高速铁路覆盖（精选十篇）
高速铁路覆盖 篇1
高速公路、铁路隧道无线覆盖是实现无线网络无缝覆盖的一个重要组成部分, 是运营商提高综合竞争力的一个有力手段, 在我国, 铁路、公路隧道占比非常高, 特别是途经山区地段, 占比更高, 例如:国家“7918”高速公路网上海至成都公路的重要组成部分沪蓉西高速公路, 全长320公里中隧道44座155712米, 主线桥隧比为51.62%。被业界称为桥隧博物馆的宜万铁路, 全长约380公里, 有隧道114座、总长220公里, 桥隧总长占整个干线71%以上。所以, 隧道的有效覆盖对于运营商来说非常重要。
中国电信全业务经营在即, 移动网络优化工作将是中国电信今后一项长期的重点工作, 本文结合山区隧道覆盖的特点, 着重介绍了隧道覆盖的信号源选择、传输方式选择、天馈系统选择方法和优缺点, 分析了高速环境下应该考虑的几个重点问题, 并探讨了七种典型的隧道场景覆盖方案, 从而指导隧道无线覆盖工程规划和建设。
二、高速公路、铁路隧道覆盖的特点
空洞形隧道的结构特点决定了其需要的覆盖特点:
1、洞内空间狭长, 多重折射, 设计时要考虑车体的阻挡;
2、信号纵向延伸覆盖要求高, 横向覆盖几乎不考虑;
3、业务类型目前为高速移动语音业务为主, 话务量不高且多为突发性;
4、信号覆盖以连续通话为目的, 而不是以容量为目的;
5、隧道入口和出口可能为切换边界;
6、铁路隧道、公路隧道有着不同的特点, 公路隧道一般来说比较宽敞, 在隧道里面的覆盖状况在有车通过时与没有车通过时差别不大, 可以根据实际情况选择尺寸大一些的天线, 以获取较高的增益, 使得覆盖范围更大。而铁路隧道一般来说要狭窄一些, 特别是当火车经过时, 被火车填充后所剩余的空间很小, 火车对隧道的填充对信号传播会有较大的影响。并且天线系统的安装空间有限, 这样天线的尺寸和增益也必然会受到很大的限制。
7、不管是哪种隧道, 都存在长短不一的状况。在解决短隧道的覆盖时, 可采用较多灵便经济的手段。
三、高速公路、铁路隧道覆盖基本方案
1、洞内分布方案:天馈系统装于隧道内, 适用于特长隧道、长隧道、空间不宽敞隧道或者有较大弧度的隧道。此种方案结构:信号源+洞内分布系统。
2、洞外投射方案:天馈系统装于隧道外 (口) , 适用于短隧道、中隧道, 且隧道内较宽敞, 隧道没有弧度。此种方案结构:信号源+定向天线或基站+基站覆盖延伸系统。
四、高速公路、铁路隧道覆盖方案实施
1.隧道覆盖的信号源选择
为了提供隧道覆盖, 一个信号源与一套分布式系统是必须要的。隧道覆盖需要根据隧道附近的无线覆盖状况及传输、话务、现有网络设备等情况来决定隧道覆盖所采用的信号源, 通常信号源类型有以下几种:宏蜂窝基站、微蜂窝基站、直放站等。
1.1宏蜂窝基站
对于铁路、公路隧道覆盖来说, 由于话务量小, 宏蜂窝基站作为信号源较为少用。但在城市地铁隧道中, 人流量大, 话务量也高, 可以采用容量较大的宏蜂窝基站。
使用宏蜂窝基站的优点是:可以提供更多的信道资源、扩容较为容易、单个基站覆盖能力强;缺点是:需要用电缆从基站设备所在的机房引入信号覆盖隧道, 增加了馈线损耗、需要较大的机房等配套设备, 总的投资费用高。
1.2微蜂窝基站
使用微蜂窝基站的优点是:所需设备空间小、所需配套设备少、总的投资费用低。缺点:需要传输资源, 扩容需要换设备。
1.3直放站
●同频直放站+分布系统
优点:安装灵活, 投资少, 见效快, 提高了信号源小区的信道利用率;
缺点:没有独立的话务处理功能, 需要天线隔离度。
●移频直放站+分布系统
优点:信号比较纯净, 不会产生自激;
缺点:需要传输用的频率资源, 传输天线要求可视, 不能阻挡。
●光纤直放站+分布系统
优点:利用光纤资源可以得到较纯净信号源, 可以把基站信号延伸至较远的距离, 信源可以从基站耦合或直放站耦合;
缺点:需要注意信号源基站与覆盖目标周围信号基站里的参数设置。注意相邻切换关系、同频干扰等问题出现。
在实际工程之中, 要根据覆盖的隧道长度、隧道附近覆盖状况、基站分布、话务分布、建站条件等因素选择一种信号源, 一般选用较多的是微蜂窝基站与直放站作为隧道覆盖的信号源。
2.传输方式的选择
隧道一般位于山涧之间, 山高林密, 传输是个问题, 一般可采用以下三种传输方式:
2.1移频传输 (传输射频信号)
安装移频覆盖端设备, 需要的馈线减少、不会造成干扰、在复杂的网络中设计更灵活。在铺设光纤传输资源不方便或者其他特殊情况下, 我们还可以采用移频直放站使得信号在隧道里得以延伸。由于隧道内电磁环境较好, 采用这种方式也能取到较好的效果。
2.2光纤传输 (传输射频信号)
优点:在隧道内安装的馈线减少、可使用更细的馈线。
用定向天线无法达到好的覆盖效果, 可以考虑使用无线直放站把信号接入到隧道口, 然后通过光纤直放站把信号引入到隧道内部适当的地方用天线进行覆盖。
2.3微波传输 (传输基带信号)
在移频传输和光纤传输两种方式之外, 还可选择微波传输, 优点:建设速度快, 缺点:受天气影响, 传输质量会下降, 山区容易遭雷击, 维护量大。
3.隧道覆盖天馈系统的选择
3.1同轴馈电无源分布式天线
采用同轴馈电无源分布式天线覆盖方案设计比较灵活、价格相对低、安装较方便。同轴电缆的馈管衰减较小, 天线的增益的选择主要是取决于安装条件的限制, 在条件许可时, 可选用增益相对高些的天线, 覆盖范围会更大。该方案的简化就是采用单根天线对隧道进行覆盖, 这种方案对较短的隧道是一种成本最低的解决方案。
隧道距离较短时, 可以通过在隧道口或延伸至隧道内的定向天线进行信号覆盖。
3.2光纤馈电有源分布式天线系统
在某些复杂的隧道覆盖环境中, 可以采用光纤馈电有源分布式天线系统来替代同轴馈电无源分布式天线系统。它更适用于覆盖地下隧道 (地铁隧道) 及站台。其优点是:在室内安装的电缆数减少、可适用更细的电缆、采用光缆可降低电磁干扰、在复杂的网络中设计更灵活。缺点是成本高。
3.3泄露电缆
采用泄漏电缆来进行隧道覆盖是一种最为常用的方式。其好处是:
●可减小信号阴影及遮挡, 在复杂的隧道中, 若采用分布式天线, 手机与某个特定的天线之间可能会受到遮挡导致覆盖不好;
●信号波动范围减少, 采用泄漏电缆信号覆盖更均匀;
●可对多种服务同时提供覆盖, 泄漏电缆本质上是一宽带系统, 多种不同的无线系统可以共享同一泄漏电缆, 减小了架设多个天线系统时工程安装的复杂性。
●泄漏电缆覆盖设计是一种很成熟的技术, 设计相对简单。
缺点是:成本高。
3.4基站覆盖延伸系统方式
对于一些短的、有微弱信号的隧道, 我们也可以考虑使用基站延伸系统来解决信号覆盖问题
优点:不需考虑通常直放站覆盖遇到的电力和物业协调问题, 实施简捷, 见效快, 可提高小区信道利用率。
缺点:可能会存在越区覆盖, 需网络优化。
五、高速环境下重点问题分析
1.信号覆盖场强分析
1.1隧道侧定向天线覆盖方式
无线电波在隧道中传播时具有隧道效应, 信号传播是墙壁反射与直射的结果, 直射为主分量。根据试验数据对传播模型进行了修正, 得出一简单实用的隧道传播模型, 用来进行隧道覆盖设计。该传播模型为:
Lpath=20 lg f+30 lg d-28 d B其中:f:频率 (MHz) , d:距离 (米)
可以看出, 跟自由空间损耗的区别相差了:10lgd, 这种计算是指天线放于隧道口或隧道内, 若距隧道口外有一定距离, 会稍有偏差。
1.2泄露电缆覆盖方式
通过理论计算和大量工程实际验证可以得出以下结论:
双方向覆盖 (信源放置在覆盖区域中部, 信号源功率用分路器分开同时向两个方向进行覆盖) 的距离接近于但小于2倍的单方向覆盖 (信号源放置在覆盖区域一端时的) 距离。
2.隧道内、外切换分析
隧道内的小区切换:若隧道距离过长, 需采用两个或两个以上的扇区信号进行覆盖。用户经过隧道中段时, 原小区信号逐渐减弱, 切入小区的信号逐渐增强, 没有信号突然消失的情况, 避免了移动台因为切换时间不足造成掉话。
隧道内、外的小区切换分析:在实际网络中, 完成内外小区重叠有两个思路, 一是将隧道外信号引入到隧道内来, 二是将隧道内信号引到隧道外。由于室外信号复杂, 可靠性不高, 多数采用延伸隧道内信号的方法, 使隧道口和隧道外一定距离内的信号保持一致, 在高速环境下在切换方面应该考虑:
3.长距离、高速下时间及频率色散考虑
3.1多普勒频移:
快速运动的移动台会发生多普勒频移现象, 使用定向天线方式顺着铁路沿线覆盖信号时, 频率偏移公式如下:
f D=V*cos I/λ=V*cos I/ (c/f0)
f0:工作频率f D:最大多普勒频移V:移动台的运动速度
I:多径信号合成的传播方向与移动台行进方向的夹角
综上可知:当I为0度或180度时, 频率偏移最大。
3.2时延色散:
移动终端MS在直放站和基站在重叠区域可能会引起多径干扰, 要使得系统正常通信, 就要求直放站和基站与重叠覆盖区域的距离满足以下条件:
b+c-a<15us
b:光纤远端机到重叠覆盖区的时延 (无线空间) ;
c:施主基站到光纤远端机的时延 (含光纤及设备时延) ;
a:施主基站到重叠覆盖区的时延 (无线空间) 。
4.多直放站对系统底噪影响分析
没有直放站的时候, 基站接收端热噪声和基站噪声系数之和, 称为基站底噪声。
基站接收端的底噪声电平Npbts为:
N p bts=10L g[K T B]+Nfbts=-121d Bm/200KHz+5d B=-116d Bm
当引入直放站, 该基站成为直放站的施主基站后, 其接收端的噪声为基站底噪声加上直放站的噪声增量。
直放站热噪声经过放大和传输路径损耗后, 到达基站接收机输入端的热噪声电平:
引入噪声注入裕量NIM (Noise Injection Margin) :
基站热噪声电平升高, 意味着基站接收机的灵敏度降低。
多个远端噪声叠加基站热噪声电平升高ROT (Rise Over Thermal) :
那么等效增益为:NIM=10log (10PBTS/10/10 (PINJ1/10+PINJ2/10) )
通过计算多个远端噪声叠加对基站噪声抬高量如下: (见下图表)
目前, 许多厂家针对上述情况, 已开发出数字直放站产品, 让多直放站对系统底噪影响降到了最低。
5.多系统引入的干扰分析
5.1阻塞干扰:
移动通信系统的接收机中都有一个带通滤波器, 带外信号受到抑制, 但是带通滤波器的带外抑制能力是有限的, 当一个带外强信号经过带通滤波器后, 仍会有相当高的电平, 这时接收机中的放大器迅速饱和, 质量再好的有用信号都无法经过放大器, 接收机表现失灵, 通常称这种情况为阻塞干扰。
这种现象, 通过收发空间隔离即可避免。
5.2杂散干扰:
移动通信系统发射机中也有一个带通滤波器, 它对带外信号有抑制特性, 同样这个抑制性能是有限的, 没有经过完全抑制的带外杂散信号发射出去后会对处于相应频段的系统产生干扰, 这种干扰通常叫做杂散干扰。
通过计算和大量的工程实例证明:两天线距离大于1米时, 杂散干扰即可避免。
5.3互调干扰:
互调干扰通常发生在多信号经过非线性电路/器件时, 频率互相调制而产生新的频率。对系统影响较大的是三阶互调成分2f1-f2和2f2-f1两个分量。
尽可能少的加入信号中继放大设备, 采用高性能的腔体滤波分/合路器, 对互调进行抑制, 再经过空间衰耗, 互调信号将会淹没在噪声之中, 对通信形不成干扰。
六、几种典型的隧道场景覆盖方案
1.短程单洞隧道覆盖
短程单洞隧道是最简单的隧道形式, 由于其孔洞短, 通风好, 洞的宽度较大, 一般采用洞口天线覆盖的方式覆盖, 就可以达到理想的效果, 并且投资成本较低。信号的选择视具体情况, 若洞口有可用的信号, 则可以用无线直放站选择信号覆盖。若没有可用信号, 可以用移频直放系统覆盖。如果有光纤或者可以方便铺设, 可以用微蜂窝基站或光纤直放站覆盖。天线多以室外天线为主, 如:八木天线, 背射天线等定向性强的天线。这种隧道以低成本覆盖为目的。可以将隧道和公路一起考虑, 或者隧道和附近村庄等其他区域共享一套有源放大设备。推荐方案:
1) 无线洞外天线覆盖方案
2) 边缘覆盖方案 (指公路或村庄覆盖时引信号过来覆盖)
3) 基站放大器覆盖 (覆盖小于100m)
2.双洞隧道覆盖
双洞隧道行车特征是单向通车, 速度较快, 覆盖特征需要有良好的、均匀的覆盖, 快衰落明显, 泄漏电缆覆盖需要保证信号的均匀, 利用双洞的特征, 尽量减少有源的设备, 两洞均可以采用相同的信号源。建议方案:
1) 一分二式覆盖, 采用定向天线 (适用于较短的双洞隧道)
2) 泄漏电缆覆盖 (适用于较长的双洞覆盖和铁路隧道)
3) 光纤分布覆盖 (适合于高速铁路、公路的情况
3.公路隧道覆盖
公路隧道内部空间比较宽敞, 隧道里覆盖情况在有车通过时和没有车通过时差别不大, 天线安装方便, 可以根据实际情况选择尺寸大一些的天线。短直形隧道一般安装在隧道口, 中长直形隧道安装在中间, 弯形隧道安装在转弯处。一般不采用泄漏电缆。建议方案:
1) 直放站+天线分布 (可以是无线、光纤、移频设备, 视具体需要而定)
2) 直放站+干放分布 (对于较长的公路隧道)
3) 隧道内天线多以八木天线为主, 或者用易于安装的宽带天线。
4.铁路隧道覆盖
铁路一般是单洞、双向的隧道, 洞孔比较狭窄, 当火车通过的时候, 隧道大部分空间被占满, 火车通过的时候一般是人比较多, 话务量猛增, 所以要求信号强度足够好, 安装天线不能太占空间。推荐方案:
1) 泄漏电缆覆盖 (泄漏电缆覆盖比较均匀, 也不占用太多的, 但成本高)
2) 分布天线覆盖 (空间所限, 需要较小体积天线, 可以采用隧道专用天线)
5.连续隧道覆盖
连续隧道是多段隧道连续在一起, 多为公路或铁路在山脉间穿梭, 隧道接连不断, 长短不一, 形状各异, 需要考虑覆盖, 传输, 造价, 施工等更多因素的隧道。这种情况主要考虑重心在传输, 综合考虑覆盖, 要分析每段隧道的情况和隧道间公路 (铁路) 的信号覆盖情况。可以根据情况采用以下几种方案:
1) 光纤分布式 (较适合多段短隧道)
2) 馈缆分布式 (较适合多段长隧道)
3) 综合覆盖式 (无线设备和其他系统配合)
6.超长隧道覆盖
是指隧道的单洞延伸距离超过3KM, 隧道延伸可能是弯曲成“L”形或“S”形或者其他走势, 隧道的覆盖不能以单独一套设备就可以满足, 需要多套配合使用, 多种方案综合运用的隧道。对于每段隧道的解决方案可能都会有所区别, 必须根据实际情况来选定覆盖解决方案, 对于超长隧道;天馈选择建议采用泄漏电缆或分布天线。信号源选择可以采用以下方式:
1) 微蜂窝基站直接覆盖
2) 射频拉远单元覆盖 (光纤拉远)
3) 直放站分布系统
7.综合隧道覆盖
实际中的隧道是多种多样的, 可能同时存在上述多种情况, 我们一定要根据实际情况来分析隧道形式灵活制定综合覆盖方案。
七、结束语
从笔者目前了解的情况来看, 笔者所辖维护区域沪蓉西高速公路和宜万铁路工程隧道建设施工正如火如荼, 各种隧道场景均有出现, 所以在进行隧道无线覆盖规划时一定要根据实际情况灵活选择相应的覆盖方案, 但是不管选择何种方案, 一定要站在全网的高度去考虑问题, 强化网络观念, 全盘考虑, 充分考虑直放站对系统容量和用户感知的影响, 以基本隧道覆盖方法为基础, 以高效果和低成本为目标, 确保网络运行在最佳状态, 实现真正的无缝精品网络。
参考文献
[1]王文博等编著北京邮电大学出版社出版《移动通信原理与应用》;
[2]华为技术有限公司编著人民邮电出版社出版《cdma20001X无线网络规划与优化》;
[3]中兴通讯《CDMA网络规划与优化》编写组编著电子工业出版社出版《CDMA网络规划与优化》;
高速铁路覆盖 篇2
高速铁路机车台无线电波通信覆盖半径分析
对于高速铁路发展应用而言,GSM-R系统的`通信质量是至关重要的,特别是在承载列控数据业务时,通信质量直接影响铁路运输的安全和效率.对无线电波传播机制进行了介绍,重点分析了满足机车台在高速运行环境下通信无线电波覆盖半径.
作 者：李宁宁 作者单位：中铁十一局集团电务工程有限公司,湖北,武汉,430071 刊 名：黑龙江科技信息 英文刊名：HEILONGJIANG SCIENCE AND TECHNOLOGY INFORMATION 年，卷(期)： “”(26) 分类号： 关键词：高速铁路 GSM-R系统 无线电波 传播机制高速铁路覆盖 篇3
关键词:高铁TD－SCDMA
中图分类号:TP2文献标识码:A文章编号:1674-098X(2011)06(a)-0251-01
1 前言
大规模的高铁建设及建成运营,给人们的生活工作带来便捷的同时也为高铁信息化服务提出了更高的需求。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。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,同时也给移动通信网络特别是我国自主知识产权的3G网络的覆盖提出了新的问题。
2 TD-SCDMA高铁覆盖存在的主要问题及技术方案
2.1 TD-SCDMA高铁覆盖存在的主要问题
高铁覆盖面对的是一个非常特殊的场景,其最主要的问题包括列车高速移动带来的多普勒频移,高速移动对切换、重选提出的更高要求,穿透损耗大等,在2GHz频段问题更加严重。下面分别讨论上述问题及其解决方案。
2.1.1 高速移动下的多普勒频移
多普勒频移是指基站发出的射频载波和来自运动目标的反射回波之间的频率偏移,此效应主要导致中心频率的偏移。当频率偏移过大时,会导致解调符号产生较大的相位偏差从而使得信道估计发生错误、基站与移动台间的频率同步也出现问题。高速铁路的无线信道特征基本上可以看作是一个较大的多普勒频率偏移加上很小的频率色散。其中较大的多普勒频率偏移是由高速列车相对基站收发信机的高速运动形成;而很小的频率色散是由用户相对于车内反射散射体的低速运动形成。另外,高速铁路场景的基站侧角度扩展较小,且时延扩展较小,有利于发挥智能天线波束赋形增益。
高铁场景下的多普勒频移通常高达几百赫兹,对系统设备和终端的接收机性能都构成了挑战,如果接收机不进行检测和补偿,那么链路性能将大大下降,严重恶化网络覆盖及容量等指标。随着TD技术的进步,目前各主流设备厂家在基站侧均提出了相应的基站侧频偏估计和校正算法。采用自适应频偏校正算法可以在基带5ms子帧内通过一定操作实时检测出当前子帧频率偏移的相关信息,然后对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正。终端侧的多普勒频移只相当于基站侧的50%,受影响相对较小,但是终端的自动频率控制(AFC)功能也应具有在较短时间内将频偏控制在允许范围内的能力,才能保证终端在高铁环境下正常通信。
2.1.2 高速移动下的重选和切换
高速铁路场景是线性覆盖区域,列车高速移动时,UE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,如果按照普通场景的小区选择与重选,切换参数默认配置,则容易导致小区重选,切换不及时,导致重选失败或切换掉话等现象。
高速移动场景下,需要加快小区切换和重选的速度,因此一方面,切换迟滞和测量上报时延以及小区重选对迟滞和测量时间都需要相应的缩短,同时高铁上用户移动的方向确定,较难发生乒乓切换现象,因此切换启动门限可以根据实际情况减小,以提前启动切换过程,迟滞系数也应比普通场景下设置得更小。另一方面,通过参照设备能力将尽可能多的相邻基站设置为同一个小区,最大限度地扩大单个小区的覆盖范围,原有基站覆盖区域之间的切换区变为同小区接力点,减少了切换的发生,小区重选、切换的频率将大大减少,同时也避免了在多普勒频偏跳变区域进行切换。
2.1.3 车体穿透损耗大
高铁列车采用全封闭式车体结构,且部分车型采用金属镀膜玻璃,车体穿透损耗高达24dB以上,为了克服车体穿透损耗,要求室外的信号发射机功率增强,同时需要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。
考虑建站成本及现实可行性,即使采用BBU+RRU分布式基站加高增益天线方案,一般高铁线路也只能保证CS64业务的连续覆盖。为提供更高速率等级业务,可以借鉴2G提出的思路,采用在列车上安装无线直放站和车内分布系统的方式,把车外信号放大馈入到车厢内以克服车体穿透损耗的影响。车载直放站应具备自动增益控制(AGC)、自动频率跟踪(AFC)能力,以解决高速运行中的多普勒频移问题,保障网络服务质量。但是此方式受高铁列车流动性、归属性的影响大,工程协调和实施都有难度。
2.2 专网解决方案
普通公网组网不会单独考虑高速场景的覆盖,通常与其他场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖,无法兼顾高铁这种特殊场景(车体损耗大、频繁的小区切换、重叠区的设计、强烈的多普勒频移)的网络覆盖,因此高铁必须使用专网覆盖才可能有较好的覆盖效果。
专网组网即用独立于周边公网的专用网络覆盖所要解决的高铁沿线,在铁路沿线组成一个带状覆盖通道区,不与公网设置切换关系,只在车站站台,候车室等处设置缓冲区与公网相互切换。
將高铁覆盖的站点设置成专网。这样会带来如下好处:
1)可以避免公网中常见的多LAC切换。
2)通过物理设备及参数配置,保证了专网与公网的分离,避免由于多用户引起的干扰。
3)专网与其他网络分开,避免有切换关系,这样可以针对专网进行切换,重选等无线参数优化。
4)可以采用特别的算法及无线参数设置,最大程度上满足高速场景的覆盖要求,保证专网的独立性。
但是采用专网覆盖,为保证覆盖质量,2G网络站间距一般1～1.5km,3G网络一般为500～800m。2014年中国将建设造成的高铁2.8万公里,据此计算,完全使用专网覆盖高铁,一家运营商两张网(2G、3G网络各一张)总共需要7～8万台基站,随着后续高铁的继续建设,所需的基站数量持续攀升,这种巨额的经济成本也会给运营商带来很大的风险。
在京津城际高铁的建设中采用了高铁专网组网的方式,以保障高铁覆盖、减少干扰,同时也利于进行切换、重选等专网无线参数的优化。采用成熟可靠的BBU+RRU分布式基站结合多小区合并的组网方案。
3 结语
高速铁路覆盖 篇4
高速铁路是高新技术在铁路上的集中体现,是陆地最快的运输工具。发展高速铁路是科技进步的必然,是时代发展的需要。随着国家对基础设施建设的大力扶持,近年来,我国高速铁路的建设取得了长足的发展。我国《铁路中长期规划》要求铁路在“十一五”期间重点加强快速客运网络建设。到2020年,我国将建成1.2万km的高速铁路,初步建成以客运专线为骨干、联结全国主要城市的快速客运。
伴随着中国铁路的高速发展,当列车运营速度提升至200~300km/h后,由于受到高速移动过程中的多种因素影响,GSM手机用户通话过程中往往出现频繁掉话、无法接通和话音断续等现象[1]。用户希望能够体验高速列车带来的便利生活的同时,也期待在高速铁路列车里享受无处不在的无线网络生活。这就需要将网络的优化提升到真正的“任意地点、任意时间、任意用”的高度。因此,高速铁路移动网络覆盖方案的研究迫在眉睫。本文通过在新建高速铁路沿线新建小区及加强铁路沿线覆盖来解决上述问题,提高通信质量。
2 高速铁路GS M网络现状和问题分析
现网的铁路覆盖大多采用城乡基站兼顾铁路覆盖的方式,在列车低速运行情况下是可以满足覆盖要求的。但当运行速度提到200~250km/h后,由于车速加快和车体衰耗的增大,则基本上不能满足要求。主要存在以下问题[2]:
(a)高速运行引起多普勒效应。
(b)小区重选切换混乱。由于重叠覆盖区不够,小区重选和切换滞后于信号衰减速度,造成无法占用最强信号,进一步恶化了覆盖。
(c)高速频率干扰以及信号快衰落。
(d)信号覆盖深度不够,无法达到切换边缘要求的信号强度。
(e)CRH密封性好,穿透损耗增大,将造成列车内场强相对普通列车变弱。
2.1 多普勒频移的影响
多普勒效应是指随着移动物体与基站距离的变化合成频率与中心频率之间产生偏移的现象。所谓多普勒频移是指在发射的射频(RF)载波和来自运动目标的反射回波之间的频率偏移,导致基站和手机的相关解调性能降低,直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。随着车速的不断提高,多普勒频移的影响也越来越明显。
多普勒频移的变化(见图1)由下式给出:
式中:
fd为多普勒频移;
f为载波频率(Hz);
v为火车速度(m/s);
c为光速(m/s);
θ(t)由下式计算:
多普勒效应广泛存在,普通低速度情况下效应不明显,但当列车速度超过200km/h的临界速度时,多普勒效应愈显突出,高速运行状态下用户通话时会产生一定的频移。使相同信号强度情况下用户通话质量恶化,从而引发话音断续、掉话等。
2.2 列车提速对重叠覆盖区的影响
小区切换带的设置主要和列车运营速度、小区重选与小区切换时间有关。因此高速铁路网络覆盖规划必须了解所规划铁路的列车最高运营速率。在GSM通信中,小区重选与小区切换需要一定的时间来完成接续工作。其中小区重选规则中,当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5s,手机将发起小区重选;若在跨位置区处,则邻小区C2必须高于服务小区C2与小区重选滞后值之和,且维持5s,手机发起小区重选和位置更新[3]。所以,小区的重叠覆盖区最少要满足10s的火车运行时间。按高速列车运营时速300km计算,建议设计重叠覆盖距离为市区内平均800m,市区外平均1056m。如表1所示。
2.3 高速频率干扰以及信号快衰落
GSM系统为频分复用系统,不同的频点在间隔一定复用距离后要重复使用。普通情况下,各小区主覆盖范围主控频点在安全复用距离内能正常使用。但是在高速运动环境下,主覆盖范围呈现扁平化特征,主覆盖范围沿铁路行驶方向明显扩大,从而引发了新的频率干扰现象。此外高速运动环境下信号覆盖强度可能在短时间内发生迅速衰减.使用户手机无法顺利切出,从而引发掉话。
2.4 高速列车车体穿透损耗的影响
为保证密封性,高速列车材质多为不锈钢或中空铝合金车体,一般穿透损耗为20d B左右。对于高速列车内的用户,相同条件下增加了12d B左右的穿透损耗。运营列车确定后,车体穿透损耗将是影响站点规划的重要因素,降低车体穿透损耗带来的影响,将大大减少站点的数量和改善网络服务质量[4]。
3 网络设计阶段
本文主要考虑采用以下4种方案解决高速铁路GSM网络覆盖。即专网覆盖方案、现网调整方案、基站专网方案和光纤拉远方案。
3.1 专网覆盖
专网覆盖是指专用频段。专门覆盖特定区域,只在进入和离开专网区域设置邻区关系。火车站一般是铁路专网覆盖的起始点,是专网与外网的过渡与衔接。火车站专网规划主要考虑候车室微小区和站台微小区的规划与设计。候车室整体人流较大,小区配置要求较高,可采用多个小区共同覆盖方式。候车室微小区与外网小区设置切换,使旅客进入候车室后,手机可以切换到专网。
3.2 现网调整方案
通过对现网既有基站进行调整,达到改善重选切换效率、增强覆盖的网络优化方法。常用天线调整、加装基站放大器、分裂专用覆盖小区及直放站等方式。现网调整方案中用于铁路覆盖的小区同时还会为铁路邻近区域的一些用户提供覆盖服务。
3.3 基站专网方案
利用基站设备建立覆盖高速铁路的专用网络。通过选择靠近铁路的基站,沿铁路方向安装高增益天线,实现链状覆盖;在参数上通过测量频点、相邻关系等设置,使列车上的用户只在专网小区上进行重选和切换,不进入大网,提高重选和切换准确性和及时性;只在车站等少量区域设置专网进出口,手机只能在这些位置进、出专网。铁路附近区域的用户一般情况下不能进入专网,由其他基站提供服务。
3.4 光纤拉远方案
利用GSM数字射频拉远系统实现单小区长距离连续覆盖的铁路专用覆盖网;在硬件设备上采用多个光纤直放站远端单元沿铁路线安装高增益天线来实现专用覆盖;在参数上设置高速列车运行时相关的相邻小区,实现高速准确的重选和切换。为了保证在射频拉远设备之间的重叠覆盖区域内不产生时间色散掉话现象,要求射频拉远设备具备时延自动调节功能。
3.5 四种组网方式的比选
3.5.1 四种方案技术特点及性能对比,如表2所示。
3.5.2 四种方案的适用场景
现网调整方案适合于现网基站布局,靠近铁路,便于通过功放、高增益天线等手段实现长距离覆盖的路段。
基站覆盖半径过小、邻区切换过于复杂且现网基站难以调整优化的路段,宜建设专网覆盖,利用专网覆盖距离远、切换关系少的特点,克服快速运动带来的频繁重选切换问题。建设基站专网时,必须保证铁路线附近居民用户有其他基站可以实现比专网小区信号更强的主覆盖。如不满足此条件,容易出现非列车用户占用专网的区域,此时由于用户运动轨迹及用户行为与专网用户不同,发生脱网或掉话。专网建成后,在一些专网信号较强的非专网区域,应设置相应的邻区关系,以降低掉话率。铁路专网建设的另一个重要的思路就是优化专网位置区设置,以减少专网内的位置更新量和路由区更新量,提高无线接通率。专网在设计中采用封闭方式,即专网与大网隔离,为不同的BSC设置统一的LAC和RAC参数。
光纤拉远方案由于单直放站站点覆盖范围有限,主要适合于解决城区覆盖信号混叠严重、铁路与居民区商业区距离短的区域。且在隧道、路堑内的弱场区由于安装条件差,可以采用光纤拉远设备结合漏泄同轴电缆方式覆盖。
4 京津城际铁路网络设计实施执行
自北京南站至天津站的京津城际轨道交通工程,是我国第一条开工建设的高等级城际快速铁路,设计速度350km/h,运营速度300km/h。京津城际轨道交通工程将京津之间的行程时间缩短至30分钟,并且在奥运会开幕之前正式投入使用,以满足奥运会期间的交通需求,为北京市率先基本实现现代化和举办高水平的2008年奥运会,实现新北京新奥运的战略构想发挥了重要作用。
京津城际轨道交通工程为双线电气化铁路。全线设有北京南、亦庄、永乐(缓设)、武清、天津5个车站,线路长度约120km,其中,路基总延长约19km(约占线路总长的15.8%),桥梁总延长101km(约占线路总长的84.2%),无砟轨道113.6km(约占线路总长的95%)。列车最高运行速度为350km/h,最小追踪列车间隔时间为3分钟。
全国铁路开始全面提速后,原来的普通列车全部由高速封闭列车“和谐号”取而代之。新型“和谐号”列车行驶速度高达200km/h(最终将提速至250km/h),车厢封闭性好、时速快、信号衰减较大,因此对移动语音会造成非常大的影响:覆盖率从原来的99%以上直降到84%左右,语音通话率从原来96%以上下降到81%左右,掉话率也从原来0%上升到25%,其他语音指标及数据业务指标均有不同情况的下降。如表3所示。
因此,在京津城际轨道交通工程无线规划中重点考虑各方面因素。
4.1 京津城际轨道交通工程无线规划中重点考虑因素
4.1.1 切换的位置
由于无线信号衰落的变化,在两个小区间会发生多次切换。当列车停在相邻小区的边界处时,会发生所谓的“乒乓”切换。考虑该现象,切换区域应该远离车站、列车停靠点等列车经常停靠的地方或是无线信号衰落极为严重的地区。基站设置在这些区域附近,也确保了这些区域有良好的覆盖。
4.1.2 覆盖重叠长度
相邻小区的覆盖重叠需要有足够的长度,才能确保高速环境下安全越区切换。两个小区在重叠区内的电平应大于所要求的最小接收电平-90d Bm。测量过程中,考虑了平均时间、切换执行时间和附加安全裕度自由空间传播条件下,覆盖重叠长度在777m以上,可以满足最高速度350km/h系统的安全越区切换。这样,允许第一次切换失败后(尽管很少发生),有足够的时间尝试再次切换[5]。
4.1.3 功率估算
对发射机与接收机之间的无线传播起支配作用的互易定理表明:上、下行链路的传输损耗应该相等,但两个传输方向的最大可能路径损耗是不一样的,因为基站和移动台的发射机、接收机有着不同的特点。预算中考虑的安全裕度包括:设备老化(基站、电缆、天线等),植被变化,对未考虑干扰因素的附加保护。衰落裕度包括:大障碍物(山等)阴影导致的大尺度对数正态衰落,和小障碍物(桥梁、建筑物、树木)阴影导致的小尺度对数正态衰落。小尺度对数正态衰落无法用传统的方法预测,只能用统计的方法(衰落裕度)来考虑。各种测量结果表明:阴影区的瞬时信号电平服从对数正态分布。
4.2 具体实施
铁路沿线GSM网络覆盖采用基站专网方案,利用线位附近原宏站站址,在原基站内部单独安装一套BTS,在平台上单独安装两副天线作为专网小区。由于直放站覆盖距离有限,光纤专网主要在市区配合基站专网建设,解决弯道及部分弱区。京津城际组网示意如图2所示。火车站专网规划:候车室由于整体人流较大,可以采用多个小区共同覆盖方式。同时候车室微小区应保证与外网小区的切换正常,保证旅客进人候车室后,手机能顺利占用专网信号。对于站台微小区,同一时刻仅可能在局部区域发生用户突增现象,可以采用一个小区单独覆盖。站台小区既要保证与候车室微小区的无缝切换,同时又要保证列车启动后乘客手机能顺利与后续专网小区进行重选/切换。测试后结果显示,当测试车速为300km/h时,覆盖率为99.3%,语音通话率为94.9%,掉话率为0.0%。“和谐号”与测试列车的对比如图3所示。
5 结论
本文采用了在高速铁路中综合使用四种方案的方式,使得整个网络具有不受大网规划影响、无大网切换关系、重选切换反应快、小区参数设置相对简单等优点。同时设置专网与既有大网间切换点在铁路线起始点,减少了专网内的位置更新量和路由区更新量,从而提高了无线接通率,保证较好的专网通信质量及用户感知度。总体而言,该方案在现阶段是解决公网高速铁路覆盖的一个比较好的思路。
参考文献
[1]韩斌杰.GSM原理及其网络优化.北京:机械工业出版社
[2]YD/T5104-2005.900/1800MHz TDMA数字蜂窝移动通信网工程设计规范.北京:北京邮电大学出版社,2006
[3]华为技术有限公司.GSM无线网络规划与优化.北京:人民邮电出版社
[4]张曙光.动车组与客运专线系统集成.北京:铁道经济研究,2007
高速铁路与铁路信号(一) 篇5
（一）【字号：大 中 小】
时间：2011-9-29来源： 中国通号网作者：傅世善阅读次数：16
52高速铁路促进铁路信号的发展
自武广350 km/h 的高速铁路顺利开通，以无线通信为车地信息传输系统的中国列车运行控制系统CTCS-3得到成功运用，200 km/h 以上的高速铁路网建设也已初具规模，中国铁路和铁路信号的面貌为之一新。高速铁路对铁路信号提出了很多需求，促进了铁路信号的大发展，无论从概念、原则、构成、技术上都发生很大的变化。较大的变化如下。
高速铁路的铁路信号系统从传统的车站联锁、区间闭塞、调度监督，发展为列控系统、车站联锁、综合行车调度3大系统。
铁路信号从以车站联锁为中心向以列车运行控制系统为中心转化。
列车运行调度指挥从调度员—车站值班员—司机3级管理向实现由调度员直接控制移动体（列车）转化。列车运行由以人为主确认信号和操作向实现车载设备的智能化转化。
车地信息传输从小信息量到大信息量，线路数据从车上贮存方式到地面实时上传方式。
信号显示制式从进路式、速差式，发展为目标-距离式；信号机构从地面信号机为主，发展为车载信号为主，甚至取消地面信号机。
闭塞方式从三显示、四显示的固定闭塞，发展为准移动闭塞。
列车制动方式从分级制动到模式曲线一次制动，制动控制方式从失电制动发展到得电和失电制动优化组合。信号设备从继电、电子技术为主，发展到信号控制、计算机、通信技术的一体化。车站联锁从继电联锁发展到计算机联锁，从传统联锁发展到信息联锁。
信号系统从孤立设备组成，发展到通过网络化、信息化构成大系统。
主流移频轨道电路的载频从600 Hz系列调整为2000 Hz，从少信息向多信息发展，数字化轨道电路的研究也取得初步成功。
轨道电路从在有砟轨道上运用，发展到在无砟轨道上运用。
站内轨道电路从叠加电码化向一体化站内轨道电路发展。
应答器和计轴设备广泛应用于信号系统。
道岔转换设备改内锁闭为外锁闭，提高转辙机功率，加大转换动程，改尖轨联动为分动，采用密贴检查器实现大号码道岔尖轨的密贴检查，对大号码道岔由单点牵引改为多点牵引，解决了可动心轨的牵引锁闭问题。
调度指挥系统从调度监督，发展到分布自律的调度集中，构建综合调度指挥系统，建设大型的客运专线调度中心。
高速铁路安全性要求更高，防灾报警系统纳入综合调度指挥系统，开始与信号发生联锁。
高速铁路要求开天窗维护，电务集中监测纳入综合调度指挥系统。
调度集中的安全等级提高，限速系统采用专门的安全通信通道。
信号系统采用的通信通道从传统的电线路，发展到光通信，从有线通信发展到无线通信，非安全通信通道用于信号安全领域。
故障-安全理念从传统的追求绝对安全，发展到以概率论为基础的安全性系统设计。
确立以欧洲铁路标准体系为参考标准，建立安全评估机制，通过第三方进行安全认证，对系统进行综合仿真与测试。
铁路现代化、信息化扩大了“铁路信号”的内涵, 铁路信号技术向数字化、网络化、智能化和综合化方向迈进。
350 km/h的高速铁路，是当今国际铁路技术的高峰。对铁路信号来说是一个重要的里程碑，CTCS-2和CTCS-3的成功运用，标志着中国铁路有了自已的列车运行控制系统，铁路信号重要装备水平开始进入了世界先进行列。
世界高速铁路展 篇6
模拟驾驶室感受风驰电掣
这台列车驾驶仿真器由西南交通大学智能控制与仿真工程研究中心研制。该中心的软件工程师王坤说，列车驾驶仿真器采用了计算机成像技术和高端显示设备来实现列车运行视景的仿真效果，并运用3D声音仿真技术来模拟列车行进中的各种声音。此外，这台仿真器的驾驶座下面还安装了6自由度运动系统，以模拟列车行驶和通过轨道缝隙时的颠簸，实现司机室的动感仿真。依托这些先进的技术，列车驾驶仿真器可以模拟中国国家铁路中的任意一条线路，并营造出雨、雪、沙尘、暴风雨等天气，全面考验司机控制列车的技术。
王坤告诉记者，在铁路系统中，列车驾驶仿真器通常被用来培训新司机。但事实上，这种仿真器也可以被安装在科普场馆里，让公众体验驾驶火车的感觉，从而拉近铁路系统与公众的距离。
会“放松”的机器人
马在高速奔跑的时候，可以放松身上与奔跑无关的肌肉，使有限的氧气能送到最急需的地方，从而实现长时间的快速奔跑。
这款拥有5个自由度的工业机器人，就从马的身上学会了“放松”的本事。它拥有“优先使用第一、二节”的内置程序，在狭小空间或者对近在咫尺的目标作业时，可以不必调动“全身”，只需动一动“头”便能完成任务，因而能有更高的效率。人们只要为它的机械手配上喷漆枪、水龙头等不同的工具，就能让它在铁路列车生产线上执行喷漆、洗车等任务了。
全国健康家庭行动在京启动
一项面向全国家庭展开的大型营养健康知识普及活动——“全国健康家庭行动”于12月7日在京拉开序幕。“健康家庭行动”旨在切实改善广大公众食物营养摄入的质量和结构，有效增强国民体质和疾病预防能力，全面提高国民生活质量和生命质量。
首都大学生纪念“一二·九”
12月8日，首都大学生纪念“一二·九”运动七十五周年座谈会在北京大学举行。
原轻工业部副部长、“一二·九”运动的亲历者余建亭前辈与来自首都40余所高校的200名青年学生一起，回顾了北平青年学生的爱国壮举和为抗日战争所作出的贡献。中共北京市委常委梁伟、共青团中央书记处书记卢雍政等领导同志为中国青少年研究会副会长黄志坚、团中央青运史档案馆副馆长叶学丽、北京大学哲学系教授王东、北京大学教育学院副院长李文利等与会专家颁发了《北京市学生联合会成才导师》聘书。
富士施乐50款产品获中国环境标志
低碳产品认证
近日，全球领先的文件管理专家——富士施乐获得由中华人民共和国环境保护部颁发的《中国环境标志低碳产品认证证书》，成为首批获得该项认证的企业之一。富士施乐的黑白/彩色数码多功能办公设备ApeosPort-IV C5570，ApeosPort-IV C4470等50款产品均成为环境部认证的低碳环保办公产品。这是富士施乐产品继获得节能产品认证、环境标志产品认证之后获得的又一绿色认证。
好莱坞官方网站首次报道朝阳规划艺术馆
首届3D技术与创意博览会
华纳兄弟公司前大中华区总裁艾秋兴和3Dchina有限公司总裁白强将携手合作促进中国3D电影技术，以期望摆脱好莱坞大片对中国蓬勃发展的电影行业和中国日益壮大电影爱好者的影响。近日，好莱坞官方网站首次对朝阳规划艺术馆进行了报道，同时表明前世界银行首席执行官Eliasoph支持中国3D电影推广。
随着《阿凡达》的热映，3D技术在全球都达到了前所未有的关注热度，3D影片也成为不少中国观众的喜好，而3D片源的缺少以及3D技术的相对落后则导致人们无法过足3D影片的“瘾”。该报道称，在政府的支持下，朝阳规划艺术馆举办首届3D技术与创意博览会，在可容纳250人的3D大剧场一次性为公众带来18部3D影片，并免费循环播放。
据好莱坞记者表示，华人导演阿甘的3D电影《堂吉诃德》在10月15日首演失败后，就迅速下线了。“中国的3D技术有很多地方已经赶上好莱坞了，但是票房的失利动摇了中国3D电影的信心。”艾秋兴说，另一方面，庞大的中国市场却让电影人对3D技术的尝试一直没有停止。
为了鼓励国内使用3D技术，朝阳规划艺术馆在博览会期间特意展示了名为《嗨，来自好莱坞》的短电影，是由美国南部加州大学电影系迈克尔Peyser教授和他的3D制作班的学生制作的。
本次博览会共吸引了近200名电影制片人、导演和学生，他们就3D技术和在行业内的潜在增长进行了会谈；同时针对电影故事的重要性，包括2D、3D的相关技术进行了讨论。
北京新的3D产品基地d+公司总经理张建龙表示：“大家都对３Ｄ产品感兴趣，但是它的工作流程现在还没有标准化，所以我们有足够多的空间提升。”该公司目前正在香港从事3D产业的工作，是博纳国际影业董事徐克翻拍经典战争题材影片《龙门飞甲》。
高速铁路覆盖 篇7
2007年4月18日, 全国铁路第六次大提速开始。除原有列车大部分提速外, 还新增“D”字头的动车组列车。2010年7月1日, 中国正式进入高铁时代, 高铁最高时速可达350km/h, 铁路总公司 (原铁道部) 引进了“中国高速铁路列车”CRH (China Railway High‐speed) 。列车材质均以中空铝合金为主。
然而, 现有的常规GSM移动通信网络支持的移动速度一般为200km/h, 列车运行速度大于200km/h时, 会存在穿透损耗、多普勒频移、频繁切换等问题。这些因素严重影响用户的通信质量, 网络性能和用户感知明显下降。
2 铁路提速后对网络的影响
2.1 参照《秦皇岛移动高速铁路无线覆盖测试报告》, 高速动车组在运行当中, 车内网络无线信号覆盖相比普通特快列车存在下列问题: (1) 无线覆盖率大幅降低; (2) 无线信号质量下降, 信号质量 (>5) 所占比例由2.8%上升为14.4%; (3) 接通率大幅降低, 由98.55%降为86.36%; (4) 掉话率大幅增加, 由1.47%增加为16.7%; (5) 移动终端脱网现象时有发生。
2.2 无线网络覆盖铁路指标下降的主要原因: (1) 重叠覆盖区无法满足要求 (2) 小区切换频繁; (3) TCH、SDCCH信道溢出; (4) 覆盖区域弱覆盖。
3 多普勒频移对高速列车覆盖的影响
多普勒效应的定义:当发射源 (基站) 与接收体 (移动用户) 之间相对运动时, 接收体 (移动用户) 接收到的发射源 (基站) 发射信息的频率与发射源 (基站) 发射信息的频率不一样, 这种情况称为多普勒效应。接收到频率与发射频率之间的差值称为多普勒频移。
多普勒频移公式:Fd=v/λ*cosθ=f*v/c*cosθ
其中, θ是无线电波入射方向与移动台运动的方向之间的夹角;v是移动台的运动速度;λ是移动台接收信号的波长;f为载波频率;c为无线电波传播速度。
3.1 由多普勒频移公式可知, 无线电波传播方向和用户移动方向完全垂直时, 不发生多普勒频移;方向相同时, 多普勒频移最大。所以分以下两种情况进行讨论。
3.1.1 移动台向BTS (基站) 方向移动, 速度为V。以GSM900MHz为例, BTS信号的频率定为f1, 由以上分析可知存在多普勒效应, 定义f2为移动台接收到的频率。移动台 (移动用户) 以f2-45MHz向基站发射信号, 基站接收到的频率为f3, 可以得到:
3.1.2 移动台远离BTS方向移动, 同理可得:
依据以上两种情况, 可得到移动台速度与相对频移变化之间的关系, 如表1所示。
3.2 由上述公式及分析结果可知, 多普勒频移主要取决于BTS与移动台对频移的承受能力范围, 针对这两个方面进行分析。
3.2.1 BTS对频移的承受能力
在3GPPTS45.005 (原GSM05.05) 中规定, 多普勒效应的存在, 对于GSM1800, 最大可承受径向时速为130km/h[1];对于GSM850/900系统, 最大可承受径向时速为250km/h。该最高速度和手机设备、基站有关。在上行, 大多数BTS接受端接收到的GSM900信号, 可承受时速高达500km/h的移动台。
3.2.2 移动台克服多普勒效应方面的性能
前面我们讨论过, 对于GSM850/900的BTS设备可承受最大径向时速为250km/h, 也就是可满足现在大部分高铁的速度要求。对于下行, 因受到不同的限制, 不同的手机供应商内部算法不一样, 要求也不相同。
如上所述, 移动终端对多普勒频移的抑制能力决定了GSM系统的状况。移动终端 (手机用户) 对多普勒频移的抑制能力如表2所示。
如表2所示, 移动端速度达到300km/h时, 移动端对多普勒频移是可以抑制的。
4 基于“基站+村通宝”的专网解决方案
4.1 技术特点
4.1.1 提高铁路沿线基站载频利用率
铁路沿线环境特殊, 对基站的选址要求十分苛刻。传统的基站选址方案存在成本高、选点难、零星盲区多等问题。铁路覆盖受地势地貌等因素影响较大, 虽然许多铁路区域可由附近基站覆盖, 但仍存在载频利用率低的问题[2]。若在高铁附近的基站上加装村通宝系统, 能够经济、快捷、有效地提高铁路沿线的基站载频利用率。
4.1.2 扩大覆盖范围
在解决边远区域话务量稀少大面积信号覆盖问题上, 村通宝系统的优势更加显著[2]。铁路沿线面积广、用户分散、话务量低, 传统方法需新建多个基站、优化网络、投资成本大, 维护困难, 覆盖范围也不理想。新方法只需在需要覆盖区域内附近, 找一个地理位置较高的基站, 加装村通宝系统, 既解决高铁沿线话务量稀少大面积信号覆盖问题, 又大大降低硬件投资和维护成本。村通宝覆盖示意图如图1所示。
4.1.3 提高基站信号接收灵敏度
900MGSM村通宝系统 (四端口) 对移动网络基站 (BTS) 的上行支路配置了低噪声放大器, 以实现上行信号的分集接收。低噪声放大器具有50d B的最大增益和1.6d B的噪声系数, 大大提高系统灵敏度。
4.2 覆盖思路
高速铁路现网无线覆盖方案应立足于在保证覆盖质量、满足高速列车内正常通话需求的前提下, 降低覆盖成本, 提高投资收益。根据高铁沿线不同现网小区覆盖情况, 提出各种有针对性的解决方案。
4.2.1 现网基站分布密集区域, 仅在高速铁路上存在少量弱覆盖区域或覆盖重叠深度不够区域, 可通过调整基站发射功率、更换高增益天线、调整天线方位角等措施予以解决。
4.2.2 高速铁路弱覆盖区域附近有现网基站, 且有较高话务需求的, 可通过分裂出第四小区专用于高铁覆盖来解决。
4.2.3 高速铁路弱覆盖区域附近有现网基地, 话务需求较低, 或现网基站为全向站的, 可通过加装村通宝设备来增强现网小区的覆盖能力。
4.3 第四小区覆盖方案
对于高铁第四小区, 为减少移动端的重选次数与避免小区切换, 硬件上要求每个小区要充分覆盖如图2所示两个方向。
4.3.1 分裂第四小区的适用条件和注意事项
4.3.1. 1 宜选取高增益 (21d Bi) 窄波瓣天线, 增强第四小区的信号, 减少高速铁路以外信号覆盖的需要[3]。
4.3.1. 2 对于话务量密集, 信号杂乱, 小区重选切换频繁的区域, 可较好地避免由此造成话务切换失败。
4.3.2 在分裂第四小区中存在的问题
4.3.2. 1 分裂第四小区来覆盖高铁的方法必须增加至少一个载频和一个BCCH频点, 因此对于载频板和频率资源不充裕的地区, 实现起来有难度。
4.3.2. 2 增加第四小区后必须重新规划频率, 并相应修改邻区关系。
4.4 沪宁铁路试点
试点选用庙朗R和新安东R高铁专网覆盖基站, 两站之间间距较长, 具体参数如表3所示。
分别在庙朗R和新安东R站增加一套村通宝进行覆盖, 设备连接如图3所示。
由于采用基站+村通宝覆盖方式, 天线有效输出增大, 覆盖区域的覆盖场强提高。
4.4.1 理论分析
以基站输出40d Bm为例, 通过40d B耦合器耦合基站信号, 通过村通宝放大, 可调整村通宝增益为45d B (最大下行增益为49d B) 。
采用基站加村通宝覆盖方式, 可以使两个覆盖天线分别有3.3d B和8.5d B天线入口功率的提升, 有效提高覆盖区内的手机接收场强。
4.4.2 覆盖效果对比分析
4.4.2. 1“基站+基放”覆盖方式
测试车次为苏州开往无锡方向的D412、CHR2型车, 测试时手机放置在临窗座位的小桌板上。从测试结果来看, 基站覆盖下新安东R站到庙朗R站之间Rx Lev在‐84d Bm以上, 新安东R和庙朗R站TA值最大为5。
4.4.2. 2“基站+村通宝”覆盖方式
测试车次为苏州开往无锡方向的D440、CHR2型车, 测试时手机放置在临窗座位的小桌板上。从测试结果来看, 基站覆盖下新安东R站到庙朗R站之间Rx Lev在-80d Bm以上, 整体有所提高。并且通过村通宝的补充覆盖, 也同时提高了覆盖区域的信号质量。
新安东R站TA值最大为6, 庙朗R站TA值最大为3。由于新安东R站基站距离铁路线较近, 并且覆盖角度和铁路成径向方向, 因此村通宝的使用扩大了其覆盖范围。与此同时, 庙朗R站的覆盖范围有所收缩, 主要是因为受到天线角度的影响。
5 小结
“基站+村通宝”主要是提高深度覆盖率、切换成功率, 改善通话质量, 对网络指标的优化与改善有很大的帮助。采用“基站+村通宝”的方式对铁路沿线覆盖能够有效地提高载频利用率, 节省基站载频, 大幅提高覆盖效果。
参考文献
[1]虹信通信.GSM系统高速铁路无线通信覆盖分析[J].烽火技术, 2009 (11) :06-10.
[2]钟杨斌.基站覆盖延伸系统在无线网络覆盖优化中应用研究[D].北京.北京邮电大学, 2008.
高速铁路覆盖 篇8
本文根据高铁特点从GSM移动通信网络的信号强度和切换区域设置等方面分别针对高铁车站、高铁区间和隧道三种特定场景讨论GSM移动通信网络高速铁路覆盖的设计思路。
1 高速铁路对网络影响分析
1.1 网络信号强度
在高速铁路的车站和铁路沿线GSM网络都存在严重的弱信号弱覆盖现象, 主要体现在以下几方面。
高铁车站内由于建筑物对信号的屏蔽阻挡作用室外信号在室内快速衰落, 室内成为信号覆盖弱区, 部分区域例如地下通道等区域成为覆盖盲区。
高铁车辆采用铝合金或不锈钢材料制造列车具有良好的屏蔽性, 导致G S M信号穿透损耗较大, 使车厢内成为弱覆盖区。高铁车厢损耗数据见表1。
铁路沿线弱覆盖现象严重。目前G S M移动公网在铁路沿线的室外信号强度平均为-80dBm左右, 经过车体穿透损耗信号强度为-100dBm左右。因为弱覆盖导致车厢内的通话质量差。
GSM信号在隧道内传播时受隧道狭长空间影响, 信号发生多重折射, 隧道内基本为信号弱覆盖区或盲区。
1.2 切换
旅客进出车站和列车进出车站时移动用户需要在多个覆盖小区间进行切换。
由于列车的高速移动对切换重叠覆盖区的要求提高, 高铁线路区间G S M网络重叠覆盖区过短导致切换成功率下降。
高速移动导致手机用户频繁位置更新, 同时用户集中使沿线基站易发生信令拥塞。
通常铁路沿线隧道较长隧道内一般存在两个扇区信号, 因此进出隧道时会发生切换而列车的高速移动容易导致切换失败。
2 设计思路
针对高速铁路对G S M网络的影响分析, G S M网络必须实现深度覆盖和具有较长的重叠覆盖区域才能在高速移动的情况下保证其网络质量。由于高铁呈带状的运行环境和GSM移动网络常规的蜂窝状网络构成方式的差异, 如果单纯通过调整既有GSM移动网络很难解决高铁覆盖问题, 因此采用专门组网的覆盖思路, 将铁路列车考虑为一个话务流动用户群, 为其提供一条服务质量良好的覆盖网络, 用户群从车站出发, 直至抵达目的站, 用户都附着在铁路小区网络上, 发生的话务/数据流也都为铁路小区吸纳, 到达火车站后, 重选/切换至车站或周边小区, 实现为用户提供优质铁路覆盖服务。
备注:测试数据来源于上海移动高铁测试数据。
2.1 高铁车站设计方案
2.1.1 室内布线系统
根据G S M移动通信网络建设标准, GSM室内信号覆盖强度一般为-75dBm, 边缘值为-85dBm。为了达到室内深度覆盖的要求在高铁车站可以采用室内布线系统。室内布线系统包括天线、功分器、耦合器、射频电缆以及功率放大器等设备。通过室内布线系统可以达到GSM网络室内信号强度要求, 有效消除覆盖弱区和盲区。
2.1.2 火车站的切换
由于火车站是用户进入高速铁路GSM移动网络的出入口, 因此在高铁车站切换主要需要考虑两个方面的问题:移动大网与高铁专网之间的切换和高铁专网内部之间的切换。根据火车站建筑结构特点两种切换分别设置在火车站站前广场和火车站站台。火车站切换区如图1所示。大网与专网A之间存在切换关系, 专网A与专网B之间存在切换关系, 大网与专网B之间不存在切换关系, 这样的切换设置可以保证旅客进入车站后占用高铁信号, 实现高铁车站的切换过渡功能。
2.2 高铁区间设计方案
2.2.1 基站+射频拉远组网
为了减少高速运行列车上的小区切换, 尽可能延长单小区的覆盖距离, 采用基站+射频拉远单元的组网方式。同时为了减少铁路沿线小区位置更新的数量, 沿铁路线设置线性位置区, 使覆盖铁路的小区处于同一个位置区。区间组网如图2所示。
2.2.2 相邻小区重叠区域设置
G S M通信事件中, 小区重选与小区切换需要一定的时间来完成接续工作。其中小区重选规则中, 当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5s, 手机将发起小区重选, 若在跨位置区处, 则邻小区C2必须高于服务小区C2与C R H设置值的和并且维持5s, 手机发起小区重选和位置更新。而在小区切换过程中, 通常测量报告在经过设定的S A C C H窗口值平滑后, 经B S C判断, 将发起小区切换, 而整个切换的时间取决于SACCH的设置值, 该值通常设为8。列车运行在两小区覆盖区域时, 从A小区运行至B小区, A小区的信号越来越弱, B小区的信号越来越强, 切换时长为5s, 则重叠区长度为:S=V×2T, 其中V是列车运行速度, T是切换时长。按照列车最快运行速度350km/h计算, 则覆盖长度为972m。
2.3 高铁隧道设计方案
2.3.1 泄漏电缆
采用泄漏电缆进行隧道覆盖是目前比较常用的一种方式。采用泄漏电缆的优点是可以使信号在隧道内均匀分布。同时与安装八木天线或板状天线等定向天线相比, 采用泄漏电缆可以有效降低隧道内施工难度。而从长远角度考虑, 泄漏电缆的宽频特性也为今后其他系统接入预留平台。
2.3.2 隧道口的切换
为了避免用户在隧道内发生掉话等, 切换宜设置在隧道口。通过在隧道口安装定向板状天线将隧道内信号引出, 在隧道外设置满足相邻小区切换条件的重叠覆盖区。
高速铁路GSM移动通信网络覆盖工程是一项复杂的系统工程, 高铁特殊的无线传输环境决定了其网络的特殊性, 在具体设计中, 在着力解决覆盖深度和切换问题的同时应进一步考虑专网与大网之间的优化问题, 减少对大网影响的同时充分利用既有网络资源从而降低建设成本。
参考文献
[1]王文博.移动通信原理与应用[M].北京邮电大学出版社出版.
[2]吴克非.中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[M].中国铁道出版社出版.
[3]高速铁路现网技术优化方案.中国移动广东分公司.
[4]高速铁路专网设计与优化.中国移动上海分公司.
铁路隧道无线网络覆盖与实施探讨 篇9
对重要的公路、铁路实现全线覆盖是运营商提高网络质量的一个重要环节，是提高综合竞争力的一个有力手段。从交通角度来看，目前大多数隧道的目的是覆盖盲区，因此需要结合交通线路的覆盖设计来制订专门的隧道覆盖解决方案。
隧道覆盖主要分为铁路隧道、公路隧道、地铁隧道等，每种隧道具有不同的特点，一般来说公路隧道比较宽敞，对隧道里面的覆盖状况，有车通过与无车通过时差别不大。车辆通过时，隧道内剩余空间较大，可根据实际情况选择尺寸大一些的天线，以获取较高的增益，使覆盖范围更大。而铁路隧道一般来说要狭窄一些，特别是当火车经过时，被火车填充后所剩余的空间很小，火车对隧道的填充会对信号的传播产生较大的影响，且天线系统的安装空间有限，使天线的尺寸和增益受到很大的限制。另外，不管是哪种隧道，都存在长短不一的状况，短的隧道只有几百米，而长的隧道有十几公里。在解决短隧道覆盖时，可采用灵活经济的手段，如在隧道口附近用普通的天线向隧道里进行覆盖。但是，这些手段可能在解决长隧道覆盖时不起作用，对于长隧道的覆盖必须采取其它一些手段。因此，对于每段隧道的解决方案可能都会有所区别，必须根据实际情况来选定覆盖解决方案。
2 隧道覆盖方案
赣龙铁路于2005年10月1日投入试运行，为在轨运行国家一级单洞单轨型铁路，福建段设计时速105 km/h，其复线建设项目也于2009年开工建设，按城际客运兼货运铁路三线功能定位，按一次双线电气化、时速200 km设计建设。蛟洋隧道为目前福建省在运行的最长铁路隧道，距离上杭火车站1.5 km，隧道高6 m、宽4.88 m、全长共7 kmㄢ
2.1 信源及覆盖方式的选择
对于如此长距离的隧道，需要较多的有源设备进行覆盖，在信源选取方面，本方案采用专用小区，利用GRRU进行覆盖;考虑到列车的话务，以及隧道口的切换，将吸纳一部分隧道外的话务，基站配置4CH。由于蛟洋隧道内属于信号盲区，电磁环境比较纯净，对列车内的覆盖场强要求不需要很高，考虑到覆盖余量，隧道内覆盖边缘场强设定为-90 dBmㄢ
通常隧道覆盖方式主要有两种：泄漏电缆方式以及天线覆盖方式，考虑蛟洋隧道已在轨运行，泄漏电缆施工难度较大且造价极高的实际情况，本方案采用天线覆盖方式覆盖。
2.2 影响隧道覆盖的因素
隧道长度、隧道宽度、隧道孔数(1、2)、覆盖概率(50%、90%、95%、98%、99%)、隧道结构(金属、混凝土)、载频数目、隧道中最小接收电平(一般为-85 dBm到-102 dBm)、隧道孔间距、AC/DC是否可用、墙壁能否打孔、隧道入口处的信号电平、隧道内部已有信号电平均会影响隧道覆盖实施。
不同的列车车体，对无线信号的穿透损耗各不一样，目前在我国主要有普通列车、CRH1(庞巴迪)、CRH2等车体，其损耗值可参考表1，本方案考虑到未来的列车发展趋势，按当前车体损耗最大的CRH1的车体进行设计，以保证足够的余量(由于隧道覆盖的特殊性，后期很难再进行整改或二次施工)。
列车运行速度直接影响小区间的切换时间，以及对隧道口与室外大站的重叠覆盖区间的大小，当前我国运营列车的速度有三档，见表2：本方案按250 km的时速进行设计：
2.3 进出隧道口的切换考虑
列车进出隧道时，隧道内的信号与室外大站的信号必然要发生切换，只有保证进出洞口时，洞内洞外的信号能顺利切换，隧道覆盖才有意义。本方案切换点选取在隧道外，保证列车在进入隧道前或者出了隧道后完成小区切换。
高速列车运动速度快，最高时速为250公里，所以对网络的切换重叠区域要求高，其切换重叠区域计算如下：
列车运行在两小区覆盖区域时，从甲小区——>乙小区，甲小区的信号越来越弱，乙小区的信号越来越强，从C点手机开始启动切换计时，切换时长为5秒，重叠覆盖区域场强高于-90 dBm的列车运行时间需大于10秒，列车运行设计时速为250 km/h，则场强重叠区长度为：S=V×T= (250 000/3600) ×10=694 m。
切换情况分析如图1所示：
图中：c点移动台启动越区切换测量计算，a、b点为不同方向移动台完成切换时间，切换在c—b(或c—a)段完成，需要两个小区信号重叠覆盖区域为694米，场强大于-90 dBm，即可保证小区间的顺利切换。
为保证高速列车在进出洞口的顺利切换，可通过在隧道口顶部安装天线高增益天线实现切换过渡区;并保证足够的天线口功率(20 dBm以上) ;
2.4 时延窗口及时间色散的考虑
根据GSM网络时隙保护要求，每个基站最远覆盖距离为35 km。由于信号在光纤传输中存在时延，加上光纤拉远设备的时延，光纤最大拉远距离不超过18 kmㄢ
G S M手机接收机的均衡器最大能均衡4 b i t，当接收到不同路径的同一信号时间差大于4 b i t时(即4*3.7=14.8μs)，且两个路径的信号强度相差<12 dB时，均衡器无法识别，将造成质差掉话现象，这种现象称之为时间色散现象。
时间色散可能产生在基站与光纤拉远的重叠覆盖区、光纤拉远设备间的重叠覆盖区。
(1) 基站与光纤拉远间的时间色散
(1) L< ( (14.8*10-6-t直) *3*105-1.5d) /2.1
(2) 假设基站与光纤拉远之间的光纤路由为直线距离，即d=0，则不产生时间色散的最大距离L为1.8公里。
(3) 假设基站与光纤拉远之间的光纤路由绕行长度为1公里，即d=1，则不产生时间色散的最大距离L为1.1公里。
基站与光纤拉远之间相对位置如图2所示。 (2) 光纤拉远与光纤拉远间的时间色散
(1) │T1-T2│=│tL2-tL1+ (tL4-tL3) │>14.8μs时, 会产生时间色散现象。
(2) 采用具有时延自动调整功能的设备(GRRU)可以完全消除远端设备之间产生的时间色散现象。
光纤拉远与光纤拉远之间相对位置如图3所示。
3.5技术以外的因素
(1) 铁路部门的配合与支持
(1) 铁路属于安全级别很高的部门，铁路部门的配合与支持是工程实施的前提;
(2) 铁路部门配合主要包括：办理施工许可证、开设施工时间窗口、施工用电、提供设备安装位置、提供设备取电、设备安全保障、后期设备维护检修等因素。
(2) 电源的解决
(1) 铁路沿线中继机房内有24小时不间断电源。铁路中继机房一般设置在隧道外部，对于较长隧道，隧道内每隔1.2 km有一个中继机房;与铁路部门协调从中继机房内取电;
(2) 从中继机房至主机的电源线沿隧道内的电缆沟走线。
(3) 隧道内设备的安装
(1) 隧道两侧每隔60米左右有一个避车洞，设备可安装在避车洞内;
(2) 设备与中继机房安装同一侧, 以便取电方便。
(4) 天线的安装
(1) 天线用支架固定在隧道侧壁，距铁轨高度为3.5米，方向与铁轨方向平行;
(2) 馈线沿隧道壁水平安装，每隔1米打一个卡码，距铁轨高度为3米;
(3) 无源器件(功分器、耦合器)用支架固定在隧道侧壁，距铁轨高度为3米;
(4) 隧道内的无源器件均需做好防水措施;
隧道内无源设备安装位置如图4所示。
(5) 安全因素
(1) 人身安全及设备安全，电气化区段要注意保持与接触网的距离;注意铁路通信设备的安全。
(2) 铁路列车通过频繁，行车干扰严重。列车通过时危险性较大，施工时要特别注意安全。
(3) 铁路部门每天晚上均有1小时左右作为检修窗口时间，施工时可利用每天铁路检修窗口进行施工;
(4) 施工时需与铁路部门协商制定施工方案及规范，必要时请铁路专用施工队施工;
3.6方案实施
本方案在蛟洋隧道附近的上杭坪埔基站新增一个4个载频扇区作为其独立使用的载波池，采用7套GRRU数字射频拉远系统设备经光缆拉远到蛟洋隧道内均匀分布进行覆盖。组网方式为GRRU星形菊花链+普通八木天线，组网系统原理图如图5所示。
(1)隧道内电力引入解决方案
根据铁路隧道内电力系统布置，隧道一侧已布放了交流强电线路，另一侧为弱电系统线路的布放，铁路局要求按强弱电线路分开原则，本次通信设备不允许与电力线路同侧建设，若需使用铁路局隧道内电源，需有跨轨管道，但未建有跨轨管道，故无法使用铁路系统隧道内电力线路。此外，铁路局处于其自身安全和修维角度考虑，也不同意共用其电力线路。为此，为解决隧道内GRRU设备220V交流用电问题，本方案采用从隧道外两端配电机房分别向隧道内各GRRU设备进行长距离专线级联引入，电力线路引入长度分别为3公里和4.5公里，考虑其长距离电压衰耗必将造成远端供电压会过低影响，电缆材料选用了3×25mm2铠装电缆(其中一根为保护地，因隧道内无法进行接地，需从外部引入接地，在隧道口新建接地网)。
本项目除GRRU主设备外，电力电缆材料费约占总投资比82%，是本次工程的主要支出。为此，通过本次试点，为有效降低建设成本，后续的高铁隧道覆盖建设，必须提前介入，与铁路局进行充分协商，需使用其隧道内铁路贯通电源，同时在铁路施工时必需预先做好跨轨管道的预埋，避免电力线路需另外从外部引入，以大大降低隧道覆盖建设成本。因隧道内避车洞空间有限，铁路局要求尽可能减少占用空间，本次GRRU主设备不采用-48V直流供电，而采用了直接的220V交流供电工作方式，同时也未采用蓄电池、UPS等后备电源设备，达到尽可能减小电源设备对避车洞内空间的占用。
(2) 隧道内GRRU设备安装解决方案
根据蛟洋隧道内避车洞的分布，本方案分别将远端设备安装在位于90米、1110米、2310米、3510米、4650米、5850米、6870米的避车洞内，主机安装于隧道内避车洞内，距地面1.5米处。每台GRRU主机配2根11d Bi增益的八木天线，分背向前后打覆盖方式，馈线沿隧道壁水平安装;距铁轨高度为3米;天线安装距铁轨高度为3.5米。近端机则安装在隧道外附近的上杭坪埔宏基站机房内。
3 覆盖效果
3.1 开通GRRU前隧道手机信号情况
开通GRRU前，蛟洋隧道内仅两端洞口近100米有信号覆盖，100米后信号电平急剧衰弱直至无覆盖，为隧道两洞口坪埔基站和西山下中心坑边际站经反射飘移到洞内的信号，火车经过时可忽略不计，隧道内覆盖率接近0%.
3.2 开通GRRU后隧道手机信号情况
GRRU开通后，无火车通过时，洞内信号场强基本可保持在-25 dBm至-60 dBm，经乘火车现场测试(时速80公里)，在蛟洋隧道内，接收场强基本在-85 dBm以上、通话质量大部分为0级，蛟洋隧道全长7公里，覆盖率100%，能满足铁路隧道内手机的正常通话需求，达到预期效果。具体路测效果如下:
(1) 手机接收电平
开机后接收电平路测如图6所示。
GRRU数字射频拉远系统开通后，在蛟洋隧道区域覆盖率从原来的盲区已经达到完全可以通话，且手机接收电平大于-85dBm区域大于96.77%，覆盖效果良好。
(2) 通话质量
开通后手机通话质量如图7所示。
GRRU数字射频拉远系统开通后，在蛟洋隧道区域覆盖率从原来的盲区已经达到完全可以通话，且手机通话质量为0的覆盖范围为98.44%，覆盖效果明显。
(3) 隧道内为同一小区，隧道内不存在切换
同一小区路测如图8所示。
GRRU数字射频拉远系统开通后，在蛟洋隧道长达7公里区域内全部占用同一小区(坪埔-4)，在入隧道以及出隧道处均能够正常切换，避免了在长隧道内的因频繁切换而导致的掉话。
3.3 邻小区的切换成功率、掉话率情况
GRRU数字射频拉远系统开通前后的相邻小区的切换成功率对比如图9所示。
从上面的对比图中可以，开通GRRU数字射频拉远系统后，周围邻区的切换成功率有了明显的提高。
掉话率对比如图10所示。
从话统数据分析，在火车经过隧道时刻，坪埔-4小区会出现一些掉话现象，但是从整体覆盖效果来看，开通GRRU数字射频拉远系统后，隧道内的信号覆盖得到了明显改善。
4 结束语
在运行铁路隧道覆盖建设协调困难，施工难度大，安全管理难度大。建议对在建铁路，特别是高速铁路，必须与高铁建设同步进行，确保在铁路运行前完成隧道内光缆、电力、天馈线或分布系统的布放与安装，以减小现场施工难度。
隧道内无接地点，需从隧道外另行建地网并引入，否则洞内设备无接地保护。
对在运行铁路，如何解决长隧道内设备的供电是隧道覆盖建设的关键，因无跨轨管道，只能从隧道外部引入，需选择合适线径的电缆，经测算，电缆线在两公里内可选择16 mm2线径的电缆，2～5公里长的电缆可选择25mm2，同时为减小供电线路的长度，减小长距离供电造成的电压线损过大问题，需采用从隧道两端分别引入方式。
因避车孔洞空间有限，铁路局一般都会要求尽可能采用占用空间较小的设备，以免丧失避车孔洞原有人员紧急避车的功能，隧道内不宜安装直流开关电源或后备电源等设备，洞内设备一般只能采用220 V交流直接供电方式。
隧道内采用一个扇区信号进行覆盖，可有效提升切换成功率。载波池需独立使用，不能与现有扇区藕合使用，避免隧道内外相同扇区信号重叠覆盖，但两相同扇区信号时延不同，引起相互干扰。
隧道内可使用11 dBi增益的八木定向天线而不采用整个隧道布放泄漏电缆方式，以降低建设成本及减小现场施工难度。另外，采用八木天线容易安装，并能减小火车通过时挡风压力。经测试，本次试点中为普通列车，整列火车长度一般都会长于今后的高速列车长度，在不考虑时速的情况下，普通列车车箱内信号电平衰耗会大于高速列车的衰耗，另外，高速铁路隧道一般都为单洞双轨方式建设，隧道内空间更大，更有利于信号的穿透，隧道内GRRU的布置密度需控制在1 000米左右，基本可满足今后的高铁隧道内覆盖需求。
如隧道覆盖要同时实现CDMA信号、WCDMA信号及部分热点区域的WLAN信号的覆盖，由于隧道覆盖一般均采用拉远设备，可在GRRU旁边加装相应的RRU或AP，在天线接入端增加多频合路器，天线方面采用支持相应频段的宽频天线即可方便地实现多系统的接入。当然，多系统的接入还需兼顾不同频率的信号在馈线及空中的不同衰耗特性、CDMA系统的呼吸效应、合路损耗、互调干扰、信源功率。另外，若隧道弯多及弯度大则采用定向天线覆盖效果可能不太理想，是否需采用泄露电缆，诸多方面因素需加以综合分析。
参考文献
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高速铁路覆盖 篇10
1 基站切换机制
GSM-R系统用户在切换时需经历采样、判断、触发、执行、完毕5个过程。其中采样时间每次为480 ms;判断时间取决于当前接入基站的忙闲程度;触发条件是6次采样值的平均值满足切换电平;执行过程时间取决于基站的忙闲程度;完毕是GSM-R基站给列车机车台返回命令Handover Command Complete, 表明当前切换完成, 接入新基站的无线业务信道 (TCH) , 上一个基站的TCH业务信道释放。
据工程测试, G S M-R系统用户整个切换过程在300 ms内完成, 但GSM-R基站切换是硬切换, 切换过程中所有语音、数据业务将中断。为保证GSM-R无线信号20 s无故障传输, 即GSM-R系统在20 s内无切换, 20 s后若切换故障, 用户仍能继续切入或切回可用TCH, 所以工程中需满足GSM-R系统用户2次切换成功率。对列车时速为350 km的高速铁路, GSM-R基站布置间距需在2.5 km以上, 以确保GSM-R无线信号20 s无故障传输。
2 铁路枢纽内既有基站分布情况
以太原铁路枢纽为例, 枢纽内无线系统采用GSM-R数字移动通信设备, 且已开通的工程有石太高速铁路、太中银铁路 (见图1) , 其无线覆盖均采用单网覆盖方式, 最大基站间距为3.633 km, 最小基站间距为1.94 km, (见表1) 。随着城市发展, 太原铁路枢纽内沿线环境发生较大变化, 新修多处高层建筑, 对GSM-R系统无线覆盖造成了不利影响。
3 枢纽GSM-R无线子系统方案
3.1 枢纽内铁路线位情况
枢纽地区线路主要有“人”字形交叉与“十”字形交叉2种, 交叉的不同线路GSM-R基站可能连接自不同的MSC或BSC, 甚至有可能属于不同调度台。在太原铁路枢纽中, 石太高速铁路属于北京客专调度所, 大西高速铁路属于西安客专调度所;两条线路在太原北以上区间呈“人”字形交叉, 导致从太原枢纽驶出到石太、大西高速铁路的列车机车台原本应该向本线的GSM-R基站通信, 却连到对方基站, 造成调度命令、车次号无法交互, 威胁行车安全。
当枢纽线路为“十”字形交叉时, 驶入相交点的列车机车台会接入信号较强的基站, 而非其本线基站, 这样也会出现线路的接入错误, 影响行车安全。
3.2 既有GSM-R无线子系统方案调整
为防止列车机车台误连其他基站, 在交叉点处将所有存在信号的基站整合成同一个基站。列车机车台驶入交叉区域, 接入整合基站;驶出交叉区域后, 再与行使方向的下一基站作切换, 以保证列车与调度的顺利通信。
整合交叉点基站可将涉及的基站均迁改到交叉点处, 该处新设一套同站址双网站型基站, 接入其中某一个线路的移动交换中心 (MSC) 、基站控制器 (BSC) 中, 用交叉点基站与各线以远基站做切换。若交叉点涉及的基站单网线路基站距交叉点大于2 km, 交织线路基站距交叉点大于500 m, 就会造成各线交叉点基站距正线基站太远, 场强不能满足切换要求。而且迁改需要新建、调测、割接多条线的多个基站, 可能影响本线其他车辆正常运行, 方案可行性差。
若非同站址双网站型方案, 可将涉及交叉点处信号的基站一起改造为分布式基站, 即将基站的基带信号与频带信号分离, 用基带处理单元 (BBU) 设备处理基带信号, 用射频拉远模块 (RRU) 射频远端站将信号通过天线发射出去。BBU与RRU间用主备2根光纤连接, 两设备光纤最远可达18 km, 同一个BBU所带RRU共同实现1个完整基站功能, 无论RRU被拉到多远使用, 它的逻辑、频点等基站参数不变。利用分布式基站, 从交叉处3或4个基站中, 根据异地容灾备份原则, 选取不同线路的2个点放置BBU, 原各线基站所在点每处新设2套RRU, 接自不同的BBU。选取其中一组BBU-RRU为主用分布式基站, 其余一组备用, 设置备用比主用信号低6 dBm。当主用分布式基站发生故障时, 备用基站仍能完成列车通信。RRU的输出功率为40~60 W, 等同于原始基站, 在不改变原始基站位置、天线挂高、机房机柜数量的前提下, 可解决列车交叉区段误接入问题。具体解决方案可根据原基站位、工程要求等选取。
3.3 弱场解决方案
太原站以北地区虽然满足单网交织最低基站间距, 但存在3.633 km的长距基站。交织覆盖要求在单点基站故障情况下, 前后2个基站可以覆盖站区域, 且保证设计场强大于92 dBm[1]。在这个要求下, 3.633 km的基站间距很难满足单点故障要求。而且, 在线路两侧已经兴建了诸多高层住宅楼, 势必影响基站场强交织覆盖。
解决方案是在该区段增加4处直放站远端机, 其中2个在弱场区间, 2个与基站同址设置, 靠近基站的2个远端机主控信号均连接自本侧基站, 从控信号接自对侧基站, 中间2处直放站远端机做切换。为抵抗更远基站故障, 将补强区间两端基站去掉直放站侧天线, 保留另一侧天线 (见图2) 。
在此区段还可通过分布式基站解决弱场问题。在基站点位处设置2处BBU, 在中间2处直放站中间点位选1处放置2套R R U, 连接两侧BBU。RRU属于数字信号设备, 对于光纤与空间波形成的色散时延可以通过时隙调整补偿, 故RRU与BBU的间距只要在光纤距离范围内即可。又因RRU与BBU间通过主备2根光纤连接, 在线路左右两侧各敷设一条8芯短段光缆, RRU的主备2芯各位于两侧的光缆中。
太原站以南主要有太原南、新鸣李站和动车段等站段。太原—太原南站间最短基站间距为1.94 km, 但因该区段为大型客站间联络线, 车辆速度等级很低, 小于120 k m/h, 故满足20 s无切换列控系统要求。太原站以南其他基站间距最大3.382 k m, 最小2.5 k m, 存在连续2.5, 2.6, 2.7 km站间距。连续2.5 km左右站间距20 s无切换要求, 但是要求机车台一次切换成功, 否则一处切换延迟就会造成下一处切换距离缩短, 增大20 s内切换的概率。
为解决上述问题, 可通过基站仿真软件对连续站距2.5 km的基站覆盖进行仿真, 改变多极化天线倾角, 增加或减少覆盖区域, 保证切换按时进行。在实际工程中, 要进行调整后的路测, 保证工程的精确度。
3.4 大型客站站场覆盖
太原南站是综合大型客站, 包含几十条到发线及庞大的无柱雨棚。因景观设计要求, 太原南站无法将基站放置于站房综合楼通信机械室旁, 而是在站外两端设置基站、铁塔、箱变, 满足站场区域GSM-R信号覆盖。这样, 大型钢构无柱雨棚加大了对无线场强信号的屏蔽作用。为满足雨棚下GSM-R信号实现双信号交织覆盖, 在雨棚外设置直放站远端机, 考虑到不影响站场景观, 设置15 m独管塔覆盖雨棚下区域。雨棚下远端机接单侧基站近端机的信号, 将切换区设置在雨棚与从控信号基站间, 这样可以避免停靠列车在雨棚下GSM-R信号乒乓切换, 降低GSM-R信号覆盖服务质量。远端机布设及连接方法见图3。
4 结束语