中国电信无线网络优化中心：高铁CDMA网络优化浅析

      随着武广、福厦等时速在350公里以上的客运专线相继落成，人们出行方式的选择、工作环境的变化也将随之改变。乘客不仅希望能体验到高速铁路带来的便利生活，也期待享受到无处不在的通信服务。

      开往春天的高铁

      2009年春节，武广高速铁路正式投入春运，高达350公里的时速，将武汉与广州之间的铁路旅行时间从11小时拉近到3小时。从年初一开始，每天都有武汉和广州两地的旅客相互拜年，早上人还在武汉，傍晚则赶回广州。1000多公里的路程，来回也不过六个小时。春运，让更多的中国人感受到了高铁的魅力。

      武广高铁仅仅只是一个开始，随着郑西、福厦等高铁客运专线投入运营，以及在未来两三年从北京到上海，从上海到武汉、成都、昆明的高速铁路的建成通车，到2012年，以四纵四横为主骨架的高速铁路网将引领我国全面进入高铁时代。这个世界最大的高速铁路网，将把经济最发达的长三角、珠三角、环渤海地区，及其他城市密集地区紧紧相连。

      与此同时，全球也掀起了高速铁路建设热潮，俄罗斯、法国、西班牙等国纷纷投入巨资。欧洲铁路工业联盟称，2016年世界各国在高速列车方面的投入将升至1500亿欧元。美国总统奥巴马在今年的《国情咨文》里也一度放话：“我们没有理由让欧洲和中国拥有最快的铁路。”

      高铁通信高要求

      高铁时代的来临，改变的不仅是城市间的空间距离，它所带来的还包括不同地域民众旧有的生活节奏和观念的巨变，主要是人们对出行方式的选择——乘飞机不再是速度的唯一体现。更为重要的是，乘坐高铁还能享受到乘坐飞机所不具备的通信服务。在飞驰的列车上，人们依旧可以打电话、发短信、浏览网页、收发邮件。与平地上的通信不同，打造稳定的高铁通信网络，提供可靠的通信质量，运营商必须克服下面两个问题：

      首先是列车提速带来通信区域的频繁重选与切换。坐过“和谐号”列车的旅客都遇到过短信发不出去，电话经常掉线或者不通的情况，这是因为手机会在高铁的运行过程中频繁重选和切换。

      其次是多普勒频移。列车运行速度越快，多普勒频移越大。当列车时速为350km/h、电磁波频率800MHz时，多普勒频移的范围是±260Hz。发生频移后，系统测算的信号接收点，不是实际信号的最强接收点，这样会降低通信的质量。

      破解通信难题

      延伸切换重叠区域

      CRH3型高速列车时速可达350km/h，每秒约达到100米，传统方式假设CDMA网络每小区覆盖铁路范围1.5km，平均每次通话时长60s，那么平均每次通话要发生4次切换。任何一次切换失败都将导致用户短信发送失败、通话断续。

      若想保证切换成功率，最有效的方法就是延伸切换重叠区域。CDMA网络规划时应根据列车移动速度预留一定的切换重叠区域，防止用户刚进入切换带，源侧信号突然变弱，此时新分支还没有来得及加进来，或者用户刚通过切换带，删除了源侧分支，但目标侧信号突然波动变弱，导致掉话。

      考虑到C网切换从触发到交互完成，整个软切换过程大约需要1秒。在时速为350km/h的高速列车中，单边切换区长度要求大于97.2m，若双向运行切换，重叠区域要大于194m。鉴于硬切换过程通常为软切换的5倍，因此高铁对于跨厂家硬切换重叠距离要求为软切换重叠距离的5倍。

      另外，运营商还可根据实际情况采用扇区功分或同PN（Pseudo-Noise，伪/随机噪声） RRU级联技术，延伸切换重叠区，减少切换频率，提高终端用户感知。

      调整距离

      移动通信领域，将因波源或观察者相对于传播介质的运动而使观察者接收到的波的频率发生变化的现象称为多普勒效应。在每小时超300km/h的高速移动场景下，这种效应尤其明显。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移。CDMA反向信号接收采用搜索窗原理，相比GSM的反向接收时隙设置范围更大，但由于高速移动导致接收机不能在最高功率点的相位与接收信号作扩频解调，信号能量存在部分丢失，这样就对有用信号能量强度造成了影响，这就是为何列车在高速行驶时所产生的多普勒效应，会影响下载速率和用户感知。

      因此，降低多普勒频移效应可通过加大站址和轨道之间的距离，减缓列车相对基站移动速度，减少高速移动对频率解调的影响。优化测试发现，基站距铁路垂直距离大于50m、小于150m时效果最佳。

      优化京津高铁网络覆盖

      高速铁路的移动通信覆盖是一个世界性难题。京津高铁作为国内首条时速达380km/h的铁路极具代表性，其全长113.54 km，采用CRH3型列车，年客流量达到2555万人次。北京电信在2009年4月摸底测试时发现，该高铁部分区域存在覆盖空洞、切换掉话、PDSN（Packet Data Serving Node）间无法切换等网络问题，影响了用户的业务体验。

      北京电信现场技术人员通过延伸相邻基站或同一基站不同扇区的重叠区域，如对“永乐开发区”等必掉点进行PN改造、功分器共用扇区信号等方式，成功解决了该类场景的切换问题。在北京电信网优中心、电信研究院以及华为公司为期数月的联合攻关下，京津高铁网络质量得到了有效优化，在2009年11月的三方测评中，话音质量(FER<3)从优化前的91.67%提升至98.14%，里程掉话比从之前的17026m/次提升至113540m/次，网络整体指标得到了显著改善。

      随着中国3G网络的全面商用，以及社会经济的快速发展，人们在高速移动环境下使用通信工具进行语音和数据业务的需求越来越多，因此对高速环境下通信网络建设方案进行研究有着极其重要的意义。对高铁沿线无线网络覆盖进行专项规划和优化，能提高整体网络覆盖水平，改善网络通信质量，提升用户满意度。

      表1 　C网切换重叠区域与速度对应关系