetworks已开通运行：胶济铁路、青藏铁路、大秦铁路正在进行：京津高速铁路、郑西线、武广线、合宁线、合武线等计划建设（2010年前）：国内70条铁路GSM-R在中国NSN高速铁路项目5©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信解决方案高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结6©NokiaSiemensNetworks高速铁路中多普勒效应造成的影响•运动中的移动台，其实际合成后的工作频率与运动速率相关，运动速度越高影响越大。•随着移动台靠近和远离基站，合成频率会在中心频率上下偏移。•缩短移动体和基站基站的距离后，产生压缩效应，频率增加，波长变短，频偏增大。•增加移动体和基站的距离后会使频率降低，波长变长，频偏减小为负值。•高速运动中的列车会频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重，必须采取有效方式降低干扰。BS1BS2LongwavelengthLowFrequencySmallWavelengthHighFrequency7©NokiaSiemensNetworks对抗多普勒影响:基站的放置地点远离路轨基站远离路轨放置后，基站和列车之间的相对运动速率会变缓。arshobBTS1BTS2BTS3ßho•优势:•降低频率偏移•提高接收质量等级•提高运行速度•劣势:•覆盖面积缩小，切换区域小•基站数量增加，投资增大•对大网影响大8©NokiaSiemensNetworks如何计算高速铁路的多普勒频偏cosvfDfD:多普勒频偏(Hz)v:手机移动速度(m/s):信号波长(m)－900M为0.33m:手机移动速度方向与信号到达方向的夹角如右图中的情况，在900M情况下：fd1＝250HZfd2＝226HZ多普勒频偏的计算可以用下式表示：9©NokiaSiemensNetworks应对高速铁路多普勒频偏的解决方案高性能均衡器:一个硬件组件,集成到CU当中补偿信号强度快速抖动的负面影响基于每一个突发调整信道参数软件功能算法：高速移动频率校正算法：每个burst都即时估计基站和终端间的频偏，并根据估计的结果实时地消除基站和终端间的频偏，从而达到提高接收性能的目的。增强的高速移动频率校正算法：除了估计即时频偏f1，该算法还估计一段时间内的长时间频偏f2，将f1+f2作为估计的频偏。由于长时间频偏能更有效地跟踪终端的高速移动，增强型算法将比原算法能够更好的适应高速运动的场景。通过改进的均衡算法以及硬件指标提升，目前诺基亚西门子基站设备支持250km/h的环境在众多的GSM-R项目及上海磁悬浮项目中得到验证，在仿真环境下900M可以支持660km/h，1800M可以支持330km/h的终端速度。10©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信解决方案高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结11©NokiaSiemensNetworks高速铁路出站入站覆盖设计方案专网进出口的站台微蜂窝最为理想的是使用两个微蜂窝，如下图所示：Micro-cellBTrainstationMicro-cellAcellCEnterdoor针对微蜂窝A在空闲模式下，开启小区重选惩罚时间，通话模式下开启速度敏感切换，从而保证路过站台的用户在一定时间内不会切入内网入口微蜂窝B，鉴于站台移动用户走路的特性，一旦其通过微蜂窝A到微蜂窝B，必定超过惩罚时间，从而能顺利的从外网重选或者切入微蜂窝A，然后再重选或者切入微蜂窝B，微蜂窝B的覆盖一定要控制好，尽量不要泄漏到站台外的马路上，这样能保证高速列车乘客出站台时不会回切到内网入口微蜂窝B，而能顺利的切出到外网。12©NokiaSiemensNetworks高速铁路专网覆盖设计在进入市区地域建设铁路线微专网由于市区内话务高，频率复用度紧，共用小区难以双方兼顾。进入市区开始建设铁路线微专网，天线高度低，配置不大，对大网影响小。可使用微蜂窝频点，干扰小，利用高增益窄波瓣天线、功分器、直放站等辅助措施。在微专网与大网之间只允许通过站台/火车站的微蜂窝自由流动。铁路线覆盖设计－市区地域设计专网进行覆盖常规小区覆盖站台微蜂窝作为专网和大网间的门小区13©NokiaSiemensNetworks高速铁路专网切换设计市区区域微专网切换策略：微专网与大网间不添加相邻关系，因而相互间不切换。切换时间窗口减小，加快切换速度，开启提高切换速度的相应功能。降低切换Margin值设置，根据实测设置电平切换、质量切换门限。铁路线覆盖设计－市区地域无切换关系允许切换允许切换微专网常规覆盖小区14©NokiaSiemensNetworks铁路线覆盖设计－农村开阔地在农村开阔的高速区域，可以采用高增益、窄波瓣天线，结合功分器(PowerSplitter)进行铁路沿线覆盖。在低速区域如站台、市区区域，话务量大，可以保留常规的方法，这样基站容量能做到较大。15©NokiaSiemensNetworks铁路线覆盖设计－农村开阔地由于对同一基站不同方向的小区而言，彼此的重叠区域只是依靠尾瓣覆盖的小块区域，所以我们并不希望切换发生在基站处。该概念是每个基站使用两个定向天线，每个天线分别指向沿路轨不同覆盖方向。两个天线由一个功分器连接并且连到基站内同一个发射机上。这样一个基站的两个天线统属同一个小区。该方案能够大大地扩大了单小区的覆盖长度，减少了沿线的切换次数，并且避免了切换在基站位置的切换。由于功分器有3dB的插入损耗，因此在天线输出等效功率上亦减少3dB。单小区的覆盖范围大大增加，带来话务量的增大，配置要较高。TX1TX2CombinorRX1Div1RX2Div23dBTX/RXRX-DiversityBaseStationPowerSplitter3dB双极化天线16©NokiaSiemensNetworks高速铁路信号传播特性高架铁路桥关于沿高速铁路的电波传输模型也很重要，根据欧洲铁路以及诺基亚西门子的经验，沿铁路的传播模型有别于沿线地区的无线传播，关于铁轨及其周边无线特性影响和铁塔高度对电磁波传播的影响需要调整新的传播模型并通过添加偏置来达到更好的适用度。同样铁轨的高架地势应该通过一个补偿来考虑进去。仅仅基于理论公式，我们能有一个+9dB的补偿因子，当进行模型调整仿真或覆盖信号强度设计时，需要考虑进该补偿值，RailwayCutting－U形路堑信号方向与路堑夹角越大衰减越大。路堑越深信号衰减越大。因此在路堑地形基站应靠近路轨沿两边覆盖，适当应用一些直放站，能使信号覆盖效率最大化。17©NokiaSiemensNetworks隧道覆盖注意事项影响隧道内信号传播衰减的因素:•隧道的几何平面结构（四边形、圆形）•隧道的曲率和拓扑结构•使用的频段（波导效应）•隧道墙体的材料和相应位置•列车流量•天线特性以及摆放位置•......18©NokiaSiemensNetworks隧道覆盖的方案举例1短隧道的覆盖方案（隧道内可使用直放站）:•使用泄漏电缆或天线覆盖，例如K732267或者AH900train重叠区域下一相邻小区（自由空间）扩展的“隧道”小区直放站直放站泄漏电缆train天线19©NokiaSiemensNetworks隧道覆盖的方案举例2BTS主控单元RepeaterRepeater功分泄漏电缆例如.RLF9/23分布式光缆系统天线例如K732267带光纤分布系统的基站覆盖•通过光纤直放站连泄漏电缆或者天线进行覆盖600m300m300m20©NokiaSiemensNetworks使用直放站需要考虑的延迟问题注意：在设计中必须为光电（电光）转换器件保留足够的延迟时间。21©NokiaSiemensNetworks隧道外的切换•短隧道的切换尽量在隧道外完成，因为隧道外的覆盖信号在隧道内会快速下降。•为了是切换顺利进行，可在隧道口设置天线(pickup-antenna),使列车提早进入隧道小区覆盖区域。22©NokiaSiemensNetworks隧道内的切换•长隧道的切换尽量在隧道内完成，因为隧道内的覆盖信号更容易控制23©NokiaSiemensNetworks隧道内使用的天线类型对数周期天线（Yagi）•对外部信号不敏感•体积小，抗风能力大•提供防冰防水保护园极化天线•不受隧道内列车流量影响•易安装，隐蔽双方向天线•适合GSMR系统的天线24©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信解决方案高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结25©NokiaSiemensNetworks切换区域的设计准则足够长的切换区域，在一次切换失败后要有足够的时间尝试第二次切换。重叠区域的信号电平值必须高于RXLEV_MIN。重叠区域必须平均分布(如图中所示)。选取6秒为最大切换时间用于切换长度的计算。切换区域长度[m]=列车最大运行速度[km/h]*最大切换时间[s]/3.6HOmin=Vmin*Tmin=250km/h*6s/3.6=416mHOBS1BS24s4s重叠区域的建议分布方式：非建议方式：BS1BS26s2s26©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信参数设置－IDLE模式列车内用户希望重选的小区地面用户希望重选的小区列车行使方向主要用于服务地面用户的小区希望主覆盖沿线来服务列车内用户的小区ABC当手机处于IDLE模式时，尽量使列车内用户在小区重选时优先重选至预想的下一个服务列车内用户的沿线主覆盖小区。而地面用户则正常进行重选。C2的相关参数CRESPARI，CRESOFF，TEMPOFF，PENTIME。通过C2设置，可以保证在惩罚时间内，C小区的C2值将减小。当PENTIME超时后，C小区的C2值恢复正常，避免向C小区重选。如图中所示，用户沿线由西向东移动。在IDLE模式下，服务小区为A小区。如果用户在高速列车内，按照预想需要重选到B小区；由于实际过程中高速铁路沿线有可能会出现B小区的C2值在某些地段低于C小区的C2值的情况。此时为了使列车内用户按照预想重选至B小区，我们可以通过对C小区C2值临时降低的设置来控制。27©NokiaSiemensNetworks高速铁路移动通信参数设置－通话模式列车内用户希望重选的小区地面用户希望重选的小区列车行使方向主要用于服务地面用户的小区希望主覆盖沿线来服务列车内用户的小区ABC速度敏感切换当手机处于通话模式时，要使列车内用户在切换时切换至预想的下一个沿线主覆盖小区。通过速度敏感切换设置，可以在规定时间内，C小区的HOM将额外增加一个值，即临时提高C小区的HOM值。当超过定义的时长后，C小区的H