GSM-高铁两种不同场景下的覆盖规划方案方法.doc

GSM高铁覆盖规划目录1概述32铁路无线网路设计原则32.1站址规划原则32.2基站高度设计原则32.3基站与铁轨垂直距离设计原则32.4重叠覆盖区规划原则62.4.1社区重选对重叠覆盖区规定62.4.2切换对重叠覆盖区规定73高铁分场景覆盖规划73.1地面行车场景73.1.1覆盖方略73.1.2覆盖规划83.2隧道场景113.2.1覆盖方略113.2.2覆盖规划113.2.3链路预算144附录164.1高铁列车规格164.2天线选取建议201 概述高速铁路系统覆盖和老式室外和微蜂窝系统覆盖有着明显差别，重要体当前独特传播环境、多普勒频移、链路预算、容量规划、切换考虑、移动性管理等各种方面，本文将针对上面提到覆盖有关因素进行讨论，给出高铁覆盖解决方案。2 铁路无线网路设计原则铁路系统大某些是链状构造，只有在铁路交汇处才会形成网状构造，因此高速铁路特殊移动环境和高铁特殊业务需求都应在无线规划中考虑到。2.1 站址规划原则通过新增站址和基站在现网基本上建设一层高铁专网，针对高铁铁路运营特性采用相应规划，通过网路构造设立和参数调节，使车内顾客由专网覆盖，这样在满足通话需求同步可以提供可靠通话质量、系统指标，减少和其他基站之间切换、重选、位置区/路由区更新。2.2 基站高度设计原则为了提高基站覆盖效率，建议新建基站天线高度高于轨道30m。2.3 基站与铁轨垂直距离设计原则老式GSM网络所支持移动速度普通为200Kmh，随着铁路运营速度大幅提高，对GSM网络性能带来了较大影响，最直接就是高速导致频偏效应，即多普勒频移。多普勒频移简而言之就是接受机接近信号发射源时，接受到信号频率变高；远离信号发射源时，接受到信号频率变低。设发射机发出信号频率为（f发），接受机接受到信号频率为（f收），发射机与接受机之间相对运动速度为V。公式：f收（cv)/f发fd。其中c为电磁波在自由空间传播速度：3108米秒。fd即为多普勒频移，fd大小取决于信号波长及相对运动速度V。由fdv/得出：当接受机与发射机之间以每秒一种波长速度作相对运动时，所产生多普勒频移即为1Hz。接受基接近基站，f收变大；接受机远离基站，f收变小。图2-1 多普勒频移下图是在不同车速下900M/1800M频偏测试成果：车速（km/h）频偏（Hz）200250300350400450500550600900M频段1672082502923333754174585001800M频段3334175005836677508339161000考虑入射因子（900M）118147177206235265295324354考虑入射因子（1800M）235295354412472530589648707表2-1 不同频段在同速度下频偏测试成果入射因子为假设入射信号与车体呈45度角，实际高铁运营中，移动台和发射机之间必然存在角度，因而需要考虑入射角对频偏影响。依照下图可以看出，由于，中存在，运营在社区边沿火车频偏最大，变化较慢；而在通过基站近段0点时频偏最小，但频偏变化最大。下面为一组典型参数：=1000m ，=900MHz，=600km/h。以及分别给出了在100m、80m、60m、40m、20m时仿真曲线。图表 22 高铁模型频偏曲线（900MHz，600km/h）为了减少多普勒频移对网络性能影响，在没有AFC（自动频率校正）算法保证前提下，应远离铁路建站，且尽量避免天线覆盖方向和铁路平行。在移动台和发射机存在直射径场景，需要分析值和残留频偏影响。仿真成果如下：图表 23 不同高铁速度下1阶环AFC残留频偏图（900MHz，Fcut=2Hz)依照以上理论推算成果得出，如果城区目的时速为300km/h，在30米以上就可以保证频偏残留在0.1ppm范畴内。如果目的时速为450km/h，在70米以上就可以保证频偏残留在0.1ppm范畴内。在现实中，由于AFC频偏残留会减少信道解调性能。但是，频偏时变区都停留在基站尽端，电平信号强度较好，完全可以对抗一定频偏影响。时速（km/h）150300450600最短距离（m）104050100表格 22基站和铁路间距离规划表2.4 重叠覆盖区规划原则由于列车在高速运营过程中，预留给顾客做切换和重选时间很短，所觉得了保障顾客在高速过程中切换和重选能顺利进行，必要规定两个社区之间有足够重叠覆盖区域，信号检测时间、测量值平均时间、切换/重选执行时间、安全余量等都必要考虑在内，这也是咱们在站址选取、覆盖规划前必要要考虑原则之一。2.4.1 社区重选对重叠覆盖区规定社区重选规则中，当手机测量到邻社区C2高于服务社区C2值且维持5秒钟，手机将发起社区重选。在跨位置区处，则邻社区C2必要高于服务社区C2与CRH设立值和且维持5秒钟，手机发起社区重选和位置更新。因此，手机会在两个相邻社区重叠覆盖区中间开始计时，至少要超过5秒钟后，开始社区重选。即社区重叠覆盖区至少要满足10秒火车运营时间。时速（km/h）200250300350400450500550600相应重叠覆盖区大小（m）55669483397211111250138915281667表2-3 满足重选规定覆盖重叠区列表2.4.2 切换对重叠覆盖区规定一方面是迅速切换算法触发时间估算如下：（下面描述时间依照门限缺省设定值）测量报告滤波时间2秒，P/N准则触发切换时间2秒，切换倒回时间12秒，二次切换时间2秒（与一次切换时间相似）。一次切换时间为： 测量报告滤波时间P/N准则触发切换时间 224秒；二次切换时间为：测量报告滤波时间P/N准则触发切换时间切换倒回时间二次切换时间2222 = 8秒；以上为理论分析值，实际状况需要增长某些保护时间，因而完毕2次迅速切换时间为810秒。例如：考虑二次切换时间为8秒，那么在车速为350km/h时，切换大小为：350000*8/3600=778米。 依照不同车速计算出切换规定重叠覆盖区如下：时速（km/h）200 250 300 350 400 450 500 550 600 8S 相应重叠覆盖区大小（m）444 556 667 778 889 1000 1111 1222 1333 10S 相应重叠覆盖区大小（m）556 694 833 972 1111 1250 1389 1528 1667 综上所述，考虑MS切换和重选对切换带规定，在覆盖规划中以10s为原则进行重叠覆盖区规划。如果咱们短期以450km/h为高速覆盖目的，那么两个社区间切换带要达到1250米。普通切换判决会从重叠区开始，两个平行铁路覆盖基站间间距要减少1250米。3 高铁分场景覆盖规划3.1 地面行车场景3.1.1 覆盖方略地面行车场景又涉及普通行车路段和车站，在这种场景下，由于高铁列车车体损耗较大，老式覆盖在铁路上覆盖电平局限性，严重影响顾客通话质量和数据业务由于将来高铁速度较高，普通不建议兼顾公网顾客，而是建设高铁专网进行专项覆盖，基于以上分析，建议采用RRU共社区配合低矮建站+功分天线进行建设。3.1.2 覆盖规划覆盖规划同步考虑链路预算、容量规划、产品级联能力、频率规划、公网话务渗入、优化难度。RRU可以采用单RRU+功分天线双方向覆盖，又称为复合社区，或者单RRU+单天线单方向覆盖，如下图：普通建议在城区场景下单个RRU共社区长度不大于3公里、郊区RRU共社区长度不大于5公里、农村RRU共社区长度不大于7公里。普通建议在铁路两边30100米，新建1530米抱杆形成专网覆盖层。天线下倾角计算公式其中：下倾角；：天线垂直半功率角；H：天线高度（m）；D：覆盖半径（m）。由于周边公网顾客也许渗入高铁专网，建议尽量避免过覆盖。下倾角=arctan（站高/覆盖距离）+天线垂直半功率角/2。天线增益=10log（32400/（水平半功率角度垂直半功率角度）普通站高15米、覆盖距离700米、天线增益21度、水平半功率角30度，可以大体得到下倾角5度。链路预算：假设采用RRU每载波功率41dBm（13W），采用21dBi高增益天线功分天线，站高15m，车体损耗24dB，区域覆盖概率95%条件进行计算。Link BudegtULDLSector type2 SectorMax. transmit power (dBm)3341.1Cable loss Tx (dB)-1Antenna gain Tx (dBi)021EIRP (dBm)33.0 57.6 External Combiner Loss(dB)3.5Antenna gain Rx (dBi)21.0 0.0 Antenna diversity gain Rx (dB)3.0 0.0 Cable loss Rx (dB)1-Receiver sensitivity (dBm)-113.0 -104.0 Min. required RX level (dBm)-85.0 Penetration loss (dB)24.0 Slow fading standard deviation (dB)6Area coverage probability95.0%Edge coverage probability83.13%Slow fading margin (dB)5.76Allowed max path loss (dB)116.74 112.84 MS antenna height (m)2BTS antenna height (m)15Frequency band (MHz)900Propagation model usedOkumuru-HataCell radius (km)0.75 0.59 表格 31 900MH在RRU功分天线链路预算如果采用功分天线（每载波13W输出），则理论覆盖半径590米。如果采用单方向单位置组（每载波13W输出），则理论覆盖半径740米。城区场景高架铁路接受到周边较多信号干扰，普通建议采用1800MHz频段组网。Link BudegtULDLSector type2 SectorMax. transmit power (dBm)3040Cable loss Tx (dB)-1Antenna gain Tx (dBi)021EIRP (dBm)30.0 56.5 External Combiner Loss(dB)3.5Antenna gain Rx (dBi)21.0 0.0 Antenna diversity gain Rx (dB)3.0 0.0 Cable loss Rx (dB)1-Receiver sensitivity (dBm)-113.0 -102.0 Min. required RX level (dBm)-90.0 Penetration loss (dB)25.0 Slow fading standard deviation (dB)6Area coverage probability95.0%Edge coverage probability83.13%Slow fading margin (dB)5.76Allowed max path loss (dB)119.74 115.74 MS antenna height (m)2BTS antenna height (m)15Frequency band (MHz)1800Propagation model usedCost231-HataCell radius (km)0.50 0.39 表格 32 1800MH在RRU功分天线链路预算如果采用功分天线（每载波10W输出），则理论覆盖半径390米。如果采用单方向单位置组（每载波10W输出），则理论覆盖半径490米。注意此处前提条件是1800MHz采用专用频点，考虑频段干扰较小，保证车内-90dBm最低下行接受电平。注意：RRU型号、载波数目、天线增益、站高、覆盖概率、车体损耗不同，预算成果不同。不同车型穿透损耗如下：3.2 隧道场景3.2.1 覆盖方略由于高铁列车车体损耗较大，在隧道内高速运营产生巨大气流，不适合采用分布式天馈安装，并且传播模型存在列车时传播模型尚不清晰。普通采用泄漏电缆进行覆盖，天馈安装高度普通在车窗上方位置隧道墙壁。采用RRU共社区配合泄漏电缆成为隧道覆盖重要方式，切换区域控制在隧道外。3.2.2 覆盖规划如果隧道长度较短（1个共社区覆盖长度以内）且隧道内与隧道外站点存在光纤路由，建议隧道出口基站和隧道内构成一种共社区，使社区间切换在隧道外及早完毕，避免高铁列车迅速进入隧道也许导致掉话或切换失败。若隧道长度无法满足两个隧道口外基站和隧道内成为一种社区，尽量选取一侧隧道外基站进行共社区组合，示意图如下所示。图表 1短隧道覆盖示意图隧道长度在一种RRU共社区覆盖长度以内，则社区间切换需在两个隧道口外完毕，隧道口外墙安装板状天线进行覆盖，示意图如下所示。图表2 中档隧道覆盖示意图隧道长度不不大于一种RRU共社区覆盖长度，则需要各种RRU共社区在隧道内进行覆盖，当前一种BBU下仅支持一种RRU共社区，示意图如下所示。图表 3 长隧道覆盖示意图若存在施工条件，可以将上图中隧道出/入口外两侧基站同隧道出/入口RRU合并成一种社区，可以减少高铁列车进出隧道掉话风险。持续短隧道构成隧道群，若隧道间距较小，建议采用泄漏电缆覆盖隧道间空隙段（需征询本地与否可采用），示意图如下所示。图表 3持续隧道覆盖示意图1若持续隧道间距较大，则采用隧道口安装天线进行覆盖，示意图如下所示。图表5持续隧道覆盖示意图2铁路隧道场景使用DC-BLOCK解决方案在铁路隧道场景，普通使用泄漏电缆来实现隧道内信号均匀覆盖，由于泄漏电缆与电力机车供电电线在隧道内平行布放，由于长线耦合效应，会在泄漏电缆上产生很高耦合电压与电流，容易对基站设备导致危害。规定当华为基站（涉及所有型号）用于铁路隧道（不涉及都市轨道交通）与泄漏电缆一起使用时，必要使用DC-block器件进行防护，否则基站存在损坏也许。DC-BLOCK推荐使用RFS公司DC-BLOCK-4-NMF。图表5 DC-BLOCK-4-NMF元器件图表6 DC-BLOCK-4-NMF元器件技术指标3.2.3 链路预算普通泄漏电缆中仅采用某一移动通信制式时，采用收发共缆；若多系统合路则需要考虑系统间干扰共存，既有多系统合路器无法满足设计需求，则需要使用收发分缆建设。收发分缆和收发共缆链路预算办法一致。泄漏电缆覆盖链路预算计算办法如下：车内覆盖电平RRU机顶发射功率1/2跳线损耗电桥损耗空间耦合损耗漏缆百米损耗 L/100车体损耗宽度因子错车余量其中：a) RRU机顶发射功率：按照不同RRU、载波数决定；b) 电桥损耗：RRU处在中间位置向两边连接泄漏电缆进行覆盖，需要电桥或功分器；c) 空间耦合损耗和泄漏电缆传播损耗：同详细泄漏电缆指标有关；d) 车体损耗：若泄漏电缆安装于高铁列车车窗高度，则移动台同泄漏电缆保持直视途径，车体损耗较仅考虑玻璃窗即可。实际由于安装位置也许在车窗斜上方，顾客不一定存在直射径。e) 宽度因子：10log（D/2)，D为接受机距离泄漏电缆垂直距离（2m）。f) 错车余量：考虑两列火车平行错车余量，该值为工程经验值。其她设计余量如下表所述：场景高铁列车（dB）快衰落余量1干扰余量0车体损耗（包括人体损耗）20两车相错余量5表格1 泄漏电缆其她设计余量其中：泄漏电缆输入功率，RRU机顶输出功率减去电桥及跳线损耗为泄漏电缆输入功率：泄漏电缆馈线损耗；：泄漏电缆耦合损耗；：设计目的电平，假设移动台距离泄漏电缆2m处，宽度因子即为0；：各种余量总和=快衰落余量+干扰余量+车体损耗。铁路隧道（单线），Margin=21dB其中：泄漏电缆输入功率（dBm）单线铁路隧道覆盖距离（m）复线铁路隧道覆盖距离（m）251000 773 281136 909 321318 1091 351455 1227 36.81536 1309 381591 1364 411727 1500 表格 2 泄漏电缆覆盖距离注：上表覆盖距离是距离泄漏电缆2m处链路预算。若考虑dm（d2m）处场强，则需要加入宽度因子10log（d/2)余量；复线铁路隧道覆盖距离考虑了两列列车相错5dB余量状况。泄漏电缆输入功率（dBm）单线铁路隧道覆盖距离（m）复线铁路隧道覆盖距离（m）25727 500 28864 636 321045 818 351182 955 36.81264 1036 381318 1091 4114551227表格 3 泄漏电缆覆盖距离（考虑宽度因子和错车因子）注：上表考虑在泄漏电缆馈线径向8米处，10log（8/2)=6dB余量。复线铁路隧道覆盖距离考虑了两列列车相错5dB余量状况。4 附录4.1 高铁列车规格既有中华人民共和国高铁列车规格高铁列车型号CRH1CRH2CRH3CRH5生产厂商青岛四方庞巴迪鲍尔铁路运送设备有限公司川崎重工、南车四方机车车辆股份有限公司西门子、唐山轨道客车阿尔斯通公司、长春轨道客车编组形式8节编组，可两编组重联运营CRH2A/2C：8节CRH2B/2E：16节8节编组，可两编组重联运营8节编组，可两编组重联运营定员（人）670610601606+2（残疾）营运最高速度（km/h）200CRH2A/2B/2E：250CRH2C：350350250设计最高速度（km/h）250370394.3250适应轨距（mm）1435143514351435编组长度（m）213.5201.4200211.5车体形式不锈钢中空型材铝合金中空型材铝合金中空型材铝合金车头车厢长度（mm）26950257002567527600中间车厢长度（mm）26600250002477525000车辆宽度（mm）3328338029503200车辆高度（mm）4040370038904270表格 41 常用高铁列车规格CRH1A外观图表 41 CRH1A外观照片CRH1E外观图表 42 CRH1E外观照片CRH2外观图表 43 CRH2外观照片CRH3外观图表 44 CRH3外观照片CRH380A外观图表 45 CRH380A外观照片CRH5外观图表 46 CRH5外观照片4.2 天线选取建议图表 47 窄波束天线水平方向图上图为一种典型水平半功率角33度21dBi 高增益天线水平方向图图表 48 窄波束天线垂直方向图上图为天线垂直方向图，包括2度电下倾，注意右旋90度为地面安装方向，上图中存在2度电下倾。图表 49 窄波束高增益天线外观图窄波束高增益天线为了使水平半功率角变窄，只有在水品方向上增长半波阵子，因而天线宽度较大。