文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: B
文章編號(hào): 0258-7998(2010)10-0121-04
自2007年中國(guó)鐵路啟動(dòng)第六次大面積提速以來(lái),已在國(guó)內(nèi)新增3 500多千米的鐵路提速線路。主要干線列車(chē)時(shí)速達(dá)到160 km/h以上,部分路段可達(dá)到250~350 km/h。在“十一五”期間,我國(guó)將建設(shè)新線19 800 km,其中時(shí)速在300 km以上高鐵就超過(guò)5 457 km。相對(duì)于高速公路的通常限制速率在120 km/h以?xún)?nèi)而言,高速鐵路因特有的高時(shí)速、高穿透損耗等特點(diǎn),其無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋與普通鐵路或高速公路的覆蓋有所不同,干擾因素更多,更具復(fù)雜性[1]。
實(shí)現(xiàn)高速列車(chē)3G" title="3G" target="_blank">3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是個(gè)十分復(fù)雜的問(wèn)題。除了設(shè)備軟件或硬件故障以外,無(wú)線環(huán)境、參數(shù)設(shè)置、基站距離等方面都可能造成影響[2]。由于無(wú)線信道不像有線信道那樣固定且容易預(yù)測(cè)[3],通常采用電波傳播損耗模型來(lái)計(jì)算路徑傳播損耗,通過(guò)預(yù)測(cè)特定點(diǎn)或特定區(qū)域的無(wú)線信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)來(lái)確定無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋范圍與信號(hào)強(qiáng)弱[4]。國(guó)內(nèi)相關(guān)研究主要側(cè)重于列控信號(hào)的無(wú)線傳輸[5-6]。高速鐵路列車(chē)內(nèi)大多是商務(wù)客戶群,對(duì)移動(dòng)語(yǔ)音、寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求量大,因此,保證高速鐵路環(huán)境下3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋已成為高速鐵路建設(shè)中需要迫切解決的問(wèn)題。
1 理論分析和測(cè)試方法
在高速鐵路環(huán)境下,無(wú)線信道工作的主要特點(diǎn)為:列車(chē)以曲線半徑不小于7 km的直道行駛為主,處于高速、整體道床、長(zhǎng)鋼軌、全封閉式運(yùn)行條件,所經(jīng)鐵路沿線鋪有占地較寬的復(fù)線路基,基站天線的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋范圍為沿鐵路線的帶狀線形區(qū)域;對(duì)于視線路徑,直射射線在列車(chē)天線接收信號(hào)中占主要部分[7-8]。根據(jù)以上特點(diǎn),通過(guò)理論分析與實(shí)際測(cè)試的方法,采用便攜式頻譜儀在車(chē)廂內(nèi)進(jìn)行在線測(cè)量場(chǎng)強(qiáng),對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋產(chǎn)生影響的主要數(shù)據(jù)進(jìn)行定量分析如下。
1.1 車(chē)體穿透損耗
從現(xiàn)車(chē)測(cè)量得到,車(chē)廂的穿透損耗會(huì)直接影響車(chē)廂內(nèi)終端的接受信號(hào)強(qiáng)度,從而影響到鐵路沿線小區(qū)的覆蓋范圍。在靜止?fàn)顟B(tài)下,如圖1所示,隨著車(chē)廂穿透損耗的增加,小區(qū)覆蓋半徑將會(huì)明顯縮小。參考室內(nèi)環(huán)境下墻壁對(duì)無(wú)線信號(hào)的衰減作用,根據(jù)MOTLEY提出的室內(nèi)傳播的模型,其路徑損耗公式為:
高速列車(chē)因采用密閉的箱體設(shè)計(jì),導(dǎo)致更高的車(chē)體穿透損耗。以“和諧號(hào)”動(dòng)車(chē)組CRH為例,列車(chē)為全封閉車(chē)廂,車(chē)身由鋁合金和不銹鋼材料組成,車(chē)窗采用特殊材質(zhì)制成。在靜止條件下進(jìn)行穿透損耗測(cè)試,車(chē)體電導(dǎo)率為21 494×107 S/m,機(jī)車(chē)的前窗和側(cè)窗均采用相對(duì)介電常數(shù)為5.5的玻璃材料制成,較于普通列車(chē)而言,動(dòng)車(chē)組列車(chē)的車(chē)廂穿透損耗相對(duì)更高。普通列車(chē)的車(chē)廂穿透損耗平均值比動(dòng)車(chē)組要小10~15 dB。普通列車(chē)和動(dòng)車(chē)組車(chē)廂的車(chē)廂穿透損耗比較如圖2所示。
測(cè)試數(shù)據(jù)表明,以CRH1(龐巴迪型列車(chē))的車(chē)體垂直穿透損耗為最大,達(dá)到24 dB。在高速鐵路的3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)中,采用該車(chē)型為參考模型,以滿足全系列高速列車(chē)的信號(hào)覆蓋要求。
在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,車(chē)廂穿透損耗還受到“掠射角”,即基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角影響。對(duì)“掠射角”的圖例說(shuō)明如圖3所示。
測(cè)試數(shù)據(jù)表明,當(dāng)“掠射角”等于10°時(shí),車(chē)廂平均穿透損耗為24 dB 左右;當(dāng)它等于5°時(shí),車(chē)廂平均穿透損耗上升至29 dB;當(dāng)“掠射角”接近0°時(shí),車(chē)廂平均穿透損耗呈現(xiàn)快速上升的狀態(tài)如圖4所示。所以,合理控制“掠射角”,能夠更好更省地滿足高速鐵路的覆蓋目標(biāo)。取“掠射角”的臨界值為10°,根據(jù)基站的站間距,即可計(jì)算得出:基站距鐵軌的垂直距離范圍,應(yīng)滿足基站距鐵軌垂直距離范圍在(基站距鐵軌最小垂直距離,1/2基站站間距)之間。
1.2 地形地貌損耗
我國(guó)地域幅員廣闊,地形復(fù)雜多樣,高速鐵路穿越的區(qū)域類(lèi)型多種多樣,貫穿了多種地形地貌、特殊場(chǎng)景,有平原、山地、丘陵、高架橋、隧道等。按地貌類(lèi)型分,可分為類(lèi)平原區(qū)域和類(lèi)山嶺區(qū)域;按行政區(qū)劃分,可分為密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊縣、農(nóng)村;按特殊場(chǎng)景劃分,可分為隧道、狹長(zhǎng)地形、橋梁、車(chē)站。通常情況下,類(lèi)平原區(qū)域包含了所有行政區(qū)域,而山區(qū)、丘陵等類(lèi)山嶺區(qū)域絕大多數(shù)包含郊縣和農(nóng)村。類(lèi)平原區(qū)域基本上設(shè)立了重要的車(chē)站、過(guò)江的橋梁和部分“U”型地塹;而類(lèi)山嶺區(qū)域多數(shù)存在過(guò)山的隧道、架空的高架鐵路橋梁、狹長(zhǎng)的山谷和普通的小車(chē)站。依據(jù)Hata模型理論,在鐵路沿線適用中值路徑損耗公式為:
測(cè)試數(shù)據(jù)表明,路徑損耗從大到小為密集市區(qū)、一般市區(qū)、丘陵、郊區(qū)、農(nóng)村(見(jiàn)圖5)。根據(jù)不同因素劃分的覆蓋區(qū)域,以各自特點(diǎn)不同,分為通過(guò)優(yōu)化后的大網(wǎng)基站覆蓋和新建基站、RRU 拉遠(yuǎn)和直放站覆蓋等多種方式靈活運(yùn)用,滿足信號(hào)覆蓋要求。
1.3 區(qū)域覆蓋重疊與切換
終端移動(dòng)速率的提高,會(huì)帶來(lái)更加顯著的多普勒效應(yīng)。多普勒頻率偏移量的增大,加劇了無(wú)線信道的變化,直接影響基站和終端接收機(jī)的性能。隨著頻偏的增加,用戶終端的測(cè)量性能也隨之下降,當(dāng)頻偏超過(guò)某一門(mén)限后,切換事件和流程將無(wú)法被觸發(fā)。良好的信號(hào)覆蓋可以有效降低頻率偏移對(duì)終端測(cè)量性能的影響,但是覆蓋重疊區(qū)過(guò)多也將產(chǎn)生導(dǎo)頻污染[9],或者出現(xiàn)同頻、鄰頻干擾[10],“乒乓效應(yīng)”嚴(yán)重,造成切換成功率下降。為滿足高速鐵路環(huán)境下的3G網(wǎng)絡(luò)正常切換、接入和位置登記時(shí)延,需要合理設(shè)計(jì)切換區(qū)域和覆蓋重疊區(qū)域長(zhǎng)度。
如圖6所示,r1、r2分別是兩個(gè)基站對(duì)應(yīng)小區(qū)的規(guī)劃覆蓋半徑,h1、h2分別是兩個(gè)基站離高速鐵路的距離,θ 是最小掠射角,h 是規(guī)劃的切換區(qū)域大小??梢酝茖?dǎo)得到站間距的估算公式為:
對(duì)應(yīng)不同小區(qū)覆蓋半徑,結(jié)合不同速率下的切換區(qū)大小需求,可以計(jì)算得到站間距的大小。
高速鐵路沿線的切換分軟切換、硬切換和虛擬軟切換,三種切換將會(huì)在多種不同時(shí)速的環(huán)境下發(fā)生。根據(jù)測(cè)試的數(shù)據(jù),各種切換距離和小區(qū)間重疊覆蓋距離如表1所示。
從表1數(shù)據(jù)可以看出,軟切換方式對(duì)用戶業(yè)務(wù)影響小,應(yīng)協(xié)調(diào)優(yōu)先考慮設(shè)置;若對(duì)于長(zhǎng)隧道、狹長(zhǎng)山谷等較窄的具有很強(qiáng)方向性的地形,則應(yīng)采用硬切換算法,保證切換快速及時(shí)。切換算法應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況合理選取,并通過(guò)后續(xù)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化改善切換性能。
2 高速環(huán)境下的3G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃
與常規(guī)的3G網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃相比,高速鐵路覆蓋規(guī)劃具備較強(qiáng)的特殊性,除了考慮信號(hào)覆蓋能力外,對(duì)3G鏈路預(yù)算也是網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要因素,鏈路預(yù)算是一種為不同3G業(yè)務(wù)提供小區(qū)范圍評(píng)估的有效方法。其預(yù)算的結(jié)果被稱(chēng)為最大各向同性路徑損耗。使用適當(dāng)?shù)膫鞑ツP涂梢詫⑵滢D(zhuǎn)化為基站覆蓋的小區(qū)范圍。
在3G網(wǎng)絡(luò)中,話音業(yè)務(wù)仍然是最基礎(chǔ)的業(yè)務(wù)。因此,鏈路預(yù)算以9.6 kb/s速率為主,兼顧19.2 kb/s~153.6 kb/s。為滿足寬帶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求,鏈路預(yù)算應(yīng)根據(jù)所使用的業(yè)務(wù)特點(diǎn)進(jìn)行。對(duì)于非對(duì)稱(chēng)的以下行為主的數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),重點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行前向業(yè)務(wù)信道的鏈路預(yù)算;對(duì)于對(duì)稱(chēng)型數(shù)據(jù)業(yè)務(wù),重點(diǎn)應(yīng)進(jìn)行反向鏈路預(yù)算(反向速率等級(jí)從4.8 kb/s~1.8 Mb/s不等)。
因高速鐵路沿線呈現(xiàn)線覆蓋模式,容量規(guī)劃可引入“線容量”的概念,計(jì)算單位距離的語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的容量需求。計(jì)算流程圖如圖7所示。
依據(jù)給定長(zhǎng)度的高速鐵路(高速鐵路為復(fù)線鐵軌,所以計(jì)算的總里程是高速鐵路長(zhǎng)度的兩倍)、發(fā)車(chē)間隔時(shí)間和列車(chē)的運(yùn)行速度,計(jì)算出同一時(shí)刻在本段高速鐵路下運(yùn)行著的列車(chē),并計(jì)算出實(shí)際的乘客數(shù)量;通過(guò)移動(dòng)用戶滲透率、語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)忙時(shí)話務(wù)量、數(shù)據(jù)用戶比例等相關(guān)的經(jīng)驗(yàn)值,計(jì)算出總需求話務(wù)量與吞吐量。因在同一條高速鐵路線路下,需考慮到不同區(qū)域類(lèi)型有不同的列車(chē)運(yùn)行速度,同時(shí)因停靠站附近存在列車(chē)加減速現(xiàn)象,考慮不同區(qū)域類(lèi)型的容量因子,使得最終線容量=原始線容量×容量因子。對(duì)于BBU+RRU直放站覆蓋方式基本在特殊地形,如隧道、“U”型地塹等使用,列車(chē)時(shí)速在250 km/h以上,此情況下無(wú)需考慮容量因子,但必須考慮軟切換余量。隨著高速鐵路的發(fā)展、網(wǎng)內(nèi)用戶的增加和業(yè)務(wù)的不斷拓新,還需要考慮長(zhǎng)遠(yuǎn)期的無(wú)線容量需求以滿足高鐵中高端商務(wù)旅行客戶的高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求。
3 結(jié)論
(1)車(chē)廂穿透損耗是影響車(chē)廂內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的基礎(chǔ)因素。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明,在靜止?fàn)顟B(tài)下,車(chē)體材質(zhì)及封閉程度將導(dǎo)致車(chē)廂穿透損耗上升;在運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下,“掠射角”的減小使車(chē)廂穿透損耗呈現(xiàn)上升的狀態(tài),其損耗效果是在靜止?fàn)顟B(tài)上的疊加。
(2)車(chē)廂內(nèi)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋的路徑損耗受高鐵沿線的地形地貌、建筑物密集程度及基站距離的綜合影響。路徑損耗與基站距離成正比,其極大值出現(xiàn)在密集市區(qū)。
(3)小區(qū)間重疊覆蓋及業(yè)務(wù)切換是抵消多普勒效應(yīng)的主要手段。合理設(shè)計(jì)重疊區(qū)域及切換算法可改善高速運(yùn)動(dòng)對(duì)用戶業(yè)務(wù)的影響。
(4)對(duì)3G網(wǎng)絡(luò)信號(hào)的覆蓋能力還應(yīng)考慮乘客的通信需求。在鏈路預(yù)算中引入“線容量”的概念,計(jì)算語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的無(wú)線容量。
參考文獻(xiàn)
[1] 趙景山. 移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)深度覆蓋研究[J]. 遼寧科技學(xué)院學(xué)報(bào),2006,8 (4):7-8.
[2] 西蒙.赫金. 現(xiàn)代無(wú)線通信[M].北京: 電子工業(yè)出版社, 2006.
[3] 莫利斯.無(wú)線通信[M].田斌,譯.北京:電子工業(yè)出版社, 2008.
[4] 吳彥鴻,王聰,徐燦. 無(wú)線通信系統(tǒng)中電波傳播路徑損耗模型研究[J]. 國(guó)外電子測(cè)量技術(shù),2009,28(8):35-37,41.
[5] 吳浠橋, 胡華. GSM-R無(wú)線傳播模型分析和擬合[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào), 2008(10):50-52,62.
[6] 浦實(shí),王均宏,李錚.高速鐵路環(huán)境下無(wú)線鏈路的一體化建模與分析[J]. 電波科學(xué)學(xué)報(bào),2009,24(1):43-49.
[7] 趙慶安. 在高速鐵路環(huán)境下電波傳播特性的模型分析[D]. 北京:中國(guó)鐵道科學(xué)研究院,2000:5-40.
[8] 蔣秋華,沈海燕,史天運(yùn),等. 鐵路無(wú)線信道模型的建立及應(yīng)用[J].交通運(yùn)輸系統(tǒng)工程與信息,2005,5(3):56-60.
[9] 薛建彬,陳海燕,張琦. CDMA2000 1X的導(dǎo)頻問(wèn)題和相關(guān)參數(shù)[J]. 蘭州理工大學(xué)學(xué)報(bào), 2005(06):103-106.
[10] 黃柏寧,戎蒙恬,劉濤. CBTC無(wú)線信道規(guī)劃中信道間干擾因子的研究[J]. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用,2009,45(25):228-230.