高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)備淺析
余義威 2011/09/21
目前我國高速鐵路進(jìn)入快速發(fā)展階段，到2012年，我國將建成客運(yùn)專線42條，總里程1.3萬km，其中時(shí)速250km的線路有5000km，時(shí)速350km的線路有8000km。近年來部分路段高速鐵路已正式運(yùn)營，有越來越多的人選擇乘坐高鐵出行。隨著中國高速鐵路進(jìn)入一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，如何在高速鐵路中優(yōu)化無線信號(hào)，更好的方便于大眾、服務(wù)于大眾，成為國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈上有識(shí)之士需要認(rèn)真思考的問題。
而作為中國無線通信設(shè)備的主要設(shè)備供貨商- 烽火科技•武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，身先士卒，采用創(chuàng)新、優(yōu)質(zhì)的數(shù)字直放站產(chǎn)品（XRRU）服務(wù)于中國高鐵，對(duì)京滬高鐵滄州段，浙江甬臺(tái)溫高鐵、溫福鐵路等進(jìn)行覆蓋。
從某種意義上來看，電信運(yùn)營商數(shù)字產(chǎn)品和高鐵處于共同的歷史發(fā)展階段，都處于發(fā)展的初期，并面臨重大的發(fā)展機(jī)遇。如何根據(jù)高鐵建設(shè)與運(yùn)營的發(fā)展歷程，以科學(xué)發(fā)展觀為指導(dǎo)，建設(shè)針對(duì)高鐵的通信網(wǎng)絡(luò)，是現(xiàn)階段電信運(yùn)營商網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的重要任務(wù)之一。高速鐵路覆蓋的特點(diǎn)是速度高、穿透損耗大、切換頻繁，這也對(duì)移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)提出了更高的要求。
現(xiàn)階段高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋主要由以下三種覆蓋解決方式：
1、基站專網(wǎng)覆蓋：采用宏蜂窩基站覆蓋高速鐵路，并構(gòu)成專網(wǎng)；
2、現(xiàn)網(wǎng)調(diào)整覆蓋：通過對(duì)現(xiàn)網(wǎng)基站的調(diào)整，增強(qiáng)信號(hào)覆蓋。現(xiàn)網(wǎng)基站同時(shí)覆蓋鐵路和周邊用戶；
3、光纖XRRU專網(wǎng)覆蓋：采用光纖XRRU遠(yuǎn)端覆蓋高速鐵路，并構(gòu)成專網(wǎng)。
現(xiàn)在針對(duì)以上的三種覆蓋解決方式進(jìn)行分析對(duì)比，以此來確定目前高鐵無線網(wǎng)絡(luò)最優(yōu)化的解決方案：
根據(jù)對(duì)高速鐵路的分析，我們認(rèn)為光纖XRRU專網(wǎng)覆蓋方式更適合高速鐵路覆蓋。專網(wǎng)形成虛擬的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，使用獨(dú)立的載頻資源。
- 專網(wǎng)覆蓋要求專網(wǎng)信號(hào)只覆蓋鐵路，不覆蓋周邊區(qū)域，要求對(duì)信號(hào)有很好的控制，盡量避免對(duì)外圍區(qū)域的泄露；
- 專網(wǎng)形成虛擬的獨(dú)立網(wǎng)絡(luò)，只在車站區(qū)域設(shè)置與大網(wǎng)的出入口，鐵路覆蓋區(qū)不設(shè)大網(wǎng)鄰區(qū)，減少列車運(yùn)行過程中切換和重選次數(shù)；
- 專網(wǎng)覆蓋完全不吸收大網(wǎng)業(yè)務(wù)，只吸收列車上的業(yè)務(wù)；
- 專網(wǎng)覆蓋使用專用的載頻資源，要避免與大網(wǎng)形成同步干擾；
- 采用XRRU系統(tǒng)，以其級(jí)聯(lián)組網(wǎng)方式，保證高鐵覆蓋的連續(xù)性。
專網(wǎng)覆蓋優(yōu)缺點(diǎn)
1、專網(wǎng)覆蓋的優(yōu)點(diǎn)
專網(wǎng)只有唯一的重選切換序列，信號(hào)更簡潔，重選和切換更順暢，因此專網(wǎng)能更好地滿足列車提速；
專網(wǎng)完全不吸收大網(wǎng)業(yè)務(wù)，因此只需要配置較少量的載波，頻率設(shè)計(jì)也較容易。
2、專網(wǎng)覆蓋的缺點(diǎn)
專網(wǎng)只在車站設(shè)有與大網(wǎng)的出入口，如果在車站不能進(jìn)入專網(wǎng)小區(qū)，則在列車運(yùn)行期間手機(jī)將很難進(jìn)入專網(wǎng)，造成長時(shí)間質(zhì)差的問題；
專網(wǎng)對(duì)覆蓋質(zhì)量要求更高，如果手機(jī)在專網(wǎng)中一旦脫離專網(wǎng)，將很難重新進(jìn)入專網(wǎng)，造成長時(shí)間質(zhì)差；
如果鐵路外圍用戶選擇了專網(wǎng)信號(hào)，那么用戶離開鐵路覆蓋范圍時(shí)，由于專網(wǎng)沒有大網(wǎng)相鄰關(guān)系，用戶會(huì)出現(xiàn)脫網(wǎng)和掉話現(xiàn)象。
GRRU專網(wǎng)覆蓋方案
根據(jù)高速鐵路沿線縱深長、覆蓋距離遠(yuǎn)的情況，GRRU系統(tǒng)支持串、并聯(lián)的組網(wǎng)方式，可進(jìn)行遠(yuǎn)距離的覆蓋，并且組網(wǎng)方式靈活多樣，十分適用于這種場(chǎng)景。
采用GRRU系統(tǒng)帶狀專網(wǎng)覆蓋，可以減少切換次數(shù)，提高覆蓋質(zhì)量。現(xiàn)網(wǎng)中單個(gè)近端最大級(jí)聯(lián)數(shù)量11個(gè)（最大級(jí)聯(lián)能力16個(gè)），最遠(yuǎn)覆蓋距離可達(dá)到20公里，保證了高速鐵路覆蓋的連續(xù)性。
GRRU設(shè)備上下行載波最多支持16個(gè)載波，使用分集后上下行支持8載波，支持各種跳頻方式，可根據(jù)站點(diǎn)需求設(shè)置載頻數(shù)，可為覆蓋區(qū)提供大得多的容量。擴(kuò)容方便，特別在高鐵沿線中的隧道、跨度大橋這類場(chǎng)景中，設(shè)備安裝位置難以達(dá)到的，一旦需要擴(kuò)容，無需到遠(yuǎn)端設(shè)備做任何硬件改動(dòng)，只需在近端接入的基站機(jī)房進(jìn)行擴(kuò)容。
GRRU專網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)及優(yōu)點(diǎn)
1、組網(wǎng)靈活
GRRU可以根據(jù)高鐵具體情況靈活組網(wǎng)，除傳統(tǒng)的星型組網(wǎng)外，還可以支持級(jí)聯(lián)、環(huán)網(wǎng)等組網(wǎng)方式，采用級(jí)聯(lián)方式組網(wǎng)時(shí)，GRRU能夠節(jié)省了沿線光纖資源的占用。
針對(duì)高鐵信號(hào)覆蓋的特殊性，提供環(huán)形組網(wǎng)能的保護(hù)能力。
2、自動(dòng)時(shí)延調(diào)整
GRRU設(shè)備具有自動(dòng)時(shí)延校準(zhǔn)的功能，近端通過測(cè)量不同遠(yuǎn)端的時(shí)延，找出最大時(shí)延值并以其為標(biāo)準(zhǔn)調(diào)整各個(gè)遠(yuǎn)端的時(shí)延，一般僅在設(shè)備開通時(shí)才發(fā)送時(shí)延調(diào)整指令。在設(shè)備開通過程中，一旦發(fā)生設(shè)備級(jí)聯(lián)、光纖傳輸鏈路等發(fā)生變化，近端發(fā)送時(shí)延調(diào)整指令，遠(yuǎn)端自動(dòng)完成時(shí)延的調(diào)整。
自動(dòng)時(shí)延調(diào)整能自動(dòng)調(diào)整各個(gè)遠(yuǎn)端設(shè)備與接入控制設(shè)備之間的時(shí)延，使不同的RRH與LIM之間的時(shí)延相等，消除同扇區(qū)遠(yuǎn)端之間重疊信號(hào)覆蓋區(qū)域的時(shí)延色散干擾，相對(duì)于手動(dòng)時(shí)延調(diào)整更實(shí)時(shí)，更精確，程序能夠?qū)崟r(shí)跟蹤時(shí)延的變化并進(jìn)行調(diào)整，減少了人工維護(hù)的成本。
3、底噪抑制功能
底噪抑制技術(shù)是針對(duì)GSM制式的信號(hào)而言，因?yàn)镚SM信號(hào)屬于時(shí)隙信號(hào)，有用戶時(shí)才有時(shí)隙被激活，所以我們可以根據(jù)時(shí)隙功率來進(jìn)行時(shí)隙關(guān)斷，這樣當(dāng)關(guān)斷時(shí)整個(gè)系統(tǒng)的底噪也一起被關(guān)斷了，從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的平均底噪，減小了對(duì)基站的干擾。
GRRU設(shè)備可以單獨(dú)對(duì)各射頻拉遠(yuǎn)單元的上行噪聲進(jìn)行控制，在帶24個(gè)遠(yuǎn)端時(shí)引入的噪聲不大于-130dBm（帶寬為200KHz），可以保證鏈路平衡不受任何影響。
4、時(shí)延色散干擾
需要考慮GRRU站時(shí)延的引入對(duì)系統(tǒng)造成的影響�？赡艽嬖诟采w區(qū)與施主扇區(qū)覆蓋區(qū)重疊的可能，如果兩重疊信號(hào)時(shí)延差小于4TA則不會(huì)造成任何問題，這是GSM規(guī)范規(guī)定的。當(dāng)兩信號(hào)時(shí)延差大于4TA且信號(hào)強(qiáng)度相當(dāng)（差值小于10dB）則將導(dǎo)致手機(jī)掉話；因此，這時(shí)需要考慮選取背向光纖直放站覆蓋區(qū)的施主扇區(qū)，這樣基站重疊區(qū)和直放站重疊區(qū)就不會(huì)產(chǎn)生多徑引起的掉話了，而是兩個(gè)扇區(qū)信號(hào)的切換。
在GRRU安裝過程中會(huì)遇到信源基站和光纖直放站信號(hào)重疊的問題，就是由于多徑傳播引起的時(shí)間色散產(chǎn)生同頻干擾。對(duì)于上圖所示，我們假設(shè)基站到戶用之間的信號(hào)質(zhì)量較好，能夠接收到正常的基站信號(hào)，但是此時(shí)如果引入一個(gè)GRRU，此時(shí)的時(shí)延差為delayB-delayA＝（5Km的空間時(shí)延＋10Km光纜時(shí)延＋設(shè)備時(shí)延）-5Km的空間時(shí)延＝10Km光纜時(shí)延＋設(shè)備時(shí)延＝2Km×4.76us/Km＋10μs＝19.52 us>15μs（4TA）。此時(shí)直放站的信號(hào)就只能判斷為同頻干擾信號(hào)，必須小于同頻干擾保護(hù)比9dB。
通過上述時(shí)延分析，我們提出以下相關(guān)建議：盡量選擇背向覆蓋區(qū)域的小區(qū)作為GRRU信號(hào)源，當(dāng)采用RRU+GRRU方式進(jìn)行覆蓋時(shí)，RRU的射頻信號(hào)不直接進(jìn)行覆蓋，避免RRU與GRRU覆蓋中使用到的直放站信號(hào)覆蓋區(qū)形成重疊覆蓋區(qū)。
XRRU設(shè)備原理
虹信公司數(shù)字射頻拉遠(yuǎn)設(shè)備不同于以往的模擬光纖直放站，它將RF信號(hào)經(jīng)變頻處理變?yōu)橹蓄l數(shù)字信號(hào)，再通過光纖拉遠(yuǎn)進(jìn)行傳輸。其具體工作原理是：近端機(jī)將從基站接收到的基站下行信號(hào)通過耦合，下變頻處理，到基帶變?yōu)镮/Q信號(hào)或低中頻信號(hào)，經(jīng)ADC變換到數(shù)字信號(hào)后按一定幀格式打包成串行數(shù)據(jù)，再經(jīng)光纖發(fā)送到遠(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)經(jīng)基帶處理單元解幀，恢復(fù)I/Q或低中頻信號(hào)，經(jīng)DAC變換到模擬信號(hào)，再上變頻到射頻，經(jīng)發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射出去；遠(yuǎn)端機(jī)將接收到的移動(dòng)終端上行信號(hào)通過上述逆過程，上送至基站接收端。
XRRU設(shè)備優(yōu)勢(shì)
1、優(yōu)秀的數(shù)字和射頻總體方案的設(shè)計(jì)，采用國外先進(jìn)的A/D數(shù)字芯片，結(jié)合我司長期的FPGA的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，設(shè)備處理能力強(qiáng)，選頻設(shè)備最多可接入24載波；（標(biāo)書16載波）
2、射頻指標(biāo)優(yōu)異，可以在復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)中應(yīng)用，抵抗鄰頻干擾；
3、采用了高線性功放和高穩(wěn)定度的時(shí)鐘源，在EDGE網(wǎng)絡(luò)下，支持FTP高速下載等互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)，在09年河南移動(dòng)組織的十家GRRU應(yīng)標(biāo)廠家測(cè)試中，達(dá)216Kbit/s，排名第一；
4、IP防護(hù)等級(jí)可達(dá)IP67，完全防塵防水防鹽防霧；
5、遠(yuǎn)端機(jī)內(nèi)置防雷模塊，防護(hù)等級(jí)C級(jí)，最大放電電流 120kA，最大保護(hù)電壓2700V；
6、可以根據(jù)特殊環(huán)境定制雙電源和雙功放的產(chǎn)品；
7、我公司生產(chǎn)的XRRU產(chǎn)品可以通過微波進(jìn)行傳輸。
從國內(nèi)現(xiàn)階段的建網(wǎng)趨勢(shì)來看，XRRU數(shù)字直放站產(chǎn)品逐漸的取代傳統(tǒng)的模擬直放站產(chǎn)品，特別是在高鐵中的應(yīng)用，XRRU已經(jīng)成為了解決高鐵無線信號(hào)的事實(shí)的標(biāo)準(zhǔn)，利用XRRU直放站組網(wǎng)系統(tǒng)，大大提升了組網(wǎng)的靈活性和業(yè)務(wù)快速開通。目前XRRU技術(shù)發(fā)展很快，國內(nèi)主流廠家都推出了相應(yīng)的XRRU設(shè)備，運(yùn)營商也非常關(guān)注其應(yīng)用加之，也為XRRU的快速發(fā)展增添了動(dòng)力。
虹信公司從2005年開始了對(duì)XRRU技術(shù)的跟蹤和研發(fā)，經(jīng)過幾年的努力，逐步在國內(nèi)引領(lǐng)XRRU技術(shù)的發(fā)展，目前已經(jīng)推出全系列的XRRU產(chǎn)品，獲得了客戶的大量認(rèn)可，已經(jīng)在全國各大運(yùn)營商市場(chǎng)獲得了大量的商用。
運(yùn)營商的需求是推動(dòng)XRRU技術(shù)不停發(fā)展的主要?jiǎng)恿�，XRRU融合了多種技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因此備受業(yè)界的關(guān)注，從目前的業(yè)務(wù)需求和成熟度而言，XRRU的規(guī)模商用還需要1-2年時(shí)間，預(yù)計(jì)未來5年內(nèi)，XRRU的市場(chǎng)將超過傳統(tǒng)的模擬直放站設(shè)備，必將成為未來直放站的主流產(chǎn)品。虹信公司秉承烽火人“求真、務(wù)實(shí)”的工作作風(fēng)，為了國家的高鐵事業(yè)奉獻(xiàn)著自己智慧和汗水。
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