时速350公里京沪高铁的WCDMA网络覆盖建设策略

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[摘要]文章立足安徽联通网络现状和京沪高铁的特点，充分考虑移动业务的多样性和发展性，比较了两种基站建设策略，提出了针对时速350公里高速铁路的“一次规划，分步建设”的WCDMA网络覆盖策略。

[关键词]高速铁路　WCDMA　网络覆盖　基站建设

1　引言

随着2005年京津高铁项目的启动，全国铁路正式迈入了高速时代。按铁道部规划，到2012年，我国将建成客运专线42条，总里程1.3万公里，其中时速250公里的线路达5000公里，时速350公里的达8000公里。中国高铁建设进入了全速发展的新阶段。

2009年1月7日，工业和信息化部正式发放了3张3G牌照，这意味着中国也迈入了3G全速发展时代。中国联通在这一年多的建设中，已形成覆盖全国所有地市及县城的WCDMA网络，全网开通HSPA功能，在覆盖区内拥有强大的3G业务支撑能力。

因此，从某种意见上来看，联通3G和高铁都处在全面高速发展的历史阶段，机遇和挑战并存。如何结合高铁建设与运营的发展历程，以科学发展观为指导，实现联通3G对高速铁路的全线覆盖，提供高品质高铁网络，是现阶段联通3G网络规划的重要任务之一。

2　WCDMA高铁覆盖的特点分析

从无线通信网络的角度来看，高铁覆盖具备的特点是用户移动速度高、切换频繁、列车穿透损耗大等。这些对规划和设计提出了更高的要求。

2.1　多普勒频移分析

列车高速行驶造成的接收端与发射端信号频率差异即为多普勒频移：

fd=f/c・v・cosθ　(1)

其中fd为接收端频率，伪发射端频率，v为接收端和发射端相对速度，θ为移动方向和信号方向的夹角(即入射角)。

表1是WCMDA 2100M网络在不同时速下的最大多普勒频移情况：

2.2　列车穿透损耗分析

高速铁路列车采用密闭箱体设计，车体对无线信号的穿透损耗较高，表2列举了国内几种高速铁路新型列车的车体穿透损耗值：

图1是某设备商的测试结果。由图可知，信号入射角越小。穿透损耗越大；当入射角在10°左右时，CRH列车的平均穿透损耗可达20dB～25dB。

2.3　切换重叠区分析

WCDMA系统有两种状态的切换：通话和起呼。分析不同状态下切换的具体流程，WCDMA成功完成切换的时间，大约为1.2s。由图2可知，切换重叠区距离

L=2T×v　(2)

其中v为列车行驶速度。

表3为不同时速下切换区域情况：

3　京沪高铁覆盖规划与设计目标

京沪高铁是国家规划的“四纵四横”快速客运网的“北京一上海”客运专线。全长1318公里，途经北京、天津、河北、山东、安徽、江苏和上海七个省市。其中安徽段长为266公里，途经宿州、蚌埠和滁州三个地市，目前在建，计划于2011年6月通车。京沪高铁设计时速350公里，最高可达380公里。

3.1　京沪高铁WCDMA网络建设目标

覆盖目标：全线95％以上的路段，WCDMA网RSCP大于-95dBm。全线达到语音业务和VP(视频通话)业务(CS64kbps)连续覆盖，并能提供高速率的分组数据业务。

质量目标：全线接通率大于98％。掉话率小于1％，切换成功率大于98％。

工程目标：在保证网络服务的同时，做到建设成本最低、建设周期最短。

3.2　高铁覆盖基本参数取定

(1)列车穿透损耗

不同车型的火车车厢穿透损耗差异很大，车体损耗取值应按未来可能采用的车体类型考虑，以满足对全系列高速列车的覆盖要求。在京沪高铁规划中。车体损耗取值25dB。

同时，在设计中尽量控制基站与铁路垂直距离，避免入射角过小而造成穿透损耗过大。

(2)小区切换时间

设计中为保证切换可靠性，按时速350km/h计。WCDMA系统切换时间为3s，即重叠区域L=290m。

(3)多普勒频移

WCDMA制式标准允许的中心频率偏差为±800Hz。因此在时速350公里时，不会影响网络的正常运行。

3.3　基站覆盖半径的规划

根据不同业务在不同场景下上行链路预算的结果，计算覆盖半径如表4。

由此可看出，相同天面配置下，CS12.2kbps业务相对CS64kbps业务，其覆盖距离增加40％～60％左右。

4　高铁上不同3G业务对网络覆盖的要求

从链路预算结果看，不同业务所允许的最大路径损耗有所差异。CS12.2kbps和CS64kbps业务连续覆盖所允许的路径损耗相差约5dB，通过传播模型计算出的小区覆盖半径R电有所差异。

考虑到切换所需重叠覆盖区域，以及不同环境下的网络组网方式，可以计算出满足不同业务需求而需要设置的最小站距。

在城区环境下，采用65°天线蜂窝组网，站距D=1.5(R-L/2)；郊区环境下，考虑兼顾乡镇的覆盖，采用90°天线蜂窝组网，扇区夹角120°，站距D=1.73(R-L/2)，此时基站距铁路垂直距离建议500m～900m。如果基站距离铁路较近(300m～500m)，建议采用65。天线，扇区夹角150°左右，站距D=1.93(R-L/2)；如果是纯高铁覆盖，且不考虑兼顾乡镇的覆盖，可采用33。天线，基站距铁路垂直距离建议1 50m～300m。此时可以认为D≈29(R-L/2)。

表5为不同的业务需求情况下。基站的天线、站高、站距以及基站距铁轨垂直距离的典型参考值。

可见，在典型参数情况下，郊区基站考虑兼顾乡镇覆盖，如果保证VP业务连续，在挂高40m～50m情况下，平均站距在2.5km～2.8km之间；如果是纯道路覆盖，采用高增益窄波束天线。站距可以做到3.4km～3.9km。

如果只保证语音业务连续，郊区基站考虑兼顾乡镇覆盖，在挂高40m～50m情况下，平均站距在3.9km～4.5km之间；如果是纯道路覆盖，采用高增益窄波束天线，站距可以做到5.6km～6.0km。

5　基站建设策略比较

京沪高铁安徽段全长266km，设计时速350公里，考虑满足不同业务需求，基站建设策略有两种：

(1)策略一：一步到位，按满足CS64kbps业务连续覆盖，并可提供高速数据业务来建设基站，基站平均站距2.7km；

(2)策略二：分阶段建设，先满足纯语音业务连续覆盖，基站平均站距4.2km；随着WCDMA用户增长和业务的发展，再考虑逐步增加基站，满足CS64kbps连续覆盖和全线提供高速数据业务的要求。

不同的建设策略在新增基站规模和投资规模以及建设周期上，有较大差异，表6从覆盖里程所需基站数(加10％余量)、可利旧的基站配套数量(约30％基站可 现网共站建设)、设备和相关电源、配套和传输等平均综合造价计算以及投资额度等各个方面进行比较。

通过比较可知，如果采用一步到位的建设策略，一次性配套建设规模较大，比分步实施策略的高出一倍，投资规模也高一倍，但可满足VP业务的连续覆盖。分步实施的建设策略只能先提供语音业务的连续覆盖，在未来几年逐步增加覆盖站点，极端情况下，按每2个基站之间增加1个基站计算，最终平均站距达到约2.1km。

分步实施的建设策略的优点主要是：一次性投入较少，建设工程量小。未来的投资规模可根据业务发展逐步加大，投资效益比可控制。

6　京沪高铁覆盖策略及未来网络需求可能

6.1　近两年高铁覆盖策略

根据上面的业务需求分析和覆盖策略比较，安徽联通制定了分阶段进行京沪高速铁路无线网络覆盖的建设策略。

(1)高速铁路建设阶段

此阶段根据施工开工情况，有选择地挑选规划站址完成GSM/WCDMA基站的建设，为施工人员提供语音和低速数据等移动通信业务。

此阶段建设的基站需参考全线基站规划和布置。在高铁施工完毕后，只需做简单调整即可作为高铁线覆盖基站，以保护前期投资不浪费。

(2)WCDMA业务发展前期

京沪高速铁路计划2011年中开通运营，参考WCDMA业务的发展，将高铁覆盖规划期2010～2012年定义为WCDMA业务发展前期。

安徽联通综合考虑业务需求和工程实施条件，制定了分步实施策略来实现京沪高铁的wcdma网络覆盖，即在WCDMA业务发展前期，京沪高铁覆盖只满足WCDMA语音业务连续覆盖的需求，同时全线提供WCDMA高速数据业务接入能力。

6.2　未来几年高铁覆盖策略

未来几年，在WCDMA业务发展中期，要根据业务实际发展的情况，有针对性地完善京沪高铁的覆盖。

(1)情况一：VP业务快速发展，数据业务快速发展

VP业务对WCDMA网络覆盖有较高要求，为满足VP连续覆盖的需求，参考前面的分析，需在WCDMA业务发展前期的基站规划基础上新增一定量WCDMA基站，将平均站距减小至2km。在前期网络规划时，一并考虑未来需新增基站的站址选择，做好前期建设的基站和后续新增基站备选点的整体规划，实现“一次规划，分步实施”的建设策略。

新增基站后。除满足VP业务连续外，全线还能提供高速数据业务接入的能力。

(2)情况二：VP业务发展缓慢，高速数据业务快速发展

对于数据业务，对连续覆盖要求不高，但高速数据业务对下行覆盖链路有较高要求。此种情况可采用增强基站发射功率改善下行链路，开通WCDMA第二载波作为数据业务专用频道等手段解决高速数据业务需求，而无需新增基站。

对台宁高铁进行的基站发射功率调整测试表明，基站发射功率由20w(43dB)提高到40w(46dB)后，高铁沿线下行覆盖明显改善，HSPA业务测试结果非常理想。

7　结束语

我国高速铁路建设进入了蓬勃发展的新时期。通过分析不同3G业务对无线组网的不同需求，制定“一次规划、分步建设”的高速铁路覆盖方案。在目前投资压力较大、3G不同业务存在不同发展可能的情况下，不失为一种经济实用的组网方案。