中國(guó)電信無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中心：高鐵CDMA網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化淺析

隨著武廣、福廈等時(shí)速在350公里以上的客運(yùn)專線相繼落成，人們出行方式的選擇、工作環(huán)境的變化也將隨之改變。乘客不僅希望能體驗(yàn)到高速鐵路帶來的便利生活，也期待享受到無處不在的通信服務(wù)。

開往春天的高鐵

2009年春節(jié)，武廣高速鐵路正式投入春運(yùn)，高達(dá)350公里的時(shí)速，將武漢與廣州之間的鐵路旅行時(shí)間從11小時(shí)拉近到3小時(shí)。從年初一開始，每天都有武漢和廣州兩地的旅客相互拜年，早上人還在武漢，傍晚則趕回廣州。1000多公里的路程，來回也不過六個(gè)小時(shí)。春運(yùn)，讓更多的中國(guó)人感受到了高鐵的魅力。

武廣高鐵僅僅只是一個(gè)開始，隨著鄭西、福廈等高鐵客運(yùn)專線投入運(yùn)營(yíng)，以及在未來兩三年從北京到上海，從上海到武漢、成都、昆明的高速鐵路的建成通車，到2012年，以四縱四橫為主骨架的高速鐵路網(wǎng)將引領(lǐng)我國(guó)全面進(jìn)入高鐵時(shí)代。這個(gè)世界最大的高速鐵路網(wǎng)，將把經(jīng)濟(jì)最發(fā)達(dá)的長(zhǎng)三角、珠三角、環(huán)渤海地區(qū)，及其他城市密集地區(qū)緊緊相連。

與此同時(shí)，全球也掀起了高速鐵路建設(shè)熱潮，俄羅斯、法國(guó)、西班牙等國(guó)紛紛投入巨資。歐洲鐵路工業(yè)聯(lián)盟稱，2016年世界各國(guó)在高速列車方面的投入將升至1500億歐元。美國(guó)總統(tǒng)奧巴馬在今年的《國(guó)情咨文》里也一度放話：“我們沒有理由讓歐洲和中國(guó)擁有最快的鐵路。”

高鐵通信高要求

高鐵時(shí)代的來臨，改變的不僅是城市間的空間距離，它所帶來的還包括不同地域民眾舊有的生活節(jié)奏和觀念的巨變，主要是人們對(duì)出行方式的選擇——乘飛機(jī)不再是速度的唯一體現(xiàn)。更為重要的是，乘坐高鐵還能享受到乘坐飛機(jī)所不具備的通信服務(wù)。在飛馳的列車上，人們依舊可以打電話、發(fā)短信、瀏覽網(wǎng)頁、收發(fā)郵件。與平地上的通信不同，打造穩(wěn)定的高鐵通信網(wǎng)絡(luò)，提供可靠的通信質(zhì)量，運(yùn)營(yíng)商必須克服下面兩個(gè)問題：

首先是列車提速帶來通信區(qū)域的頻繁重選與切換。坐過“和諧號(hào)”列車的旅客都遇到過短信發(fā)不出去，電話經(jīng)常掉線或者不通的情況，這是因?yàn)槭謾C(jī)會(huì)在高鐵的運(yùn)行過程中頻繁重選和切換。

其次是多普勒頻移。列車運(yùn)行速度越快，多普勒頻移越大。當(dāng)列車時(shí)速為350km/h、電磁波頻率800MHz時(shí)，多普勒頻移的范圍是±260Hz。發(fā)生頻移后，系統(tǒng)測(cè)算的信號(hào)接收點(diǎn)，不是實(shí)際信號(hào)的最強(qiáng)接收點(diǎn)，這樣會(huì)降低通信的質(zhì)量。

破解通信難題

延伸切換重疊區(qū)域

CRH3型高速列車時(shí)速可達(dá)350km/h，每秒約達(dá)到100米，傳統(tǒng)方式假設(shè)CDMA網(wǎng)絡(luò)每小區(qū)覆蓋鐵路范圍1.5km，平均每次通話時(shí)長(zhǎng)60s，那么平均每次通話要發(fā)生4次切換。任何一次切換失敗都將導(dǎo)致用戶短信發(fā)送失敗、通話斷續(xù)。

若想保證切換成功率，最有效的方法就是延伸切換重疊區(qū)域。CDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)根據(jù)列車移動(dòng)速度預(yù)留一定的切換重疊區(qū)域，防止用戶剛進(jìn)入切換帶，源側(cè)信號(hào)突然變?nèi)?，此時(shí)新分支還沒有來得及加進(jìn)來，或者用戶剛通過切換帶，刪除了源側(cè)分支，但目標(biāo)側(cè)信號(hào)突然波動(dòng)變?nèi)?，?dǎo)致掉話。

考慮到C網(wǎng)切換從觸發(fā)到交互完成，整個(gè)軟切換過程大約需要1秒。在時(shí)速為350km/h的高速列車中，單邊切換區(qū)長(zhǎng)度要求大于97.2m，若雙向運(yùn)行切換，重疊區(qū)域要大于194m。鑒于硬切換過程通常為軟切換的5倍，因此高鐵對(duì)于跨廠家硬切換重疊距離要求為軟切換重疊距離的5倍。

另外，運(yùn)營(yíng)商還可根據(jù)實(shí)際情況采用扇區(qū)功分或同PN（Pseudo-Noise，偽/隨機(jī)噪聲） RRU級(jí)聯(lián)技術(shù)，延伸切換重疊區(qū)，減少切換頻率，提高終端用戶感知。

調(diào)整距離

移動(dòng)通信領(lǐng)域，將因波源或觀察者相對(duì)于傳播介質(zhì)的運(yùn)動(dòng)而使觀察者接收到的波的頻率發(fā)生變化的現(xiàn)象稱為多普勒效應(yīng)。在每小時(shí)超300km/h的高速移動(dòng)場(chǎng)景下，這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移。CDMA反向信號(hào)接收采用搜索窗原理，相比GSM的反向接收時(shí)隙設(shè)置范圍更大，但由于高速移動(dòng)導(dǎo)致接收機(jī)不能在最高功率點(diǎn)的相位與接收信號(hào)作擴(kuò)頻解調(diào)，信號(hào)能量存在部分丟失，這樣就對(duì)有用信號(hào)能量強(qiáng)度造成了影響，這就是為何列車在高速行駛時(shí)所產(chǎn)生的多普勒效應(yīng)，會(huì)影響下載速率和用戶感知。

因此，降低多普勒頻移效應(yīng)可通過加大站址和軌道之間的距離，減緩列車相對(duì)基站移動(dòng)速度，減少高速移動(dòng)對(duì)頻率解調(diào)的影響。優(yōu)化測(cè)試發(fā)現(xiàn)，基站距鐵路垂直距離大于50m、小于150m時(shí)效果最佳。

優(yōu)化京津高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋

高速鐵路的移動(dòng)通信覆蓋是一個(gè)世界性難題。京津高鐵作為國(guó)內(nèi)首條時(shí)速達(dá)380km/h的鐵路極具代表性，其全長(zhǎng)113.54 km，采用CRH3型列車，年客流量達(dá)到2555萬人次。北京電信在2009年4月摸底測(cè)試時(shí)發(fā)現(xiàn)，該高鐵部分區(qū)域存在覆蓋空洞、切換掉話、PDSN（Packet Data Serving Node）間無法切換等網(wǎng)絡(luò)問題，影響了用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

北京電信現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員通過延伸相鄰基站或同一基站不同扇區(qū)的重疊區(qū)域，如對(duì)“永樂開發(fā)區(qū)”等必掉點(diǎn)進(jìn)行PN改造、功分器共用扇區(qū)信號(hào)等方式，成功解決了該類場(chǎng)景的切換問題。在北京電信網(wǎng)優(yōu)中心、電信研究院以及華為公司為期數(shù)月的聯(lián)合攻關(guān)下，京津高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量得到了有效優(yōu)化，在2009年11月的三方測(cè)評(píng)中，話音質(zhì)量(FER3)從優(yōu)化前的91.67%提升至98.14%，里程掉話比從之前的17026m/次提升至113540m/次，網(wǎng)絡(luò)整體指標(biāo)得到了顯著改善。

隨著中國(guó)3G網(wǎng)絡(luò)的全面商用，以及社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人們?cè)诟咚僖苿?dòng)環(huán)境下使用通信工具進(jìn)行語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求越來越多，因此對(duì)高速環(huán)境下通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案進(jìn)行研究有著極其重要的意義。對(duì)高鐵沿線無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋進(jìn)行專項(xiàng)規(guī)劃和優(yōu)化，能提高整體網(wǎng)絡(luò)覆蓋水平，改善網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量，提升用戶滿意度。

表1 　C網(wǎng)切換重疊區(qū)域與速度對(duì)應(yīng)關(guān)系