浅析高速铁路3G通信覆盖及切换技术

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【摘要】 本文首先介绍了高速铁路移动通信基本情况，分享了高速铁路通信系统建设中无线网络覆盖以及切换技术存在的问题，并提出了具有可行性、有效性的高速铁路无线网络覆盖方案以及快速切换技术，以优化高速铁路无线移动通信服务。
【关键词】 高速铁路 3G通信 切换技术
目前由我国联通运营的WCDMA、电信公司运营的CDMA2000以及移动公司运营的TD-SCDMA是国际上应用比较成熟的3G通信技术三大标准。高速铁路环境的特殊性以及越区切换的频繁导致车载用户经常出现掉话现象以及语音断续和无法接通的情况。为了提高高速铁路无线移动通信网络服务质量，应进一步优化高速铁路无线网络覆盖方案、优化切换技术，从多个方面提高切换切换成功率和较低的掉话率。
一、高速铁路移动通信基本情况
我国铁路自2007年经过6次提速后。高速铁路列车速度到达200km/h以上，这也意味高速铁路时代的到来。随着移动通信技术的发展，高速铁路实现移动通信网络无缝覆盖以及提高移动通信网络服务质量是当前的一个重要发展目标。分析高速铁路移动通信网络的覆盖情况，通信网络主要是沿着铁路线呈线状分布。高速铁路无线通信信号受到的影响主要有两个方面，一是多普勒频移效应，即列车沿铁路高速运行过程中由于快速移动引起的接收机信号频移；二是车体对无线通信信号的消耗，主要是高速铁路新型列车造成的消耗。同时，越区切换问题也会对高速铁路无线通信信号造成一定影响。
1.1多普勒频移效应的影响
无线信道容易受到环境影响，在列车高速行驶的情况下，铁路无线信道的冲击响应也会随着发生快速变化，无线信号中心频率会在多普勒频移效应的影响在发生明显偏移，对无线信道环境造成严重负面影响，进而造成系统信息传输误码率提高，影响移动通讯性能。列车沿铁路高速运行时产生的多普勒频移效应与列车行驶的速度成正比关系，所以列车行驶速度越快，其产生的多普勒频移效应越明显。另外，列车行驶方向与基站信号方向之间的夹角大小对多普勒频移效应的强弱也用一定影响。在实际情况当中，为了增强无线信号的穿透能力，
基站往往被设置在距离轨道较近的位置，这样可以有效增强无线信号的穿透能力，然而这种情况下行驶方向与基站信号方向之间的夹角较小，可导致多普勒频移效应加剧。
1.2车体的影响
车体对无线信号的损坏体现在两个方面，一是列车结构特点，二是车厢入射面与信号的夹角。为了加强车体的稳固性，高铁列车都是全封闭式结构，而且部分高铁列车还采用金属镀膜玻璃，列车的高度密闭性以及材质的特殊性就可以导致无线信号穿透列车时产生极大的损耗，相比其他普通列车对无线信号的损耗，高铁列车对无线信号的减弱要高出10dB以上，而且对手机信号产生的屏蔽效果超过24dB，对用户的正常通讯造成极大影响。下面是几种列车对无线信号的损耗情况：
另外，车体对无线信号的损耗同时也受到车厢入射面与信号之间夹角大小的影响，夹角越小，损耗越大。
1.3越区切换的影响
除了多普勒频移效应以及车体的影响以外，高铁列车的越区切换也会对无线信号造成一定影响。对于小区间的切换区，列车可以快速穿过，车速与列车经过切换区的时间成反比，移动速度越快，驻留时间越短，当列车速度在切换区的驻留时间足够短，并且小于系统最小切换时间时，切换流程就无法完成，，进而导致切换失败，出现掉话现象。
二、高速铁路的移动通信无线网络覆盖
为了减小掉话率，提高切换率，设计合理、有效的高速铁路无线网络覆盖方案非常关键。在铁路交会区域内，移动通信网络多呈网状结构，而其他铁路沿线大部分多为链状结构。在高速铁路无线网络覆盖的设计中，主要内容包括三个方面一是建网，二是无线网络覆盖技术的选择和应用，三是基站的选址，其中铁路沿线各基站的相关部署是非常重要的环节。
2.1建网
移动、联通以及电信三个运营商均采用大网架构的组网方式，与一般的建网相比，高速铁路基站的建立没有什么区别，也在大网架构之内，所以高速铁路的建网只需要对原来的通信网络进行有效补充。一方面对现有的大网基站进行进一步优化，另一方面在铁路沿线的盲点建立新的基站，通过对有效资源的优化以及基站补盲，不仅使周边各区域均能实现无线网络覆盖，同时也满足了高速铁路沿线的无线网络通信需求。移动网络经过多年的发展和优化，高速铁路沿线基本上完全实现了移动网络覆盖，只有一些较特殊的区域路段，例如长隧道、隧道群等的移动网络覆还比较欠缺，此时可采用局部补盲的方式解决，这种方法虽然成本少、见效快，但适用范围有限，比较适合用于无线信号损耗较小的列车线路，例如合武铁路湖北段的建设就是采用这种方法。另外，高速铁路沿线附近很多小区域网络覆盖因为不是专门针对高速铁路进行的覆盖，所以多存在覆盖不均匀、覆盖重叠等情况，很容易造成切换失败，所以有必要针对高速铁路的特殊环境建设专门的移动通信网络，目前已经投入使用的移动通信网络建设方法有地面专网建设（例如温福铁路、甬台温铁路）、车地结合专网建设等。
2.2无线网络覆盖方案
建网完成后就需要设计无线网络覆盖方案，在有效的建网策略基础上，无线网络覆盖方案的设计可以根据实际需要尽量体现出灵活性、多样化。例如基站与普通直放站结合、列车综合接入、基带处理单元+射频拉远模块扩展小区等都是比较常用的无线网络覆盖方案，其他还有数字直放站扩展小区、列车中继转发等方案。高速铁路不同路段可以结合具体条件和实际需要选择不同的网络覆盖方案。例如京津城际、沪宁高铁主要采用的是基带处理单元+射频拉远模块扩展小区方案，另外通过设置直放站对部分路段进行辅助。基带处理单元需要集中放置，主要负责处理基带资源，实现基带资源共享，并通过光纤与射频拉远模块连接。射频拉远模块的位置设置比较灵活，利用射频拉远模块可以拉远基站，使多小区的合并，进而扩大覆盖范围，减少切换频率。在切换区的设置过程中，要注意切换区的大小要设计合理，如果切换区太小，就会因为列车驻留时间太短，还没来不及切换就已经穿过切换区，容易引起掉话现象。切换区的大小可以根据列车移动速度以及距离来确定，同时，预留适当的余量也是必须要考虑到的问题。
2.3基站选址的优化
基站选址优化是指通过对高速铁路沿线基站数量以及基站位置的优化以达到无线网络覆盖的目的，基站的优化过程应遵循经济性、实用性、有效性原则，尽可能以较低的成本实现获得高性能的网络。蜂窝小区作为移动通信系统的基本单元，其几何特性对信号同频干扰有一定关系，同时也会影响越区切换，因此在无线网络覆盖中，基站选址优化是最重要的内容，同时也是最为复杂的环节。近年来随着3G技术的快速发展，目前已经出现了很多种关于3G基站选址的方案，例如基于仿生学算法的方案、基于免疫计算的方案、基于遗传算法的方案等，各种基站选址优化方案对无线网络覆盖技术的发展都有着重要意义。
三、切换技术
处于通话状态的用户与基站之间的都存在一定的通信链路，在通讯终端高速移动的过程中，用户与当前基站之间的通信链路要转移奥下一个基站并保证通话不被中断，该过程就是切换过程。通常情况下，切换主要有硬切换和软切换两种，通讯终端与旧基站的连接终端后再建立与新基站的连接称为硬切换；通讯终端高速移动并经过多个蜂窝时通话不发生中断，此时通讯终端可以与多个基站相连接，此为软切换。硬切换方式不涉及移动交换中心，只是发生于蜂窝内部。在列车沿高速铁路运行过程中，由于环境因素的影响，可能会发生多种不同的切换，不仅会发生硬切换、软切换，另外还可能发生虚拟软切换和更软切换。CDMA系统采用的是软切换和更软切换，WCDMA系统采用的切换方式主要是硬切换、软切换，虚拟软切换是一种接力切换方式，介于硬切换和软切换之间，TD-SCDMA采用的就是这种切换方式。相比其他切换方式，接力切换方式结合了硬切换和软切换两种方式具备的优点，同时又弥补了两者的缺点，这种切换方式切换成功率高，掉话率低。
切换成功与否主要取决于两个方面，一是切换距离，二是覆盖小区的重叠距离，两个因素值与切换时间以及通讯终端的移动速度成正比关系。由于小区双向切换的影响，切换距离与覆盖小区重叠距离之间应该是1比2的关系。从原理上分析，越区切换的性能与蜂窝小区的几何特点有着密切联系，所以无线网络覆盖方案的合理性设计非常重要，需要针对实际情况进行优化，并选择高效、快速的切换算法，减少掉话率，提高切换成功率。
四、结论
无线网络覆盖以及切换技术是高速铁路3G通信系统的重要技术，加强对移动通信网络系统的研究对促进高速铁路发展有着重要意义。目前，无线网络覆盖以及切换技术仍处于发展阶段，还需要进行不断研究、探索以进一步提高网络通信技术性能以及高速铁路无线移动通信网络服务质量。
参 考 文 献
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