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摘 要：随着国内铁路的不断提速，如何提高CDMA网络在高铁沿线的覆盖质量日渐成为一个重要课题。本文以高铁环境对CDMA网络覆盖质量带来的问题为研究主题，分析了高铁的特性和技术关键点，提出了提高网络覆盖的解决方案。
关键词：高铁；CDMA；专网覆盖；系统优化
中图分类号：TN929.5
近年来，中国铁道部进行了多次列车提速。列车时速达200公里以上，提速干线部分区段最高时速达250公里，如：京哈、京沪、胶济、广深等。列车提速的同时，中国铁路引入了CRH新型列车，目前中国的CRH车厢主要有四种型号，分别为：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。其中时速在200公里以上的有CRH1、CRH2和CRH5，而CRH3的时速在300公里以上。
由于高铁具有车厢全封闭、车速高、损耗大的特点，车厢内的通讯质量明显下降，致使铁路沿线网络覆盖不能满足新型列车在高速行驶下的通讯要求。为了确保高铁列车内的通讯质量，必须对铁路沿线的网络覆盖进行深入研究，并制定可行的优化方案。
1 高铁给CDMA网络带来的问题
1.1 高速造成网络覆盖质量下降
高速列车车体损耗大，损耗在20dB以上，列车的车体高损耗在很大程度上了影响网络覆盖质量，其中软卧车厢损耗更为严重；列车速度越高，多普勒频移越大，造成无线道环境的恶化；且高速对移动用户接入、切换的时间要求更加严格，导致重叠区不能满足切换和重选的要求。
1.2 KPI变差
高速、高损耗会使CDMA移动通信系统KPI变差，例如：接通率下降、切换成功率下降和掉话率上升等。
1.3 用户体验差
在列车高速行驶中，更容易出现掉网、在网打不通电话、语音质量差、语音断断续续、数据连接不稳定等问题，给用户带来诸多不便。
2 高速铁路覆盖的特性和技术关键点分析
移动速度超过220公里，多普勒效应明显；覆盖呈线状分布，主要集中在高铁或高速公路沿线；用户载体穿透损耗一般超过20dB，基站数目较多；信号小区切换和重选状况复杂；话务量相对集中，列车经过时话务突发。
2.1 多普勒效应的影响
由于信号源或接收者相对于传播介质的运动而使接收者接收到波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。以速度v的移动平台为例，计算可以得多普勒频移为：
式中：fd——多普勒频移；fm——入射角为0°时的最大频移量；v——相对平移速度；λ——波长；f——载波频率；c——光速。通过上式可以看出，多普勒频移和相对运动速度及频率成正比，随入射角增大而减小。以CDMA2000为例，其最大频移允许值为960Hz，其允许的最大移动速度为：
由于多普勒效应的存在，使得手机和基站间的相干解调性变差。
2.2 网络覆盖呈线状分布
高铁线状覆盖，可有以下几种覆盖方式：（1）铁路双向覆盖，可采用功分器将小区分为单小区双方向或S11站；（2）在离铁路近的站点，可采用8字特型天线，这种天线水平波瓣角小、增益高；在离铁路远的站点，宜采用水平波瓣角65°、18dBi增益的天线。结合目前高铁现状，建议基站采用能兼顾复线铁轨来往车辆的覆盖方式的“之”字形分布方式。在列车轨道弯曲部内侧分布站点，可增大信号入射角，我们知道，入射角越大，信号的穿透损耗就越小。
2.3 穿透损耗的影响
由于CRH车体具有密封性能好、穿透损耗大的特点，通讯信号穿透列车的频率较普通列车低。我们知道，信号的入射角越小，信号的的穿透损耗越大，尤其当入射角小于10°时，损耗急剧增大，不同入射角的穿透损耗变化图如图1所示，在高铁线路站点规划时，需要充分考虑站点的位置和天线主瓣方向，使信号的入射角大于10°，尽可能降低信号的穿透损耗。
图1 不同入射角的穿透损耗变化图
2.4 高速运动对切换的影响
当手机信号强度在某一小区内衰减时，会触发小区重选和切换，导致手机拖网或者切换失败，造成通话掉线。为了解决这一问题，必须保证手机在进入下一个小区之前，信号衰减程度大于门限值。列车移动速度快，信号呈线状覆盖，必须合理设计重叠区域的大小，来实现合理的重选和切换。一般来说，列车速度越高，需要的重叠区域越大。高铁常用的切换包括三种：软切换、硬切换和虚拟软切换。当列车速度环境不同时，会触发不同的切换方式。
2.5 列车经过时话务突发，话务量相对集中
高铁CDMA网络设计时，如果采用专网覆盖，网络专供列车中话务使用，原则上只要考虑列车内话务量，不必考虑两车相遇话务量的增多；而采用大网覆盖时，基站不但承受列车内的话务负荷还要承担列车周围区域的话务负荷，因而，需要考虑两车相遇时，带来的话务量增加的冲击。以列车800人为例，当两车相遇时总用户为1600人，移动用户渗透率90%，CDMA用户占比30%，CDMA用户数432，每用户忙时话务量（Erl）0.02，预计话务量（Erl）8.64，DO人均忙时数据话务量（kbps）5，DO业务用户比例50%，DO数据总话务量（kbps）1080。
3 高速覆盖解决方案
由以上理论分析可知，高铁无线覆盖所面临的问题，大多是由于多普勒效应、车体穿透损耗、通讯信号在高速运动下在不同小区间频繁切换等问题引起。优化过程主要包括对覆盖的优化和对算法的优化。
3.1 覆盖优化
覆盖优化中需要做到：（1）提升覆盖水平。针对高速铁路的特点，需要实现深度覆盖才能提升信号质量，在高铁沿线新建基站和小区，信号只用于高铁覆盖，隔断专网小区与大网小区之间的联系；（2）减少切换频次。高铁上的移动终端，只在专网小区间发生重选和切换，从而减少切换频次，重新调整高铁沿线的基站，减少基站站点，尽量以较少的基站进行主力覆盖，减少切换次数，从而解决语音质量差、掉话、在网打不出电话等问题；（3）优化载频利用率。用户共享同一信源基站载频，提高资源利用率。根据经验，4TRX以下基站载频利用率较低，约为70%，6TRX则可以达到80%。
3.2 算法优化
算法需要配合列车信号衰减的特点，并能保障小区切换和重选的流畅，在切换中尽可能占用信号最强的基站。（1）邻区优化，适当提高切换邻区的优先级；（2）搜索窗、切换参数和小区半径优化，适当降低T_ADD和T_DROP值，增加T_TDROP值，提高激活集搜索窗和小区半径等；（3）适当调整网络设计的各种边界，如LAC、多载波边界等；（4）配置部分异频小区，通过异频切换对抗多普勒频移；（5）合理规划沿线基站BSC和MSC，尽量将沿线基站放在同一个BSC或MSC中，以减少MSC间、BSC间的切换；
4 结语
随着CDMA技术的发展展，人们在高速移动环境下使用通信工具的频率越来越高，进行语音和数据业务的机会越来越多。必须提高高速铁路环境下的通信网建设才能给人们带来更好的通信服务，通过对高速铁路沿线无线网络覆盖和算法的优化，可以提高列车上的网络覆盖水平，提高话务通信水平，优化通话体验，满足人们正常通信的需求。
参考文献：
[1]VijayKGarg.第三代移动通信系统原理与工程设计（IS-95CDMAandCDMA2000）[M].于鹏，白春霞.北京：电子工业出版，2001.
[2]尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.
[3]肖强.广深高速铁路CDMA网络分析及优化[J].电脑与电信，2008（7）.
[4]朱晨鸣，李新.高铁环境下CDMA通信网络覆盖解决方案研究[J].现代传输，2009（2）：73-76.
[5]陆晓东.高速铁路CDMA无线网络覆盖研究[J].网规网优，2010（12）：65-68.
作者单位：中国电信股份有限公司保定分公司，河北高碑店 074000
关键词：高铁；CDMA；专网覆盖；系统优化
中图分类号：TN929.5
近年来，中国铁道部进行了多次列车提速。列车时速达200公里以上，提速干线部分区段最高时速达250公里，如：京哈、京沪、胶济、广深等。列车提速的同时，中国铁路引入了CRH新型列车，目前中国的CRH车厢主要有四种型号，分别为：CRH1、CRH2、CRH3、CRH5。其中时速在200公里以上的有CRH1、CRH2和CRH5，而CRH3的时速在300公里以上。
由于高铁具有车厢全封闭、车速高、损耗大的特点，车厢内的通讯质量明显下降，致使铁路沿线网络覆盖不能满足新型列车在高速行驶下的通讯要求。为了确保高铁列车内的通讯质量，必须对铁路沿线的网络覆盖进行深入研究，并制定可行的优化方案。
1 高铁给CDMA网络带来的问题
1.1 高速造成网络覆盖质量下降
高速列车车体损耗大，损耗在20dB以上，列车的车体高损耗在很大程度上了影响网络覆盖质量，其中软卧车厢损耗更为严重；列车速度越高，多普勒频移越大，造成无线道环境的恶化；且高速对移动用户接入、切换的时间要求更加严格，导致重叠区不能满足切换和重选的要求。
1.2 KPI变差
高速、高损耗会使CDMA移动通信系统KPI变差，例如：接通率下降、切换成功率下降和掉话率上升等。
1.3 用户体验差
在列车高速行驶中，更容易出现掉网、在网打不通电话、语音质量差、语音断断续续、数据连接不稳定等问题，给用户带来诸多不便。
2 高速铁路覆盖的特性和技术关键点分析
移动速度超过220公里，多普勒效应明显；覆盖呈线状分布，主要集中在高铁或高速公路沿线；用户载体穿透损耗一般超过20dB，基站数目较多；信号小区切换和重选状况复杂；话务量相对集中，列车经过时话务突发。
2.1 多普勒效应的影响
由于信号源或接收者相对于传播介质的运动而使接收者接收到波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。以速度v的移动平台为例，计算可以得多普勒频移为：
式中：fd——多普勒频移；fm——入射角为0°时的最大频移量；v——相对平移速度；λ——波长；f——载波频率；c——光速。通过上式可以看出，多普勒频移和相对运动速度及频率成正比，随入射角增大而减小。以CDMA2000为例，其最大频移允许值为960Hz，其允许的最大移动速度为：
由于多普勒效应的存在，使得手机和基站间的相干解调性变差。
2.2 网络覆盖呈线状分布
高铁线状覆盖，可有以下几种覆盖方式：（1）铁路双向覆盖，可采用功分器将小区分为单小区双方向或S11站；（2）在离铁路近的站点，可采用8字特型天线，这种天线水平波瓣角小、增益高；在离铁路远的站点，宜采用水平波瓣角65°、18dBi增益的天线。结合目前高铁现状，建议基站采用能兼顾复线铁轨来往车辆的覆盖方式的“之”字形分布方式。在列车轨道弯曲部内侧分布站点，可增大信号入射角，我们知道，入射角越大，信号的穿透损耗就越小。
2.3 穿透损耗的影响
由于CRH车体具有密封性能好、穿透损耗大的特点，通讯信号穿透列车的频率较普通列车低。我们知道，信号的入射角越小，信号的的穿透损耗越大，尤其当入射角小于10°时，损耗急剧增大，不同入射角的穿透损耗变化图如图1所示，在高铁线路站点规划时，需要充分考虑站点的位置和天线主瓣方向，使信号的入射角大于10°，尽可能降低信号的穿透损耗。
图1 不同入射角的穿透损耗变化图
2.4 高速运动对切换的影响
当手机信号强度在某一小区内衰减时，会触发小区重选和切换，导致手机拖网或者切换失败，造成通话掉线。为了解决这一问题，必须保证手机在进入下一个小区之前，信号衰减程度大于门限值。列车移动速度快，信号呈线状覆盖，必须合理设计重叠区域的大小，来实现合理的重选和切换。一般来说，列车速度越高，需要的重叠区域越大。高铁常用的切换包括三种：软切换、硬切换和虚拟软切换。当列车速度环境不同时，会触发不同的切换方式。
2.5 列车经过时话务突发，话务量相对集中
高铁CDMA网络设计时，如果采用专网覆盖，网络专供列车中话务使用，原则上只要考虑列车内话务量，不必考虑两车相遇话务量的增多；而采用大网覆盖时，基站不但承受列车内的话务负荷还要承担列车周围区域的话务负荷，因而，需要考虑两车相遇时，带来的话务量增加的冲击。以列车800人为例，当两车相遇时总用户为1600人，移动用户渗透率90%，CDMA用户占比30%，CDMA用户数432，每用户忙时话务量（Erl）0.02，预计话务量（Erl）8.64，DO人均忙时数据话务量（kbps）5，DO业务用户比例50%，DO数据总话务量（kbps）1080。
3 高速覆盖解决方案
由以上理论分析可知，高铁无线覆盖所面临的问题，大多是由于多普勒效应、车体穿透损耗、通讯信号在高速运动下在不同小区间频繁切换等问题引起。优化过程主要包括对覆盖的优化和对算法的优化。
3.1 覆盖优化
覆盖优化中需要做到：（1）提升覆盖水平。针对高速铁路的特点，需要实现深度覆盖才能提升信号质量，在高铁沿线新建基站和小区，信号只用于高铁覆盖，隔断专网小区与大网小区之间的联系；（2）减少切换频次。高铁上的移动终端，只在专网小区间发生重选和切换，从而减少切换频次，重新调整高铁沿线的基站，减少基站站点，尽量以较少的基站进行主力覆盖，减少切换次数，从而解决语音质量差、掉话、在网打不出电话等问题；（3）优化载频利用率。用户共享同一信源基站载频，提高资源利用率。根据经验，4TRX以下基站载频利用率较低，约为70%，6TRX则可以达到80%。
3.2 算法优化
算法需要配合列车信号衰减的特点，并能保障小区切换和重选的流畅，在切换中尽可能占用信号最强的基站。（1）邻区优化，适当提高切换邻区的优先级；（2）搜索窗、切换参数和小区半径优化，适当降低T_ADD和T_DROP值，增加T_TDROP值，提高激活集搜索窗和小区半径等；（3）适当调整网络设计的各种边界，如LAC、多载波边界等；（4）配置部分异频小区，通过异频切换对抗多普勒频移；（5）合理规划沿线基站BSC和MSC，尽量将沿线基站放在同一个BSC或MSC中，以减少MSC间、BSC间的切换；
4 结语
随着CDMA技术的发展展，人们在高速移动环境下使用通信工具的频率越来越高，进行语音和数据业务的机会越来越多。必须提高高速铁路环境下的通信网建设才能给人们带来更好的通信服务，通过对高速铁路沿线无线网络覆盖和算法的优化，可以提高列车上的网络覆盖水平，提高话务通信水平，优化通话体验，满足人们正常通信的需求。
参考文献：
[1]VijayKGarg.第三代移动通信系统原理与工程设计（IS-95CDMAandCDMA2000）[M].于鹏，白春霞.北京：电子工业出版，2001.
[2]尹长川，罗涛，乐光新.多载波宽带无线通信技术[M].北京：北京邮电大学出版社，2004.
[3]肖强.广深高速铁路CDMA网络分析及优化[J].电脑与电信，2008（7）.
[4]朱晨鸣，李新.高铁环境下CDMA通信网络覆盖解决方案研究[J].现代传输，2009（2）：73-76.
[5]陆晓东.高速铁路CDMA无线网络覆盖研究[J].网规网优，2010（12）：65-68.
作者单位：中国电信股份有限公司保定分公司，河北高碑店 074000