高速铁路中CDMA覆盖的关键问题解决方案

    中国铁路已步入高速时代，预计2020年，200km/h速率以上的中国高速铁路将超过1.8万公里。如何在高速移动的环境下为用户提供良好的移动通信网络服务，是自有高速铁路以来移动通信运营商一直在进行研究解决的问题。
       和常规的CDMA网络覆盖规划相比，高速铁路覆盖规划具备一定的特殊性。找准高铁覆盖的关键问题才能在高铁沿线的深度覆盖、精细优化上做到更精准。如图1所示。
   
   　　图1 高铁覆盖的研究意义
       高铁覆盖的4个标志性因素
       高铁网络覆盖主要体现在4个标志性因素上：多普勒频移、车体穿透损耗、切换问题和覆盖区域地形多样性。
       多普勒频移
       多普勒频移问题是指在高速移动的情况下，接收端的信号频率会发生偏移，导致基站和接收机的相干解调性能降低。
       ◆ 对接收机的影响
       CDMA采用相干解调，要求接收机本地解调载波与接收信号的载波同频，载波频率的抖动对接收机的解调性能产生影响；同时，1X 采用高通CSM6700芯片，DO RevA采用高通CSM6800芯片，频移的最大取值为分别为1440Hz和960Hz。根据多普勒频移公式计算得到接收机允许的最大移动速度为972km/h和648km/h。此速度远高于高速铁路最大运行时速，芯片解调容限满足要求。
       ◆ 对基站的影响
       由于多普勒频移的存在，导致基站和手机的相干解调性能降低。可考虑在链路预算时在原有的Eb/Nt取值上增加3dB。
       切换问题
       切换问题是指高速移动导致切换时更易掉话，对切换的要求远高于普通场景。
       在切换区大小不变的前提下，速度越快的终端穿过切换区的时间越小。因此，当终端的移动速度足够快，以至于穿过切换区的时间小于系统处理的软切换最小时延，此时会导致掉话产生。在对高速铁路覆盖基站的参数设置时需要考虑设置最小的切换区，满足高速火车在高速运行时的切换需求。最小切换区的大小可根据列车时速大小与软切换时延计算而得。软切换时延一般取300ms，因此，最小切换区大小主要取决于列车移动速度。
       目前的高铁设计最高时速为350km/h，根据公式计算得最小软切换区为29m。
       沈大高铁CDMA覆盖案例
       我们就沈大高铁的CDMA无线网络覆盖进行研究，主要用于覆盖高速铁路客运专线的用户，包括车站候车和高速列车上的乘客。
       沈大高铁概况
       沈大高铁贯穿辽宁省铁岭、沈阳、辽阳、鞍山、营口、大连6个地市，全长553km。为双线电气化铁路，平均时速200km/h以上。2011年竣工通车。沈大高铁内共设有15个车站。
       沈大高铁设计采用的高速列车为长春轨道客车公司和法国阿尔斯通公司联手合作制造的CRH5车型，8辆编组，全长211.5m，车体最大宽度3200mm，车辆高4270mm。
       覆盖问题的解决
       ◆ 多普勒频移问题的解决
       高铁覆盖中对抗多普勒效应的途径主要有两种：一是设备采用频偏纠正法克服多普勒频移的影响，二是从根本上降低多普勒频移和频移变化率。无线网络规划设计一般从第二种方案出发。多普勒频移变化率和f成正比，和d成反比。取f=2.1GHz，Fdr=5.8Hz/m，则不同速度时要使得最大多普勒频移变化率不超过Fdr（多普勒频移变化率门限）所需的基站到铁轨的最小垂直距离如表1所示。
   
   　　表1 不同车速时基站到铁轨之间的最小垂直距离计算
       需要说明的是，当基站距离铁轨非常近时，最大多普勒频率变化率虽然非常大，但持续的时间很短，系统整体性能受影响也较小，因此隧道中采用漏缆方式覆盖可以达到很好的效果。
       根据《中华人民共和国铁路运输安全保护条例》第四十一条：沿铁路两侧新建、扩建建筑工程，应符合以下规定：高速铁路两侧的建筑工程与轨道中心线的距离不得小于50m；铁路干线两侧的建筑工程与轨道中心线的距离不得小于20m；铁路支线、专用线两侧的建筑工程与轨道中心线的距离不得小于15m；铁路两侧的围墙与轨道中心线的距离不得小于10m，围墙的高度不得大于3m。对于沈大高铁的覆盖基站，基站到铁轨的最小垂直距离取84米即可。
       沈大高铁覆盖基站间距：
       密集城区基站间距为500m左右；一般城区基站间距为1km左右；郊区基站间距为2km左右；农村基站间距在4km左右。
       ◆ 车体穿透损耗问题的解决
   
   　　图2 高铁天线掠射角
       如图2所示，基站天线与所覆盖高速火车的掠射角越小，列车穿透损耗就越大，当掠射角等于10°的时候，车厢平均穿透损耗为24dB左右，当它等于5°时，车厢平均穿透损耗上升到29dB，当掠射角接近0°的时候，车厢平均穿透损耗呈现快速上升的状态。所以合理地控制掠射角，将能够更好更省地满足高速铁路覆盖目标。对于沈大高铁的基站设计时一般考虑掠射角控制在10°以上为宜。
       ◆ 切换问题的解决
       CDMA网络三种切换方式：软切换、硬切换和虚拟软切换。具体如表2所示。
   
   　　多种不同时速下的切换环境：250km/h、300km/h、350km/h、400km/h。
       双向切换，覆盖重叠区= 切换距离×2。
       结论
       总之高速铁路的无线网络覆盖非常复杂，需要网络规划设计和优化人员根据实际情况和设备性能，通过充分的实地考察、理论计算和测量，合理确定解决方案，做到在保证通信质量情况下，严格控制网络建设成本。