高速铁路的WCDMA网络覆盖技术探讨

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高速铁路的ＷＣＤＭＡ网络覆盖技术探讨
陈颖羿１，２，钟晓峰１
（１．清华大学电子工程系，北京　１０００８４；２．北京中网华通设计咨询有限企业，北京　１０００７０）
摘　要：　针对高速铁路的移动信号覆盖问题，从影响高速铁路ＷＣＤＭＡ网络的车体穿透损耗、多
普勒效应等因素进行分析，并结合武汉—广州客运专线高速铁路的工程实践，详述网络规划和组网
方案，提出了网络覆盖解决方案．
关键词：　高铁；ＷＣＤＭＡ；覆盖；组网方式
中图分类号：　ＴＮ９２９．５３３　　　文献标志码：　Ａ　　　文章编号：１００４－０３６６（２０１２）０２－０１１５－０５
Ａ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｅｘｐｌｏｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　ＷＣＤＭＡ　Ｎｅｔｗｏｒｋ　Ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｆｏｒ　Ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙｓ
ＣＨＥＮ　Ｙｉｎｇ－ｙｉ　１，２，ＺＨＯＮＧ　Ｘｉａｏ－ｆｅｎｇ１
（１．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｔｓｉｎｇｈｕａ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００８４，Ｃｈｉｎａ；
２．Ｂｅｉｊｉｎｇ　ＣｈｉｎａＣｏｍｍ　Ｄｅｓｉｇｎ　ａｎｄ　Ｃｏｎｓｕｌｔｉｎｇ　Ｃｏ．，Ｌｔｄ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００７０，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：　Ｔｈｅ　ＷＣＤＭＡ　ｍｏｂｉｌｅ　ｃｅｌｌｕｌａｒ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ｏｆ　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙｓ　ｉｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ，ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ
ｔｈｅ　ｐａｔｈ　ｌｏｓｓ　ｏｆ　ｔｒａｉｎ　ｂｏｄｙ，Ｄｏｐｐｌｅｒ　ｅｆｆｅｃｔｓ，ａｎｄ　ｓｏ　ｏｎ．Ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｈｅｌｐ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒａｃｔｉｃｅ　ｉｎ　ｔｈｅ　Ｗｕｈａｎ－Ｇｕａｎｇｚｈｏｕ
　Ｈｉｇｈ　Ｓｐｅｅｄ　Ｒａｉｌｗａｙ　ｐｒｏｊｅｃｔ，ａ　ｃｏｖｅｒａｇｅ　ａｐｐｒｏａｃｈ　ａｎｄ　ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ　ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｌａｎｎｉｎｇ　ａｒｅ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ａｎｄ
ｐｒｏｐｏｓｅｄ．
Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：　ｈｉｇｈ－ｓｐｅｅｄ　ｒａｉｌｗａｙ；ＷＣＤＭＡ；ｃｏｖｅｒａｇｅ；ｎｅｔｗｏｒｋ　ｐｌａｎｎｉｎｇ
　　近年来我国高速铁路建设事业飞速发展，多条
城际快速铁路和高速客运专线已开通运营，还有大
量的客运专线正在建设或已被列入“十二五规划”．
可以预见，未来几年高速铁路将成为我国地面客运
的主流．但由于受特定环境的影响，目前高速铁路的
ＷＣＤＭＡ网络覆盖还存在一些问题．对影响高速铁
路网络覆盖的各方面因素，大家进行详细分析，提出
相应的解决方案，重点讨论高铁覆盖组网方式以及
改善高铁覆盖的技术手段．
１　网络覆盖面临的挑战
高铁具有列车速度快、铁路线路长和穿越地形
种类多等特点，是一个比较特殊的覆盖场景．高速运
动中正常通信遇到的挑战主要包括：穿透损耗、多普
勒效应和快速切换．速度越快，影响越大，解决难度
也越大，对技术的要求也越高．
１．１　密闭车厢的高穿透损耗
高速列车车身由金属包裹，屏蔽效应明显［１］．根
据测试，高速列车的穿透损耗约为２０～３０ｄＢ（不同
车厢型号，损耗有所差异），因此导致覆盖不连续．京
沪、武广高铁上运行的“ＣＨＲ３”列车穿透损耗为
２６～３２ｄＢ，列车内外信号相差约１　０００倍［２］．为保
证车内良好覆盖，铁路沿线需要设置较多的基站．目
前采用的解决办法主要有以下几种：
（１）采取技术手段扩大基站覆盖范围，减少沿线
基站数量；
（２）采用车载直放站方式，列车顶部天线集中接
收，通过分布系统覆盖车厢内部（这种方式需要改造
列车或列车出厂前安装，目前技术不成熟，不易大规
模推广使用）．
第２４卷　第２期
２０１２年６月　　　　　　　　　　　　　　　　
甘肃科学学报
Ｊｏｕｒｎａｌ　ｏｆ　Ｇａｎｓｕ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ　　　　　　　　　　　　　　　　Ｖｏｌ．２４　Ｎｏ．２
Ｊｕｎ．２０１２
１．２　多普勒效应的影响
铁路线一般呈线状分布，因此铁路沿线的基站
也呈线状分布，导致多普勒效应明显．多普勒效应对
基站通话质量和网络数据速率产生严重影响，造成
高铁的网络质量较差．
高速移动的用户频繁改变与基站之间的距离，
频移现象非常严重．运动速度越快影响越大．多普勒
效应显著，会影响无线通信质量（载干比），影响的程
度与频偏的变化呈非线性关系，所以当列车高速通
过基站，经过与基站垂直距离最近的点时，多普勒效
应变化最快．列车高速运行时由于多谱勒效应，对于
射频信号的中心频率产生频率偏差，多普勒公式
表示为
ｆｍ ＝ｆ×ｖ×ｃｏｓθ／Ｃ，　　（１）
其中ｆ为载波频率，单位Ｈｚ，对于ＷＣＤＭＡ，具体为
２ＧＨｚ；ｖ为列车运行速度，单位ｍ／ｓ；Ｃ 为电磁波传
播速度，Ｃ ＝３×１０８　ｍ／ｓ；θ为列车动行方向与电磁
波传播方向的夹角．
式（１）中，ｆ×ｖ／Ｃ 与入射角无关，是ｆｄ
的最大
值ｆｍ．
在用户移动过程中，多普勒频移随着用户位置的
变化而变化，系统通信时的频移见图１．
图１　多普勒频移
　　从式（１）可以看出，用户移动方向和电磁波传播
的方向相同时，多普勒频移最大；完全垂直时，没有多
普勒频移［３］．典型情况下的最大多普勒频移见表１（用
户移动方向和电磁波传播的方向相同，即θ＝０）．
表１　不同时速产生最大频率偏差
运行速度／ｋｍ·ｈ－１　１５０　２００　２５０　３００　３５０
ＷＣＤＭＡ频率
偏差／Ｈｚ
２９２　３８９　４８６　５８３　６８１
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［４］．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．
同时主流厂家基站可以支撑频偏补偿，具体实
现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整
收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率
偏移；同时相应对下行发信频率置相同的偏移量，保
证同手机的正常通信．
１．３　高速运动对切换的影响
在高速运动场景下对ＵＥ切换的性能会有较大
的影响．为保证用户无缝移动性及ＱｏＳ，最基本的
要求就是需要保证用户通过切换区域的时间一定要
大于切换的处理时间［５］，否则切换流程无法完成，会
造成用户的ＱｏＳ下降甚至掉话．
假设切换区大小不变，速度越高终端穿越切换
区的时间越小．因此，当终端移动速度足够快，以至
于穿越切换区的时间小于系统处理软切换的最小时
延时，软切换流程将无法完成，进而导致掉话．
按照切换时延２ｓ，根据速度和距离的关系，可
以大致获得终端移动速度与所需最小切换区大小的
对应关系（见表２）．
表２　不同速度下最小切换区大小
终端移动速度／ｋｍ·ｈ－１　１００　２００　２５０　３００　３５０
所需切换区
大小／ｍ
５６　１１１　１３９　１６７　１９４
２　网络覆盖方案
综合考虑以上各因素的影响，为解决好高速铁
路的ＷＣＤＭＡ网络覆盖问题，应根据高铁建设情
况，制订专门的网络覆盖方案，以提升网络运行质
量．通常情况下，解决高速铁路的网络覆盖可以采用
专网、公网两种覆盖方案．
２．１　专网组网覆盖方案
采用专用的基站小区和频点资源，对铁路进行
针对性覆盖，主要用于列车乘客的通信，同时也可兼
顾信号覆盖区域内的公网用户．
（１）专网覆盖移动性策略　高铁覆盖采用专网
覆盖，以专用频点（也可以用室内分布频点）进行覆
盖．专网与公网可采用以下配合策略：
① 公网频点为ｆ１，专网频点为ｆ２；
② 在车站配置ｆ１、ｆ２
两个频点，其中ｆ２
小区为
车站的室内分布小区；或只配置ｆ１
一个频点．如果
１　１６　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　甘 肃 科 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１２年　第２期
车站配置两个频点，则车站用户在公网和专网间随
机驻留；同时两个频点相互配置邻区，允许用户在两
个频点之间的重选和切换；
③ 在站台规划过渡区域内，控制公网ｆ１
的覆
盖，并通过重选和切换参数设置，引导ｆ１
频点上的
用户驻留或切换到ｆ２
频点上．过渡区也可以规划在
铁路站台或火车开出的一小段铁路上，但需控制范
围，避免过渡区泄露到站外或铁路外的区域，减少过
渡区对非铁路用户的影响；
④ 铁路沿线的专网小区（ｆ２
频点）配置ｆ１
的单
向邻区，允许专网用户向公网重选和异频硬切换，但
不允许公网用户向专网重选和异频硬切换．之所以
这样配置，是为避免公网用户误驻留在专网上无法
重选或切换到公网而掉话．但需要对专网小区配置
较低的异频重选和切换门限，同时专网在火车上提
供良好的覆盖，以保证火车上的用户不会重选或切
换到公网．将来当公网ｆ１
频点不能满足容量需求，
需要采用第三个频点进行扩容时，以上移动性策略
还是适用的，这时需要合理地控制好专网、公网的覆
盖，减少彼此间的干扰，满足用户服务质量的需求．
（２）专网覆盖方案　为建立高速铁路的专网，
可采用以下几种方法：
① 双ＲＲＵ０．５＋０．５小区覆盖解决方案．在高
速覆盖采用ＢＢＵ－ＲＲＵ组网时，采用１个逻辑小区
带２个ＲＲＵ方式来覆盖铁路，即２个ＲＲＵ背靠背
安装，分别覆盖２个方向，消除更软切换区，可以解
决绝大部分切换问题［６］．双ＲＲＵ０．５＋０．５覆盖见
图２．
图２　双ＲＲＵ０．５＋０．５覆盖
　　② 功分小区分裂方式．在站间距较小（比如利
用现网站址，受地形和站址获取限制）、覆盖可以满
足的情况下，可以根据情况适当采用单ＲＲＵ 功分
方式．
对于连续两个采用小区分裂的站点，可以通过
光纤拉远配置为０．５／０．５方式［７］．其中ＲＲＵ１和
ＲＲＵ２使用０．５／０．５方式配置为同小区．
③ ＲＲＵ分布式扇区方式．在隧道内及隧道和
开阔地交错的地区，为减少切换，当级联ＲＲＵ 个数
超过３个时，可以采用ＲＲＵ 分布式扇区方式配置
为共小区．但此时有底噪抬升现象，抬升幅度为
底噪抬升＝１０×ｌｏｇ（Ｎ），　　（２）
其中：Ｎ 为共小区ＲＲＵ的个数．为避免底噪抬升对
上行覆盖造成较大的影响，方案中限制共小区ＲＲＵ
个数，最大为４个，尽量在３个以下．
ＲＲＵ使用４０Ｗ 载波发射功率以增加覆盖，减
少站点数．导频功率配比保持为１０％，即４Ｗ［７］．
２．２　公网组网覆盖方案
采用铁路附近原有站点或新建站点，利用公网
频点资源，在覆盖附近用户的同时，覆盖铁路列车上
的用户［８］．通常可采用以下覆盖方式：
（１）新增宏基站＋高增益天线建设方案　当铁
路沿线覆盖存在较大空洞时，需要建设宏基站来解
决覆盖深度问题．沿线新增的宏站应尽量靠近铁路，
垂直距离务必控制在３００ｍ之内．尽量增加单站的
覆盖范围，以减少投资和切换次数，提高网络ＫＰＩ．
单方向两个小区基站，一定要规划好基站处的
切换带．对于双方向单小区基站，不会存在基站的切
换问题，因而减少切换次数，一定程度上提高网络的
ＫＰＩ．但是，因为相对于单方向两个小区方案增加
３．５ｄＢ的功分损耗，会使单小区的覆盖范围减小，增
加整体基站数．
（２）新增第４小区　第４小区覆盖是指在现有
的三小区蜂窝小区结构上，新增一个小区以提升覆
盖［７］．对于高速铁路第４小区，硬件上要求每小区增
加功分器来覆盖两个方向，这样可以减少高速列车
的小区切换和重选数目．
采用第４小区的主要优势包括：
① 原有覆盖不受影响．以往的覆盖模式，小区
服务范围除铁路外还有周边的道路和城区，因此对
铁路的覆盖调整要考虑的因素很多，存在铁路覆盖
和周边覆盖相互制约的情况．而采用第４小区专门
用于覆盖铁路则不存在这种情况；
② 不影响原有话务吸取，容量优化简单．铁路
第２４卷　　　　　　　　　　　　　　　　　陈颖羿等：高速铁路的 ＷＣＤＭＡ网络覆盖技术探讨　　　　　　　　　　　　　　　１　１　７　
覆盖区域如穿过城区，话务量大，对铁路的话务存在
隐患．而且，铁路小区优化往往进行功分和功率扩
展，将给覆盖小区带来更大的话务压力，话务量成了
制约铁路小区覆盖延伸的因素，而采用第４小区可
以专门覆盖铁路，无需考虑话务压力问题，可以将覆
盖优化做得更好；
③ 有利于实现铁路的专门覆盖，形成简洁的小
区重选和切换关系；
④ 有利于参数的优化．第４小区专门进行铁路
的优化，可以将一些特殊的利于高速移动的参数在
第四小区进行修改，而不会对其他用户造成影响．不
采用第四小区则无法实现；
⑤ 对于高话务密集信号杂乱、小区切换重选频
繁的城区，使用第４小区形成主导，可以较好地避免
因为话务导致切换失败的情况出现．
但在新增第４小区时要注意保持基站与铁路合
理的站址及站间距．由于第４小区专门覆盖铁路，应
尽量减少对非铁路区域的覆盖．因此和铁路越近，效
果越好．站间距宜在１ｋｍ 以上，列车高速移动，要
保证切换和重选合理，必须有这个距离．新增第４小
区的缺点主要是引入功分器增加３．５ｄＢ损耗，因此
应注意边缘覆盖．
２．３　专网方案和公网方案比较
高铁专网与公网组网方式对比见表３．
表３　高铁组网方式对比
项目专网方式公网方式
覆盖区域只覆盖高速铁路带状区域，铁路附近其他区域覆
盖由公网解决
高速铁路和铁路附近区域均需覆盖
信号场强要求专网信号只覆盖铁路，不覆盖周边区域，要求对信
号有很好的控制，尽量避免对外围区域的泄漏
铁路覆盖与周边公网统一规划，不存在信号泄漏
问题
业务量需求只需满足列车上用户的需求，业务量需求较低满足列车上用户及铁路周边区域用户的需求，业
务量需求较高
频率配置专网覆盖站点和外部公网基站需按照异频方式配
置，建议使用专用频率
和周边公网统一进行频率配置，不需要专用频率
临区设置只在车站区域设立与公网的出入口，铁路覆盖内
小区不设公网邻区，不与公网进行小区重选和切
换，所有切换和重选只在内部进行
公网方案中覆盖铁路的小区虽在网络优化时尽量
减少与外网邻区关系，但一般还保留与大网的主
要相邻关系
网络优化后期的网络优化相对简单，只需要考虑缓冲区域
内与公网之间的优化
后期优化较困难，特别实在缓冲区域或高速线经
过的较为复杂的地理环境时，如何兼顾高速移动
用户和低速移动用户是优化的难点
　　从对比分析看，采用专网覆盖方案具有很大的
优越性，因此建议采用专网覆盖方式，解决高速铁路
的网络覆盖问题．
３　武广高铁覆盖概述
武广客运专线是我国铁路高速客运网主骨架北
京至香港客运专线的组成部分，位于湖北、湖南、广
东三省境内，自武汉站引出，终于新广州站，正线全
长９６８．４５ｋｍ，其中湖北省境内长１５２．８２ｋｍ，湖南
省境内长５１７．９５ｋｍ，广东省境内长２９８．４８ｋｍ．武
广铁路客运专线设计时速达３８０ｋｍ，实际运行速度
能达到２６０～２７０ｋｍ／ｈ（湖南境内武广客运专线运
行时速按照时速３５０ｋｍ进行计算）．
３．１　中国联通ＷＣＤＭＡ无线覆盖方式
武广高铁目前采用专网覆盖方式，全省统一规
划，统一建设武广客运专线专用网络系统，根据地理
位置情况，长沙、株洲和湘潭境内高铁距离相对较
短，铁路在株洲和湘潭两地间穿插，且三地区联通通
信已经一体化，因此将全省划分为岳阳、长株潭、衡
阳和郴州４个小型专用网络，分别使用不同厂商
ＢＢＵ＋ＲＲＵ 设备，并分别挂入各地区专用ＢＳＣ／
ＲＮＣ．
优点：有效地解决大专网方案网络优化、维护困
难、计费和拨号出现问题的情况；如果要实现在一个
ＲＮＣ下，计费划分在长株潭３个地市，无线方面需
要在一个ＲＮＣ下划分出３个不同的ＬＡＣ，在核心
网侧需要划分大本地网，让核心网针对每个ＬＡＣ
分配不同的ＶＬＲ　ＧＴ地址，带３个不同的ＬＡＣ，对
ＶＬＲ（ＨＬＲ）发起位置更新，更新计费营帐数据；另
外３个地市的号段也不同，计费也能区分开．
缺点：各地区专网边缘增加跨ＢＳＣ／ＲＮＣ 和
ＭＳＣ的小区重选和切换，容易造成掉话．
１　１８　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　甘 肃 科 学 学 报　　　　　　　　　　　　　　　　　２０１２年　第２期
对于多普勒频移，目前主流设备厂家的３Ｇ设
备均已经采用频偏补偿技术，对于时速３８０ｋｍ 以
内的多普勒频移，均可以正常解调信号．
在采用专网覆盖方式下，新建站点采用ＢＢＵ＋
ＲＲＵ分布式基站，便于安装、节能．同时结合采用拉
远的ＲＲＵ 方式，使用功分器，沿铁路两侧覆盖，以
延长基站小区覆盖范围，减少小区间切换频次．拉远
的ＲＲＵ尽可能与原有基站实施小区合并．
ＷＣＤＭＡ切换时长为２．４ｓ，可以据此计算出
相邻两个基站间所需的重叠覆盖距离．在武广高铁
实际实施时，按照３ｓ的保守考虑，运行速度为
３３０ｋｍ／ｈ时，切换距离为２８０ ｍ；运行速度为
３８０ｋｍ／ｈ时，切换距离为３２０ｍ．在站点布放时按照
此原则来选取基站位置，可以比较好地克服３Ｇ 切
换的问题．
３．２　武广高铁岳阳段测试结果
武广高铁岳阳段专网室外覆盖共新建站点６８
个，其中室外ＷＣＤＭＡ 系统ＢＢＵ＋ＲＲＵ 站点２１
个，单ＲＲＵ 站点３４个，直放站１３个，平均站距约
为１．５ｋｍ．指标对比结果见表４．
表４　武广高铁覆盖前后测试对比结果％
武广高铁
覆盖指标
信号良好覆盖率
（ＲＳＣＰ≥－９０ｄＢｍ）
业务质量良好比例
（Ｂｅｓｔ　Ｅｃ／Ｉｏ＞－１２ｄＢ）
话音电话
拨打成功率
话音用户
掉话率
专网覆盖前４８．４９　５１．０５　５３．６５　３．８７
专网覆盖后９５．３７　９５．６５　９６．０２　０．４９
　　由表４可看出，采用专网覆盖后车内ＲＳＣＰ＞
－９０ｄＢｍ点的累计分布为９５．３７％，ＥｃＩｏ＞－１２ｄＢ
的点为９５．６５％，满足网络建设目标，可以提供满意
的视频业务（Ｖｅｄｉｏ　Ｐｒｏｆｅｓｓｉｏｎ）及ＨＳＤＰＡ服务．
４　结语
对高速铁路ＷＣＤＭＡ 网络覆盖的影响因素进
行分析，提出专网解决方案和公网解决方案，通过比
较得出专网覆盖方案更优的结论．
高速铁路的大规模建设在我国还属于起步阶
段，移动网络高铁覆盖还没有成熟经验可循，因此还
需要相关技术人员在后续运行维护期间，不断积累
实践经验，总结完善，做好高铁网络覆盖．
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