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高铁CDMA<E移动通信网络的特点有:1.全封闭式车体结构穿透损耗大。车体损耗较普通列车大很多。2.多普勒效果明显。3.切换成功率降低。车速快,频繁的小区切换导致终端信号差、掉话率升高4.小区重叠区域较大。5.线状覆盖。6.场景复杂多样。本文从技术角度分析高铁C&L移动网络覆盖建设思路。
一、多普勒效果明显
当信号进入车厢时,不同的入射角对应的穿透损耗不同,当信号垂直入射时的穿透损耗最小。当基站的垂直位置距离铁道较近时,覆盖区边缘信号进入车厢的入射角小,穿透损耗大。对于以固定速度v 运动的移动台,所接收的载波会多普勒频移。在入射角为0°时,多普勒频移效应最明显。当高铁设计时速为350km/h时,f=850MHz时,对应的多普勒偏移大约为275Hz, f=2.1GHz时,对应的多普勒频移为680Hz。
1.1 CDMA2000系统能抵抗多普勒效应
CDMA2000基站使用的是高通的CSM6700/CSM6800芯片,允许的最大频移为960Hz,能够容许的最大移动速度为(入射角为0°):1296km/h。CDMA2000系统完全有能力抵抗多普勒效应,满足高速移动下的通信需求。但多普勒频移的存在,导致基站和手机的相干解调性能降低,链路预算时需在原有Eb/Nt的取值上增加约2dB。
1.2 LTE多普勒频移补偿算法消除频偏
2.1GHz频段,350km/h车速,此时多普勒频偏为680Hz,小于子载波间隔15kHz。时域上行DMRS信号间隔为0.5ms,可以克服±1kHz频偏。采用增强频偏估计算法:可适用于频偏大于1kHz、小于2.5kHz的超高速场景,支持2.1GHz频段最大移动速度为 450km/h。
二、切换成功率降低
手机在服务小区的信号强度衰落到一定程度,会触发小区重选或切换过程。必须保证在手机顺利进入新小区之前,当前小区的信号不会进一步衰落到门限值以下,否则空闲的手机可能脱网或切换失败而掉话。需要控制重叠区域的大小,来保证重选或者切换的完成。列车速度越高,所需重叠区域越大。
2.1 采用同小区(同PN)技术减少切换次数
多个RRU设置为同小区(同PN) 逻辑小区,在逻辑小区内部不需要切换。同小区技术使得切换次数大幅度减少,掉话率得到明显改善。
三、高铁红线外CDMA<E无线网设计
1、CDMA切换距离设置 CDMA软切换时间在0.3秒钟左右,虚拟软切换的时间在1秒钟左右。
考虑到今后高铁可能会重新提速到350公里/小时,即97米/秒,设计时按350公里/小时来考虑,则虚拟软切换距离应该为L=2TV=2×1×97=194米。
2、LTE切换距离设置 LTE切换时间在0.5秒钟左右,按350公里/小时来设计,则LTE切换距离应该为L=2TV=2×0.5×97=94米。
3、 CDMA基站距铁轨垂直距离,根据衰减因子模型在满足车厢内Rx ≥-93dBm前提条件下,建议C网基站距离铁轨的垂直距离在300m~500m之间。
LTE基站距铁轨垂直距离,同理在满足车厢内RSRP≥-105dBm前提条下建议L网基站距离铁轨的垂直距离在200m~350m之间。
4、站间距设置,经过现网实测:CDMA站间距大于2.5公里时,覆盖指标恶化比较明显,因此单个站间距不宜超过2.5公里;站间距小于1公里时,继续缩短站间距所获得的覆盖增益变小,但投资将大幅增加,因此单个站间距不宜小于1公里;C网基站的站间距建设设置在1.8km~2km左右。LTE站间距设置,建议设置在0.9km~1.1km左右。
四、 C&L网站址布局设计
高速铁路一般都为复线铁轨,也就是“来”和“往”的铁轨是不\在一条铁轨上,为了能够很好的兼顾复线铁轨“来往”列车的覆盖要求,建议基站采用“之”字形的分布方式。(图1)
部分铁路因各种特殊原因,如需绕过重要的设施、沿山谷行进等,需要采用“)”形弯轨形式,在这种情况下,需要考虑将基站选择在或者布置在“)”形弯道内侧,保证对“)”形弯道的良好覆盖。(图2)
一、多普勒效果明显
当信号进入车厢时,不同的入射角对应的穿透损耗不同,当信号垂直入射时的穿透损耗最小。当基站的垂直位置距离铁道较近时,覆盖区边缘信号进入车厢的入射角小,穿透损耗大。对于以固定速度v 运动的移动台,所接收的载波会多普勒频移。在入射角为0°时,多普勒频移效应最明显。当高铁设计时速为350km/h时,f=850MHz时,对应的多普勒偏移大约为275Hz, f=2.1GHz时,对应的多普勒频移为680Hz。
1.1 CDMA2000系统能抵抗多普勒效应
CDMA2000基站使用的是高通的CSM6700/CSM6800芯片,允许的最大频移为960Hz,能够容许的最大移动速度为(入射角为0°):1296km/h。CDMA2000系统完全有能力抵抗多普勒效应,满足高速移动下的通信需求。但多普勒频移的存在,导致基站和手机的相干解调性能降低,链路预算时需在原有Eb/Nt的取值上增加约2dB。
1.2 LTE多普勒频移补偿算法消除频偏
2.1GHz频段,350km/h车速,此时多普勒频偏为680Hz,小于子载波间隔15kHz。时域上行DMRS信号间隔为0.5ms,可以克服±1kHz频偏。采用增强频偏估计算法:可适用于频偏大于1kHz、小于2.5kHz的超高速场景,支持2.1GHz频段最大移动速度为 450km/h。
二、切换成功率降低
手机在服务小区的信号强度衰落到一定程度,会触发小区重选或切换过程。必须保证在手机顺利进入新小区之前,当前小区的信号不会进一步衰落到门限值以下,否则空闲的手机可能脱网或切换失败而掉话。需要控制重叠区域的大小,来保证重选或者切换的完成。列车速度越高,所需重叠区域越大。
2.1 采用同小区(同PN)技术减少切换次数
多个RRU设置为同小区(同PN) 逻辑小区,在逻辑小区内部不需要切换。同小区技术使得切换次数大幅度减少,掉话率得到明显改善。
三、高铁红线外CDMA<E无线网设计
1、CDMA切换距离设置 CDMA软切换时间在0.3秒钟左右,虚拟软切换的时间在1秒钟左右。
考虑到今后高铁可能会重新提速到350公里/小时,即97米/秒,设计时按350公里/小时来考虑,则虚拟软切换距离应该为L=2TV=2×1×97=194米。
2、LTE切换距离设置 LTE切换时间在0.5秒钟左右,按350公里/小时来设计,则LTE切换距离应该为L=2TV=2×0.5×97=94米。
3、 CDMA基站距铁轨垂直距离,根据衰减因子模型在满足车厢内Rx ≥-93dBm前提条件下,建议C网基站距离铁轨的垂直距离在300m~500m之间。
LTE基站距铁轨垂直距离,同理在满足车厢内RSRP≥-105dBm前提条下建议L网基站距离铁轨的垂直距离在200m~350m之间。
4、站间距设置,经过现网实测:CDMA站间距大于2.5公里时,覆盖指标恶化比较明显,因此单个站间距不宜超过2.5公里;站间距小于1公里时,继续缩短站间距所获得的覆盖增益变小,但投资将大幅增加,因此单个站间距不宜小于1公里;C网基站的站间距建设设置在1.8km~2km左右。LTE站间距设置,建议设置在0.9km~1.1km左右。
四、 C&L网站址布局设计
高速铁路一般都为复线铁轨,也就是“来”和“往”的铁轨是不\在一条铁轨上,为了能够很好的兼顾复线铁轨“来往”列车的覆盖要求,建议基站采用“之”字形的分布方式。(图1)
部分铁路因各种特殊原因,如需绕过重要的设施、沿山谷行进等,需要采用“)”形弯轨形式,在这种情况下,需要考虑将基站选择在或者布置在“)”形弯道内侧,保证对“)”形弯道的良好覆盖。(图2)