淺析高速鐵路3g通信覆蓋及切換技術(shù)

1、<p>　　淺析高速鐵路3G通信覆蓋及切換技術(shù)</p><p>　　【摘要】 本文首先介紹了高速鐵路移動(dòng)通信基本情況，分享了高速鐵路通信系統(tǒng)建設(shè)中無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)存在的問題，并提出了具有可行性、有效性的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案以及快速切換技術(shù)，以優(yōu)化高速鐵路無線移動(dòng)通信服務(wù)。 </p><p>　　【關(guān)鍵詞】 高速鐵路 3G通信 切換技術(shù) </p><

2、p>　　目前由我國聯(lián)通運(yùn)營的WCDMA、電信公司運(yùn)營的CDMA2000以及移動(dòng)公司運(yùn)營的TD-SCDMA是國際上應(yīng)用比較成熟的3G通信技術(shù)三大標(biāo)準(zhǔn)。高速鐵路環(huán)境的特殊性以及越區(qū)切換的頻繁導(dǎo)致車載用戶經(jīng)常出現(xiàn)掉話現(xiàn)象以及語音斷續(xù)和無法接通的情況。為了提高高速鐵路無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量，應(yīng)進(jìn)一步優(yōu)化高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案、優(yōu)化切換技術(shù)，從多個(gè)方面提高切換切換成功率和較低的掉話率。 </p><p>　　一、

3、高速鐵路移動(dòng)通信基本情況 </p><p>　　我國鐵路自2007年經(jīng)過6次提速后。高速鐵路列車速度到達(dá)200km/h以上，這也意味高速鐵路時(shí)代的到來。隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)展，高速鐵路實(shí)現(xiàn)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)無縫覆蓋以及提高移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量是當(dāng)前的一個(gè)重要發(fā)展目標(biāo)。分析高速鐵路移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋情況，通信網(wǎng)絡(luò)主要是沿著鐵路線呈線狀分布。高速鐵路無線通信信號受到的影響主要有兩個(gè)方面，一是多普勒頻移效應(yīng)，即列車沿鐵路高速

4、運(yùn)行過程中由于快速移動(dòng)引起的接收機(jī)信號頻移；二是車體對無線通信信號的消耗，主要是高速鐵路新型列車造成的消耗。同時(shí)，越區(qū)切換問題也會(huì)對高速鐵路無線通信信號造成一定影響。 </p><p>　　1.1多普勒頻移效應(yīng)的影響 </p><p>　　無線信道容易受到環(huán)境影響，在列車高速行駛的情況下，鐵路無線信道的沖擊響應(yīng)也會(huì)隨著發(fā)生快速變化，無線信號中心頻率會(huì)在多普勒頻移效應(yīng)的影響在發(fā)生明顯偏移，對

5、無線信道環(huán)境造成嚴(yán)重負(fù)面影響，進(jìn)而造成系統(tǒng)信息傳輸誤碼率提高，影響移動(dòng)通訊性能。列車沿鐵路高速運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)與列車行駛的速度成正比關(guān)系，所以列車行駛速度越快，其產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)越明顯。另外，列車行駛方向與基站信號方向之間的夾角大小對多普勒頻移效應(yīng)的強(qiáng)弱也用一定影響。在實(shí)際情況當(dāng)中，為了增強(qiáng)無線信號的穿透能力， </p><p>　　基站往往被設(shè)置在距離軌道較近的位置，這樣可以有效增強(qiáng)無線信號的穿透

6、能力，然而這種情況下行駛方向與基站信號方向之間的夾角較小，可導(dǎo)致多普勒頻移效應(yīng)加劇。 </p><p><b>　　1.2車體的影響 </b></p><p>　　車體對無線信號的損壞體現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是列車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，二是車廂入射面與信號的夾角。為了加強(qiáng)車體的穩(wěn)固性，高鐵列車都是全封閉式結(jié)構(gòu)，而且部分高鐵列車還采用金屬鍍膜玻璃，列車的高度密閉性以及材質(zhì)的特殊性就可以導(dǎo)

7、致無線信號穿透列車時(shí)產(chǎn)生極大的損耗，相比其他普通列車對無線信號的損耗，高鐵列車對無線信號的減弱要高出10dB以上，而且對手機(jī)信號產(chǎn)生的屏蔽效果超過24dB，對用戶的正常通訊造成極大影響。下面是幾種列車對無線信號的損耗情況： </p><p>　　另外，車體對無線信號的損耗同時(shí)也受到車廂入射面與信號之間夾角大小的影響，夾角越小，損耗越大。 </p><p>　　1.3越區(qū)切換的影響 <

8、/p><p>　　除了多普勒頻移效應(yīng)以及車體的影響以外，高鐵列車的越區(qū)切換也會(huì)對無線信號造成一定影響。對于小區(qū)間的切換區(qū)，列車可以快速穿過，車速與列車經(jīng)過切換區(qū)的時(shí)間成反比，移動(dòng)速度越快，駐留時(shí)間越短，當(dāng)列車速度在切換區(qū)的駐留時(shí)間足夠短，并且小于系統(tǒng)最小切換時(shí)間時(shí)，切換流程就無法完成，，進(jìn)而導(dǎo)致切換失敗，出現(xiàn)掉話現(xiàn)象。 </p><p>　　二、高速鐵路的移動(dòng)通信無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋 </p&g

9、t;<p>　　為了減小掉話率，提高切換率，設(shè)計(jì)合理、有效的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案非常關(guān)鍵。在鐵路交會(huì)區(qū)域內(nèi)，移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)多呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，而其他鐵路沿線大部分多為鏈狀結(jié)構(gòu)。在高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的設(shè)計(jì)中，主要內(nèi)容包括三個(gè)方面一是建網(wǎng)，二是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)的選擇和應(yīng)用，三是基站的選址，其中鐵路沿線各基站的相關(guān)部署是非常重要的環(huán)節(jié)。 </p><p><b>　　2.1建網(wǎng) </b>

10、;</p><p>　　移動(dòng)、聯(lián)通以及電信三個(gè)運(yùn)營商均采用大網(wǎng)架構(gòu)的組網(wǎng)方式，與一般的建網(wǎng)相比，高速鐵路基站的建立沒有什么區(qū)別，也在大網(wǎng)架構(gòu)之內(nèi)，所以高速鐵路的建網(wǎng)只需要對原來的通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行有效補(bǔ)充。一方面對現(xiàn)有的大網(wǎng)基站進(jìn)行進(jìn)一步優(yōu)化，另一方面在鐵路沿線的盲點(diǎn)建立新的基站，通過對有效資源的優(yōu)化以及基站補(bǔ)盲，不僅使周邊各區(qū)域均能實(shí)現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋，同時(shí)也滿足了高速鐵路沿線的無線網(wǎng)絡(luò)通信需求。移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過多年的發(fā)展和

11、優(yōu)化，高速鐵路沿線基本上完全實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，只有一些較特殊的區(qū)域路段，例如長隧道、隧道群等的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆還比較欠缺，此時(shí)可采用局部補(bǔ)盲的方式解決，這種方法雖然成本少、見效快，但適用范圍有限，比較適合用于無線信號損耗較小的列車線路，例如合武鐵路湖北段的建設(shè)就是采用這種方法。另外，高速鐵路沿線附近很多小區(qū)域網(wǎng)絡(luò)覆蓋因?yàn)椴皇菍ｉT針對高速鐵路進(jìn)行的覆蓋，所以多存在覆蓋不均勻、覆蓋重疊等情況，很容易造成切換失敗，所以有必要針對高速鐵路的特殊環(huán)境

12、建設(shè)專門的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)，目前已經(jīng)投入使用的移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方法有地面專網(wǎng)建設(shè)（例如溫福鐵路、甬臺(tái)溫鐵路）、車地結(jié)合專網(wǎng)建設(shè)等。 </p><p>　　2.2無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案 </p><p>　　建網(wǎng)完成后就需要設(shè)計(jì)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，在有效的建網(wǎng)策略基礎(chǔ)上，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際需要盡量體現(xiàn)出靈活性、多樣化。例如基站與普通直放站結(jié)合、列車綜合接入、基帶處理單元+射頻拉遠(yuǎn)模塊擴(kuò)展

13、小區(qū)等都是比較常用的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，其他還有數(shù)字直放站擴(kuò)展小區(qū)、列車中繼轉(zhuǎn)發(fā)等方案。高速鐵路不同路段可以結(jié)合具體條件和實(shí)際需要選擇不同的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案。例如京津城際、滬寧高鐵主要采用的是基帶處理單元+射頻拉遠(yuǎn)模塊擴(kuò)展小區(qū)方案，另外通過設(shè)置直放站對部分路段進(jìn)行輔助?；鶐幚韱卧枰蟹胖?，主要負(fù)責(zé)處理基帶資源，實(shí)現(xiàn)基帶資源共享，并通過光纖與射頻拉遠(yuǎn)模塊連接。射頻拉遠(yuǎn)模塊的位置設(shè)置比較靈活，利用射頻拉遠(yuǎn)模塊可以拉遠(yuǎn)基站，使多小區(qū)的合并，進(jìn)

14、而擴(kuò)大覆蓋范圍，減少切換頻率。在切換區(qū)的設(shè)置過程中，要注意切換區(qū)的大小要設(shè)計(jì)合理，如果切換區(qū)太小，就會(huì)因?yàn)榱熊囻v留時(shí)間太短，還沒來不及切換就已經(jīng)穿過切換區(qū)，容易引起掉話現(xiàn)象。切換區(qū)的大小可以根據(jù)列車移動(dòng)速度以及距離來確定，同時(shí)，預(yù)留適當(dāng)?shù)挠嗔恳彩潜仨氁紤]到的問題。 　　2.3基站選址的優(yōu)化 </p><p>　　基站選址優(yōu)化是指通過對高速鐵路沿線基站數(shù)量以及基站位置的優(yōu)化以達(dá)到無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的目的，基站的優(yōu)化過

15、程應(yīng)遵循經(jīng)濟(jì)性、實(shí)用性、有效性原則，盡可能以較低的成本實(shí)現(xiàn)獲得高性能的網(wǎng)絡(luò)。蜂窩小區(qū)作為移動(dòng)通信系統(tǒng)的基本單元，其幾何特性對信號同頻干擾有一定關(guān)系，同時(shí)也會(huì)影響越區(qū)切換，因此在無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋中，基站選址優(yōu)化是最重要的內(nèi)容，同時(shí)也是最為復(fù)雜的環(huán)節(jié)。近年來隨著3G技術(shù)的快速發(fā)展，目前已經(jīng)出現(xiàn)了很多種關(guān)于3G基站選址的方案，例如基于仿生學(xué)算法的方案、基于免疫計(jì)算的方案、基于遺傳算法的方案等，各種基站選址優(yōu)化方案對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋技術(shù)的發(fā)展都有著重要

16、意義。 </p><p><b>　　三、切換技術(shù) </b></p><p>　　處于通話狀態(tài)的用戶與基站之間的都存在一定的通信鏈路，在通訊終端高速移動(dòng)的過程中，用戶與當(dāng)前基站之間的通信鏈路要轉(zhuǎn)移奧下一個(gè)基站并保證通話不被中斷，該過程就是切換過程。通常情況下，切換主要有硬切換和軟切換兩種，通訊終端與舊基站的連接終端后再建立與新基站的連接稱為硬切換；通訊終端高速移動(dòng)并經(jīng)

17、過多個(gè)蜂窩時(shí)通話不發(fā)生中斷，此時(shí)通訊終端可以與多個(gè)基站相連接，此為軟切換。硬切換方式不涉及移動(dòng)交換中心，只是發(fā)生于蜂窩內(nèi)部。在列車沿高速鐵路運(yùn)行過程中，由于環(huán)境因素的影響，可能會(huì)發(fā)生多種不同的切換，不僅會(huì)發(fā)生硬切換、軟切換，另外還可能發(fā)生虛擬軟切換和更軟切換。CDMA系統(tǒng)采用的是軟切換和更軟切換，WCDMA系統(tǒng)采用的切換方式主要是硬切換、軟切換，虛擬軟切換是一種接力切換方式，介于硬切換和軟切換之間，TD-SCDMA采用的就是這種切換方式

18、。相比其他切換方式，接力切換方式結(jié)合了硬切換和軟切換兩種方式具備的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)又彌補(bǔ)了兩者的缺點(diǎn)，這種切換方式切換成功率高，掉話率低。 </p><p>　　切換成功與否主要取決于兩個(gè)方面，一是切換距離，二是覆蓋小區(qū)的重疊距離，兩個(gè)因素值與切換時(shí)間以及通訊終端的移動(dòng)速度成正比關(guān)系。由于小區(qū)雙向切換的影響，切換距離與覆蓋小區(qū)重疊距離之間應(yīng)該是1比2的關(guān)系。從原理上分析，越區(qū)切換的性能與蜂窩小區(qū)的幾何特點(diǎn)有著密切聯(lián)系，

19、所以無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的合理性設(shè)計(jì)非常重要，需要針對實(shí)際情況進(jìn)行優(yōu)化，并選擇高效、快速的切換算法，減少掉話率，提高切換成功率。 </p><p><b>　　四、結(jié)論 </b></p><p>　　無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)是高速鐵路3G通信系統(tǒng)的重要技術(shù)，加強(qiáng)對移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的研究對促進(jìn)高速鐵路發(fā)展有著重要意義。目前，無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋以及切換技術(shù)仍處于發(fā)展階段，還需要進(jìn)行

20、不斷研究、探索以進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)性能以及高速鐵路無線移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量。 </p><p><b>　　參 考 文 獻(xiàn) </b></p><p>　　[1] 孫鋼，楊磊.高速鐵路無線覆蓋方案研究[J].數(shù)字通信世界，2015，（6）：110-110. </p><p>　　[2] 蔣新華，朱銓，鄒復(fù)民等.高速鐵路3G通信的覆蓋與切換技術(shù)