高铁隧道无线覆盖传输接入模式研究

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摘要：随着信息化时代的发展，通信技术得到了较大程度的提升，城市化进程的不断推进，地铁逐渐成为了人们出行主要交通方式之一，因此地铁通信系统中，无线网络覆盖是当前急需解决的关键问题之一。本文对地铁通信无线系统覆盖范围及其优化措施及越高是网络优化环境，以期能够为地铁通信无线系统的覆盖设置提供参考。
关键词：通信;无线系统;覆盖;传输接入
引言
目前，中国高速铁路技术水平整体上已走在世界前列，作为“新四大发明”的榜首，中国高铁已经成为中国的新名片。截至2017年年底中国高速铁路里程为2.5万千米，占世界高铁总里程的66.3%。中国计划到2020年拥有超过3万千米以上的运营高铁线路。这些线路将把中国80%的重要城市连接起来。当前，中国高铁正处于高速发展时期，高铁通信逐步成为各通信运营商提升品牌效益、获取经济利润及提升客户黏合度的竞争领域。如何在高速、客流量集中、业务数据量大的高铁内提供高质量的无线覆盖，成为厂商和各大运营商面临的挑战。高速铁路覆盖的特点是列车速度快、车体穿透损耗大、切换频繁等，这对移动通信网络提出更高的要求。国内现有2.5万千米的高铁里程中包括1万千米以上的桥梁和隧道，相对于公路和普通铁路隧道的无线信号覆盖，高铁隧道的无线覆盖设计和建设实施更加困难。
1高速铁路隧道无线覆盖的特点
相比公路、地铁和普通铁路隧道，高速铁路隧道具有空间小、封闭性强、列车高速移动和业务量突发性等特点。（1）列车高速移动性：列车高速移动时接收到信号的波长因为信号源和接收机的相对快速运动而产生变化，这便是多普勒效应。因多普勒效应所引起的频率偏差称为多普勒频移。列车运行速度越快，产生的频率偏差就越大，多普勒效应就会越为明显，严重的直接导致移动用户无法接通、掉话、数据业务无法连接等。（2）业务量存在突发现象：无列车经过的情况下话务量需求接近零，但列车经过时话务量突发性剧增，导致忙时话务量和闲时话务量差距较大，业务量波动明显。（3）隧道空间狭小封闭：高铁隧道空间狭小低矮，封闭性强，严重地阻挡了隧道外无线信号进入到隧道内。当列车经过隧道内时，隧道内狭窄的空间几乎被车体填充满，此时无线信号在隧道内传播受到严重的影响。狭小的空间和高速运行的车速直接限制了设备及天馈系统在隧道内的安装条件。
2通信无线系统覆盖的范围
隨着信息化时代的不断发展，人们的工作与生活都离不开对网络的应用。而在地铁中实施无线通信网络覆盖工程则是为了更好地方便人们的生活与工作，进一步提升人们对于生活质量的满意程度以及提升无线网络系统的覆盖范围。因此，在地铁通信无线系统网络覆盖范围建设方面，要尽可能地实现全方位无死角覆盖，对每一个角落网络覆盖效果进行优化，确保网络信号可用。通常来说，地铁无线网络覆盖范围，主要包括有：站台、大厅、隧道等区域。对于站台无线网络覆盖建设，主要是通过把通信电缆安装在站台侧面隧道中连接信号发射器进而产生无限信号。然而，即便是站台空间的范围较大，当有地铁进站，或者不同方向地铁进站交错时，将会对无线网络的信号产生干扰，不利于信号稳定性。为了预防和降低地铁进站时产生的对无线信号不良干扰，应在站台位设置设置反干扰系统以增强无线网络信号强度及稳定性。在地铁换乘出入口无线网络覆盖建设过程中，可采取吸顶天线方式实现较大程度的无线网络覆盖范围，同为增加信号的稳定性，提高信号强度，可以通过加入射频电缆来实现。对于不同区域、不同环境，应结合周边建筑物大小、高低，以及不同设备条件等进行综合的、充分的考虑与分析，进而选择合理的方式实现对无线网络的覆盖。目前，漏泄同轴电缆方式是应用较为成熟的无线网络覆盖方式，此外，对于覆盖面积较小的情况，还可通过利用室内天线与基站有效结合方式，实现对无线网络的覆盖。总之，应充分考虑不同的覆盖场所的实际情况，选择最为合适的覆盖方式，才能有效地避免不必要的浪费，节约建设成本。
3地铁车地无线传输系统的技术
3.1TD-LTE无线通信传输
TD-LTE技术是3GPP标准的4G通信技术，它采用OFDM（OrthogonalFrequencyDivisionMultiple，正交频分多址）和MIMO（MultipleInputMultipleOutput，多入多出）技术作为其无线网络演进的标准，系统采用全IP网络架构，支持良好的移动性，移动速率达到120km/h～350km/h时移动终端能与网络保持连接，确保其不掉线。TD-LTE宽带集群是在TD-LTE技术上，承载数字集群业务，实现了无线数字集群宽带化，实现了语音、数据、视频功能，不仅使调度通信“听得到”，还实现了调度通信“看得见”，实现了现场图像上传、视频通话、视频回传、视频监控等。系统具有上下行工作带宽可灵活配比，系统支持工作在400MHz、1400MHz、1800MHz等多个频段。TD-LTE宽带无线数字集群主要技术指标如下：呼叫建立时间：小于300ms;话权抢占时间：小于200ms;单基站覆盖半径：市区1-3Km，郊区3-10Km;带宽：支持可变带宽，1.4～20MHz;频谱利用率：上行2.5bps/Hz，下行5bps/Hz;峰值传输速率：在20MHz带宽下，下行峰值传输速率100Mbps，上行峰值传输速率50Mbps。
3.2视频编码技术
地铁的监控摄像头获取的数据量庞大，给主控制器带来较大的存储压力，如果仅仅依靠主控制器进行视频视距的传输将会造成主控制器的系统瘫痪，因此需要考虑在传输的过程中对视频进行压缩处理，减少视频存储的空间。MPEG-4、H.264两种视频压缩编码在近几年的发展中得到了广泛的使用，但是考虑到地铁无线网络传输的情况，采用H.264视频编码技术较为合适。在同等的传输码率下，H.264比MPEG-4信噪比高，H.264中的分离视频编码层具有良好的兼容性，能够适应不同的网络协议。H.264还可以改善传输的性能，通过高效率的压缩降低能耗，适用于列车无线视频传输系统。
3.3LTE—R无线移动通信覆盖设计
基于前文的分析，在LTE—R系统当中同样面临着上文提到的问题，也就是通信小区切换频繁，高衰耗以及多普勒效应，在实际设计当中关键就是要解决这些问题。具体解决方法方利用eNodeB，根据接收到的上行信号频率自动进行频偏估计，然后由基带侧对信号进行频率校正，提高上行信号解调性能。RACH检测提高高铁在高速场景下的RACH检测性能，保证接入的可靠性，PUCCH检测则采用高速检测算法，提高在高速场景下的性能。PUSCH则减少ICI，提高调解性能。基带硬件可以采用DBBP530、DBBP530C基带池，提供双通道F频段——3152-FA频段和3162-FA评断，以及双通道D频段，支持双通道FAD、RRU，单个RRU同时支持F+D频段，可以提供更高的扩展需求。组网方面为了增加基站的覆盖距离，减少切换次数，建议高增益窄波天线对进行覆盖，这可提供18～21dB的增益效果，波宽度约35度，为此基站考虑交错布置，即将基站站点交错分布在铁轨两侧，改善切换区域，保证车厢内部两侧的乘客都能够接收到均匀的信号，注意当铁路出现交错点或者是拐点时，此处要在拐角内部进行站点布置，降低基站覆盖方向和轨道方向的夹角，降低频偏的影响。同样合理地进行覆盖区域的重叠规划，有助于实现网络业务的连续性，注意重叠的区域过小容易导致切换通信小区失败，而过大则会出现比较强烈的烦扰问题，假设列车移动的速度为300km/h，过渡区域的长度在40m即信号到满足重选电平迟滞（2dB）需要的距离，切换区域的长度是100m（切换时间1秒对应的距离），重叠需求方面则需要280m。高铁无线移动通信考虑用户是在车内的，并且车内信号电平为-110dBm，那么据此郊区产经下按照95%的覆盖率计算对应的阴影衰落余量——5.78dB，城区场景同样按照95%覆盖率计算，得到8.68dB余量。考慮到列车高速运行当中信号的衰耗，预留下2～3dB的余量，F频段考虑27dB，D频段考虑29dB。通信小区之间的站点间距按照300m重叠覆盖。隧道场景下关键是天线的布置问题，目前主要有定向天线和泄漏天线两种，为了保证切换顺畅，可以采用两种方式结合的方法来进行覆盖。
4地铁隧道内无线覆盖方案
4.1无线设备选型
隧道的覆盖需要根据隧道附近现有无线网络覆盖状况以及现有传输和网络设备等情况，来决定隧道覆盖所选用的信源，信源的选择有宏蜂窝基站、数字射频拉远系统（GRRU）和分布式基站（BBU+RRU）等。宏蜂窝基站：采用宏蜂窝基站可以提供的信道资源较多、后期扩容较容易、基站覆盖能力强;需要采用电缆将机房内基站设备的信号引入并覆盖隧道。这样就增加了馈线长度和信号的损耗，需要较大的机房等配套设备，不具备小区合并的能力，易产生频繁切换从而引起掉话、无法连接等。数字射频拉远系统（GRRU）：可把施主基站通过耦合单个小区信号延伸至较远的距离。多套射频拉远系统可引入同一个施主小区的无线信号，减少了隧道内切换区域。但设备本身无容量配置，对后期容量需求有限制，设备的监控和维护性也较差。分布式基站：设备有信道容量，安装方便灵活，环境要求较低，可多个RRU小区合并，减少了切换区域，投资费用相对较低。高铁覆盖分析：为保证高铁无线覆盖效果，必须减少切换次数，因此传统宏基站无法满足覆盖要求，可选设备主要是支持小区合并的BBU+RRU分布式基站或数字射频拉远系统;在实际工程之中，要根据覆盖的隧道长度、隧道附近无线覆盖状况、现网基站分布、话务分布、建站条件等选择一种合适的信号源，一般选用较多的是BBU+RRU分布式基站。
4.2地铁通信无线系统优化算法
在选择优化算法的过程中，不同类型的信号，对应的优化算法也不同，目前可以将地铁通信无线系统中的优化算法分为三种类型，第一种为基站信号的优化算法，在此过程中如果检测到其中存在问题，则需要对信号中的发射功率展开优化，根据实际情况对其展开调整，在此过程中，可以通过网络管理的方法展开。第二种为改变基站耦合器参数，可以通过调整耦合器方向的方式，对地铁通信无线系统中的网络信号展开优化，这种优化方式经常在隧道信号较强但是站厅信号较弱的情况下使用。第三种为技术参数的优化，在地铁通信无线系统覆盖的过程中，基站会对信号产生一定的影响，面对这种情况，为了保证电台信号的质量，则需要对其中的技术参数展开调整。同时检测基站中信号的电场强度以及信号质量，根据最终的监测结果，对移动台的发射频率展开控制，进而保证地铁通信无线系统的技术优化质量。
4.3蛛网式通信架构
地铁通信无线系统的特点是强调通信便捷性，在进行通信作业的过程中，信号发射基站的数目一般只有1～2个（固定区间内），但用户数目却可能达到数百甚至上千人，为保证无线系统网络能够满足使用要求，应在现有基础上对通信架构进行完善。拟采用蛛网式通信架构，以信号发射基站为起点，信号发射呈现扇面辐射状，基站周围建设若干子基站和辅助站，子基站和辅助站分别进行信号的加强/提纯/二次发射（子基站）、加强/二次发射（辅助站），使无线信号在传输过程中受到的干扰能够得到控制，始终保持较高的可辨识率。不过蛛网式通信架构对建设资金的要求较高，一条长度为20km的普通地铁，需要建设5～10个子基站和15个左右的辅助站，一期建设资金为300～500万，每年的运维费用也在30万元左右，且需要应对室外环境破坏等问题，运维难度较大，可在后续工作中结合当地实际情况选择是否应用。
4.4网络评估
通过多维数据从4个方面全面分析网络现状，探清感知洼地，为后期规划提供强有力的依据，从结构分析、频段分析、覆盖分析、话务分析入手，依靠大数据（DT、CQT、投诉、MR数据、话务统计指标、仿真等各类数据）对整个网络进行系统的评估，分析总结出结构、频率、覆盖、话务方面的缺陷、不足、以及相关的需求等情况，对这些缺陷、不足、需求进行归类整理，为下一步的网络精准规划提供强有力的素材以及依据。
4.5网络管理系统设计
地铁车地无线传输系统作为一个多复杂的系统，需要有较好的可维护性功能，采用B/S开放式体系结构，根据不同的业务内容选择不同的业务组建，以实现多方面的管理功能，比如设备管理、文件管理以及性能管理等，本研究中使用的管理平台配置采用的就是无线组建系统。B/S机构能够更加方便的进行网络维护与监控，管理人员登陆浏览器就可以进行维护管理。
4.6地铁通信无线系统的网络优化
对地铁通信无线系统网络进行有效优化是当前地铁通信无线系统建设过程中极为重要，同时存在较大难度的问题，如何实现较强与较为稳定的无线网络信号成为了社会各界高度关注的焦点。为了进一步实现对地铁通信无线网络系统质量的完善、提升，则应在避免与减少其他不必要干扰前提下，实现随网络系统的进一步优化，充分地发挥无线网络系统在地铁运营过程中的积极作用。为了确保实际电平与设计要求相符，则应进行对无线网络覆盖区域场强测试，并确保测试的有效性。在网络测试的实际过程中，必须严格执行相关的测试管理制度与流程，并运用合理的软件进行测试。若是测试软件不合格或着出现异常，则应及时进行修检，同时做好相应的记录工作，便于后期的复查工作。对于地铁通信无线系统信号较弱或者过强的地方，应进行及时调整。可通过调整网管侧位置预防这种无线网络信号积弱或者极强现象出现。调整过程中也应注意结合网管侧不同位置以及其他实际情况的全面分析，选择出最佳的网络优化方式。也可通过对相关参数的有效调整来实现对地铁通信无线系统的优化。例如，通过对较小电平参数的适当调整，并在调整同时进行检测，进而调整到较为适合的数值。除此之外，还应注意避免或者减少网络叠加覆盖现象，尽可能地避免、降低无线网络之间的相互干扰，这也是优化地铁无线网络系统信号的重要措施。同时应严格落实与执行对地铁无线网络覆盖的定时修检作业，及时发现隐患，及时制定有效措施进行预防和规避，定时检修也是优化地铁无线网络的重要手段。再通过进行复查和检修结合的方式，逐渐实现对地铁通信无线网络优化效果最大化。
结語
综上所述，高铁无线移动通信网络所面临的问题是比较大的，目前的解决方案是GSM—R并且逐步向LTE—R演进，当然就目前来说尚处于过渡阶段，在本文当中探索了基于LTE的覆盖方案，希望有参考价值。
参考文献
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