中國鐵路已步入高速時代,，預(yù)計2020年，200km/h速率以上的中國高速鐵路將超過1.8萬公里,。如何在高速移動的環(huán)境下為用戶提供良好的移動通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù),，是自有高速鐵路以來移動通信運營商一直在進(jìn)行研究解決的問題。
和常規(guī)的CDMA網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃相比,，高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備一定的特殊性,。找準(zhǔn)高鐵覆蓋的關(guān)鍵問題才能在高鐵沿線的深度覆蓋、精細(xì)優(yōu)化上做到更精準(zhǔn),。如圖1所示,。
圖1 高鐵覆蓋的研究意義
高鐵覆蓋的4個標(biāo)志性因素
高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要體現(xiàn)在4個標(biāo)志性因素上：多普勒頻移、車體穿透損耗,、切換問題和覆蓋區(qū)域地形多樣性,。
多普勒頻移
多普勒頻移問題是指在高速移動的情況下，接收端的信號頻率會發(fā)生偏移,，導(dǎo)致基站和接收機的相干解調(diào)性能降低,。
◆ 對接收機的影響
CDMA采用相干解調(diào)，要求接收機本地解調(diào)載波與接收信號的載波同頻,，載波頻率的抖動對接收機的解調(diào)性能產(chǎn)生影響,；同時，1X 采用高通CSM6700芯片,，DO RevA采用高通CSM6800芯片,，頻移的最大取值為分別為1440Hz和960Hz。根據(jù)多普勒頻移公式計算得到接收機允許的最大移動速度為972km/h和648km/h,。此速度遠(yuǎn)高于高速鐵路最大運行時速,，芯片解調(diào)容限滿足要求。
◆ 對基站的影響
由于多普勒頻移的存在,，導(dǎo)致基站和手機的相干解調(diào)性能降低,。可考慮在鏈路預(yù)算時在原有的Eb/Nt取值上增加3dB,。
切換問題
切換問題是指高速移動導(dǎo)致切換時更易掉話,，對切換的要求遠(yuǎn)高于普通場景。
在切換區(qū)大小不變的前提下，速度越快的終端穿過切換區(qū)的時間越小,。因此,，當(dāng)終端的移動速度足夠快，以至于穿過切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理的軟切換最小時延,，此時會導(dǎo)致掉話產(chǎn)生,。在對高速鐵路覆蓋基站的參數(shù)設(shè)置時需要考慮設(shè)置最小的切換區(qū)，滿足高速火車在高速運行時的切換需求,。最小切換區(qū)的大小可根據(jù)列車時速大小與軟切換時延計算而得,。軟切換時延一般取300ms，因此,，最小切換區(qū)大小主要取決于列車移動速度,。
目前的高鐵設(shè)計最高時速為350km/h，根據(jù)公式計算得最小軟切換區(qū)為29m,。
沈大高鐵CDMA覆蓋案例
我們就沈大高鐵的CDMA無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行研究,，主要用于覆蓋高速鐵路客運專線的用戶，包括車站候車和高速列車上的乘客,。
沈大高鐵概況
沈大高鐵貫穿遼寧省鐵嶺,、沈陽、遼陽,、鞍山,、營口、大連6個地市,，全長553km,。為雙線電氣化鐵路，平均時速200km/h以上,。2011年竣工通車,。沈大高鐵內(nèi)共設(shè)有15個車站。
沈大高鐵設(shè)計采用的高速列車為長春軌道客車公司和法國阿爾斯通公司聯(lián)手合作制造的CRH5車型,，8輛編組,，全長211.5m，車體最大寬度3200mm,，車輛高4270mm,。
覆蓋問題的解決
◆ 多普勒頻移問題的解決
高鐵覆蓋中對抗多普勒效應(yīng)的途徑主要有兩種：一是設(shè)備采用頻偏糾正法克服多普勒頻移的影響，二是從根本上降低多普勒頻移和頻移變化率,。無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計一般從第二種方案出發(fā),。多普勒頻移變化率和f成正比，和d成反比,。取f=2.1GHz,，F(xiàn)dr=5.8Hz/m,，則不同速度時要使得最大多普勒頻移變化率不超過Fdr（多普勒頻移變化率門限）所需的基站到鐵軌的最小垂直距離如表1所示。
表1 不同車速時基站到鐵軌之間的最小垂直距離計算
需要說明的是,，當(dāng)基站距離鐵軌非常近時,，最大多普勒頻率變化率雖然非常大，但持續(xù)的時間很短,，系統(tǒng)整體性能受影響也較小,，因此隧道中采用漏纜方式覆蓋可以達(dá)到很好的效果。
根據(jù)《中華人民共和國鐵路運輸安全保護(hù)條例》第四十一條：沿鐵路兩側(cè)新建,、擴建建筑工程，應(yīng)符合以下規(guī)定：高速鐵路兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于50m,；鐵路干線兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于20m,；鐵路支線、專用線兩側(cè)的建筑工程與軌道中心線的距離不得小于15m,；鐵路兩側(cè)的圍墻與軌道中心線的距離不得小于10m,，圍墻的高度不得大于3m。對于沈大高鐵的覆蓋基站,，基站到鐵軌的最小垂直距離取84米即可,。
沈大高鐵覆蓋基站間距：
密集城區(qū)基站間距為500m左右；一般城區(qū)基站間距為1km左右,；郊區(qū)基站間距為2km左右,；農(nóng)村基站間距在4km左右。
◆ 車體穿透損耗問題的解決
圖2 高鐵天線掠射角
如圖2所示,，基站天線與所覆蓋高速火車的掠射角越小,，列車穿透損耗就越大，當(dāng)掠射角等于10°的時候,，車廂平均穿透損耗為24dB左右,，當(dāng)它等于5°時，車廂平均穿透損耗上升到29dB,，當(dāng)掠射角接近0°的時候,，車廂平均穿透損耗呈現(xiàn)快速上升的狀態(tài)。所以合理地控制掠射角,，將能夠更好更省地滿足高速鐵路覆蓋目標(biāo),。對于沈大高鐵的基站設(shè)計時一般考慮掠射角控制在10°以上為宜。
◆ 切換問題的解決
CDMA網(wǎng)絡(luò)三種切換方式：軟切換,、硬切換和虛擬軟切換,。具體如表2所示。
多種不同時速下的切換環(huán)境：250km/h,、300km/h,、350km/h,、400km/h。
雙向切換,，覆蓋重疊區(qū)= 切換距離×2,。
結(jié)論
總之高速鐵路的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋非常復(fù)雜，需要網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計和優(yōu)化人員根據(jù)實際情況和設(shè)備性能,，通過充分的實地考察,、理論計算和測量，合理確定解決方案,，做到在保證通信質(zhì)量情況下,，嚴(yán)格控制網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成本。