四川高速鐵路移動通信覆蓋研究

1、 XXX大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）設(shè)計(jì)（論文）題目：高速鐵路移動通信覆蓋研究學(xué) 院 名 稱 ：學(xué) 生 姓 名 ：專 業(yè) ：班 級 ：學(xué) 號 ：指 導(dǎo) 教 師 ：答辯組 負(fù)責(zé)人 ：摘 要隨著鐵路的提速，達(dá)州到成都動車組的開通，高速鐵路方面對通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量要求越來越高，而由于鐵路場景的特殊性與高速移動對網(wǎng)絡(luò)各個方面的影響，導(dǎo)致用戶的感知度大大降低。本論文重點(diǎn)對高速鐵路GSM移動通信系統(tǒng)的覆蓋進(jìn)行研究，以便提供良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量。本文首先對GSM移動通信系統(tǒng)的發(fā)展史與整體構(gòu)架進(jìn)行了大體的敘述；其次就高速鐵路中速度、車體、特殊場景等方面造成的問題做出了詳細(xì)的理論研究，為規(guī)劃設(shè)計(jì)、方案建設(shè)提供理論依據(jù)；然

2、后針對達(dá)成高速鐵路的實(shí)際案例，對高速鐵路覆蓋的各個方面進(jìn)行了深入的討論，其中組網(wǎng)方式、覆蓋技術(shù)和規(guī)劃原則是達(dá)成高鐵覆蓋的重點(diǎn)；而基于達(dá)成鐵路的特殊情況，隧道覆蓋成為了一個難點(diǎn)，論文最后就實(shí)際建設(shè)中隧道覆蓋的具體情況進(jìn)行了有針對的、詳細(xì)的論述，以便有效的解決各類隧道的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，達(dá)到全網(wǎng)連續(xù)覆蓋的最終目的?！娟P(guān)鍵詞】高速鐵路 移動通信 覆蓋 研究 ABSTRACTWith the speed railway and the EMU from Dazhou to Chengdu opened, high-speed railway network coverage of the communicat

3、ion network have become increasingly demanding. Since the railway scenes special and high-speed mobile network to bring all aspects of impact, resulting in greatly reduced the users perceptions. This thesis focuses on high-speed railway GSM mobile communication system covering research, to provide g

4、ood quality coverage.This article first has a general description on GSM mobile communication system and the overall framework of the history. Second, the rate on high-speed railway, body, special settings such as the problems caused by making a detailed coverage of theoretical, for the planning and

5、 design, providing a theoretical basis for the program. Third，to the actual case for high-speed railway, this article has a in-depth discussion on all aspects of the high-speed railway network coverage , Which network formation, covering technical and planning principles are the key to achieve high-

6、speed railway coverage. The special situation of Dacheng railway, tunnels has become a difficult cover. Finally, this article has a discussion on the actual construction of the specific circumstances of the tunnel coverage, and in detail, to find an effective solution for various types of tunnel net

7、work coverage to the whole network, to reach the ultimate goal of continuous coverage.【Key words】High-speed Railway Mobile Communications Cover Research目 錄前 言2第一章 移動通信系統(tǒng)概述2第一節(jié) GSM移動通信的發(fā)展歷史2第二節(jié) GSM移動通信系統(tǒng)簡介2一、GSM系統(tǒng)主要性能簡介2二、GSM系統(tǒng)的組成2第三節(jié) 本章小結(jié)2第二章 高速鐵路覆蓋理論研究2第一節(jié) 車體穿透損耗2第二節(jié) 多普勒效應(yīng)的影響2第三節(jié) 單站覆蓋距離2第四節(jié) 相鄰基站重疊覆

8、蓋區(qū)域2第五節(jié) 天線選擇2第六節(jié) 本章小結(jié)2第三章 達(dá)成高鐵現(xiàn)狀與建設(shè)方案2第一節(jié) 達(dá)成高鐵情況2一、達(dá)成鐵路情況概述2二、達(dá)成鐵路信號測試情況2第二節(jié) 覆蓋解決方案2一、公網(wǎng)組網(wǎng)方式與專網(wǎng)組網(wǎng)方式的比較2二、覆蓋方案2三、建站規(guī)模方案2四、方案對比分析2第三節(jié) 本章小結(jié)2第四章 達(dá)成高鐵覆蓋技術(shù)與規(guī)劃原則2第一節(jié) BTS+GRRU技術(shù)和BBU+RRU技術(shù)對比2一、GRRU與RRU指標(biāo)比較2二、GRRU與RRU組網(wǎng)方案比較2三、BTS+GRRU組網(wǎng)方案其他優(yōu)點(diǎn)2四、初步結(jié)論2第二節(jié) 無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃原則2一、新建宏站站間距選取原則2二、拉遠(yuǎn)各遠(yuǎn)端機(jī)間距選取原則2三、利舊站點(diǎn)選取原則2四、基站搬遷原

9、則2五、載波配置原則2六、站臺站點(diǎn)選取2第三節(jié) 傳輸系統(tǒng)規(guī)劃原則2一、傳輸系統(tǒng)建設(shè)原則2二、組建傳輸系統(tǒng)建議2第四節(jié) 電源系統(tǒng)規(guī)劃原則2一、近端站供電原則2二、遠(yuǎn)端站供電原則2第五節(jié) 本章小結(jié)2第五章 達(dá)成高鐵隧道覆蓋方案2第一節(jié) 隧道覆蓋概況2一、隧道分類2二、泄露電纜概況2三、泄漏電纜的損耗2第二節(jié) 各類隧道覆蓋方案2一、短隧道覆蓋2二、長隧道覆蓋2三、連續(xù)隧道覆蓋2第三節(jié) 隧道覆蓋其他問題2一、隧道內(nèi)切換2二、桿塔建設(shè)2第四節(jié) 本章小結(jié)2結(jié) 論2致 謝2參考文獻(xiàn)2附 錄2一、英文原文：2二、英文翻譯：2前 言伴隨中國鐵路第六次大提速，我國將建設(shè)新線19800公里，其中時速在300公里以上

10、高鐵就超過5457公里，手機(jī)用戶進(jìn)行通信時，由于受到高速移動過程中的快衰落、多普勒效應(yīng)、列車材質(zhì)等對無線信號衰減以及無主力覆蓋小區(qū)的影響，往往容易發(fā)生切換混亂，無法接通，掉話等現(xiàn)象，導(dǎo)致用戶感知度下降。面對日益增多的客源和用戶對感知度的需求，移動運(yùn)營商如何在這種高速環(huán)境中提供良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量，已經(jīng)成為一個刻不容緩的問題。在此之前，全國已經(jīng)有多個地方實(shí)行了高速鐵路的覆蓋研究與實(shí)際工程建設(shè)，如京滬高鐵、武廣高鐵、河北高鐵等，都建立了良好的通信質(zhì)量，也總結(jié)了很多高鐵覆蓋的經(jīng)驗(yàn)，但就達(dá)成高鐵覆蓋而言，還是有些經(jīng)驗(yàn)的空白。由于川渝兩地地形地勢特殊，山路、橋梁、隧道眾多，尤其是在隧道覆蓋部分前人總結(jié)經(jīng)驗(yàn)

11、較少，其最大難點(diǎn)莫過于全網(wǎng)的連續(xù)覆蓋與各個隧道的具體網(wǎng)絡(luò)覆蓋，故本課題就解決隧道的覆蓋進(jìn)行了一定的論述與總結(jié)。針對GSM高鐵覆蓋，伴隨著場景的特殊性，其高速運(yùn)行、較強(qiáng)的車體穿透損耗、區(qū)域跨度較大和地形區(qū)域復(fù)雜等情況，出現(xiàn)了各種不同的難度，如多普勒頻移過大，導(dǎo)致基站發(fā)射和接收頻率不一致；高速運(yùn)行而造成切換頻繁，速度越快切換距離也越長，切換距離已經(jīng)超出原扇區(qū)的覆蓋范圍，終端難以接收到切換信令，導(dǎo)致掉話；中空鋁合金車體使得損耗過大，車內(nèi)覆蓋率低；橋梁隧道特殊場景較多、線路和周邊的交叉覆蓋以至于組網(wǎng)復(fù)雜，并且車站、市區(qū)等地方公網(wǎng)與專網(wǎng)交錯覆蓋導(dǎo)致接入困難等等都是本次研究急需解決的問題。本課題重點(diǎn)通過對

12、達(dá)成高速鐵路GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋工程的研究分析，提出規(guī)劃建設(shè)意見，以便更好的完成達(dá)成高鐵覆蓋的項(xiàng)目，并對以后高速鐵路移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋提供一定的參考。第一章 移動通信系統(tǒng)概述第一節(jié) GSM移動通信的發(fā)展歷史GSM全名為：Global System for Mobile Communications，中文為全球移動通訊系統(tǒng)，俗稱“全球通”，是一種起源于歐洲的移動通信技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是第二代移動通信技術(shù)，其發(fā)展主要分為幾個階段： 第一階段：從上世紀(jì)20年代至40年代早期，短波無線通信。 第二階段：從40年代中期至60年代初期，移動無線通信開始問世。 第三階段：從60年代中期至70年代中期，大區(qū)制移動電話。 第四階段

13、：從70年代中期至80年代中期，是移動通信蓬勃發(fā)展時期。1978年底，美國貝爾實(shí)驗(yàn)室研制成功先進(jìn)的移動電話系統(tǒng)，建成了蜂窩狀移動通信網(wǎng)。 第五階段：從80年代中期開始，歐洲推出GSM體系，美國和日本也制定了各自的數(shù)字移動通信體制。隨著移動通信技術(shù)的迅速發(fā)展，80年代以后移動通信系統(tǒng)有了更進(jìn)一步的飛躍，其演進(jìn)過程如圖1.1所示：圖1.1 移動通信系統(tǒng)演進(jìn)第二節(jié) GSM移動通信系統(tǒng)簡介一、GSM系統(tǒng)主要性能簡介GSM數(shù)字移動通信系統(tǒng)的主要性能總體概況為以下幾點(diǎn)： 發(fā)射頻率為上行890-915MHz，下行935-960MHz。 TDMA多址方式。 FDD雙工方式。 45MHz的雙工間隔。 載波頻道間

14、隔為200KHz，共124載頻。 語音編碼是規(guī)則脈沖激勵長期預(yù)測編碼（RPE-LPC），語音編碼速率13kbps。 信道編碼采用循環(huán)冗余碼、1/2卷積碼及交織編碼。 調(diào)制方式為高斯濾波最小移頻鍵控（GMSK），調(diào)制速率270.833kbps。 時隙是物理信道/時隙，時隙周期577us，TDMA則為8時隙/幀。 小區(qū)結(jié)構(gòu)情況為在農(nóng)村地區(qū)可采用宏小區(qū)，小區(qū)半徑可達(dá)35km；城市地區(qū)小區(qū)半徑一般為10-20km；市中心等業(yè)務(wù)密集地區(qū)可采用微小區(qū)，半徑0.5km。二、GSM系統(tǒng)的組成GSM系統(tǒng)由一系列功能單元組成，從圖1.2的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可以看出，整個系統(tǒng)可以分為四個相互獨(dú)立的子系統(tǒng)，由移動臺MS（Mob

15、ile Station）、基站子系統(tǒng)BSS（Base Station Subsystem）、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)NSS（Network Sub-System）、公共網(wǎng)（Public Networks）組成。圖1.2 GSM系統(tǒng)結(jié)構(gòu)1、移動臺 MS移動臺是公用GSM移動通信網(wǎng)中用戶使用的設(shè)備，可以分為車載型、便攜型和手持型。其中手持型俗稱“手機(jī)”。2、基站子系統(tǒng) BSS基站子系統(tǒng)BSS是GSM系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)無線通信的關(guān)鍵組成部分。基站子系統(tǒng)是在小區(qū)內(nèi)建立無線電覆蓋的設(shè)備，負(fù)責(zé)管理無線資源，建立移動臺與網(wǎng)絡(luò)之間的無線信道，傳送網(wǎng)絡(luò)的各種信令及用戶信息等。一個基站子系統(tǒng)BSS包含一個基站控制器BSC（Base

16、Station Controller）以及一個或多個基站收發(fā)信臺BTS（Base Transceiver Station）。一個BTS在一個小區(qū)內(nèi)建立無線電覆蓋，故一個基站系統(tǒng)的覆蓋區(qū)域包含若干個小區(qū)。、基站收發(fā)信臺 BTSBTS主要分為基帶單元、載頻單元和控制單元三部分。一個完整的BTS包括無線發(fā)射/接收設(shè)備、天線和所有無線接口特有的信號處理部分。BTS可看作一個無線調(diào)制解調(diào)器，負(fù)責(zé)移動信號的接收和發(fā)送處理，一般情況下在某個區(qū)域內(nèi)，多個子基站和收發(fā)臺相互組成一個蜂窩狀的網(wǎng)絡(luò)，通過控制收發(fā)臺與收發(fā)臺之間的信號相互傳送和接收，來達(dá)到移動通信信號的傳送。、基站控制器 BSC基站控制器BSC是基站子

17、系統(tǒng)BSS的控制部分，它是基站收發(fā)信臺（BTS）和移動交換中心（MSC）之間的連接點(diǎn)，也為BTS和MSC之間交換信息提供接口。BSC一般由話路交換和信息交換的中心的AM/CM模塊，完成呼叫處理、信令處理、無線資源管理、無線鏈路的管理和電路維護(hù)功能的BM模塊和完成復(fù)用、解復(fù)用及碼變換功能的TCSM模塊組成。3、網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng) NSS網(wǎng)絡(luò)交換子系統(tǒng)NSS主要包含有GSM系統(tǒng)的交換功能和用于用戶數(shù)據(jù)與移動性能管理。NSS由移動業(yè)務(wù)交換中心MSC（Mobile Switching Center）、歸屬用戶位置寄存器HLR（Home Location Register）訪問用戶位置寄存器VLR（Visi

18、tor Location Register）、鑒權(quán)中心AUC（Authentication Center ）、移動設(shè)備識別寄存器EIR（Equipment Information Register）和操作維護(hù)中心OMC（Operations and Maintenance Center）六個功能單元組成。1、 移動業(yè)務(wù)交換中心 MSCMSC 整個GSM網(wǎng)絡(luò)的核心，它控制所有BSC的業(yè)務(wù)，提供交換功能及和系統(tǒng)內(nèi)其它功能的連接，作為交換設(shè)備，具有完成呼叫接續(xù)與控制的功能；作為移動交換中心，具有無線資源管理和移動特性管理等功能。2、 歸屬位置寄存器 HLRHLR負(fù)責(zé)移動用戶的數(shù)據(jù)庫，包含的用戶信息分

19、為兩類：一類是有關(guān)用戶參數(shù)的信息，另一類是有關(guān)用戶當(dāng)前位置的信息。也可為至某MS的呼叫提供路由信息。3、 訪問位置寄存器 VLRVLR是一個數(shù)據(jù)庫，是存儲所管轄區(qū)域中MS的來話、去話呼叫所需檢索的信息以及用戶簽約業(yè)務(wù)和附加業(yè)務(wù)的信息，例如客戶的號碼，所處位置區(qū)域的識別，向客戶提供的服務(wù)等參數(shù)。4、 鑒權(quán)中心 AUCAUC是一個管理與移動臺相關(guān)的鑒權(quán)信息的功能實(shí)體。完成對移動用戶的鑒權(quán)，存儲移動用戶的鑒權(quán)參數(shù)，并能根據(jù)MSC/VLR的請求產(chǎn)生、傳送相應(yīng)的鑒權(quán)參數(shù)。提供相應(yīng)的移動管理功能、語音呼叫業(yè)務(wù)、短消息業(yè)務(wù)、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，及網(wǎng)絡(luò)具有的所有基本功能。5、 移動設(shè)備識別寄存器 EIREIR就是一個存

20、儲有關(guān)移動臺設(shè)備參數(shù)的數(shù)據(jù)庫。6、 操作維護(hù)中心 OMC OMC-S（對交換分系統(tǒng)的操作維護(hù)）操作功能：系統(tǒng)控制、移動用戶管理、服務(wù)管理、業(yè)務(wù)管理、計(jì)費(fèi)、路由和網(wǎng)絡(luò)管理。維護(hù)功能：移動用戶線維護(hù)、局間中繼線維護(hù)、系統(tǒng)軟硬件維護(hù)。 OMC-R（對基站分系統(tǒng)的操作維護(hù)）包括：人機(jī)接口管理、保密管理、配置管理、運(yùn)行管理、出錯管理。4、公共網(wǎng)公共網(wǎng)是多個不同企業(yè)與不同人群共同使用的網(wǎng)絡(luò)，也是為了獲得使用權(quán)與他人在網(wǎng)上爭搶資源的一種網(wǎng)絡(luò)。電話系統(tǒng)是使用最普通的公共網(wǎng)，其中包括由運(yùn)營商組建并提供接入廣域網(wǎng)服務(wù)和高質(zhì)量數(shù)據(jù)傳輸服務(wù)的公用數(shù)據(jù)網(wǎng)PDN、作為全球語音通信電路交換網(wǎng)絡(luò)的公共交換電話網(wǎng)絡(luò)PSTN和以

21、數(shù)字電話網(wǎng)絡(luò)為標(biāo)準(zhǔn)的一種典型電路交換網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的綜合業(yè)務(wù)數(shù)字網(wǎng)ISDN。第三節(jié) 本章小結(jié)本章前兩節(jié)主要就GSM系統(tǒng)進(jìn)行了大體的介紹，包括其發(fā)展歷史和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，并對其中各個環(huán)節(jié)進(jìn)行了一定的詳細(xì)描述，以便對此次高速鐵路移動通信覆蓋的GSM系統(tǒng)有一個直觀和整體的概念。移動通信正飛速發(fā)展，3G通信正逐步成熟，CDMA2000/WCDMA/TD-SCDMA技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于各個領(lǐng)域，但就達(dá)成高速鐵路移動通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋而言，技術(shù)還比較欠缺，所以現(xiàn)階段高鐵的覆蓋仍然采用2G技術(shù)。第二章 高速鐵路覆蓋理論研究第一節(jié) 車體穿透損耗高速鐵路都為CRH列車，其采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，與普通列車相比，增大了車體損耗，各種類型的C

22、RH列車具有不同的穿透損耗，對各類型車廂的穿透損耗的測試結(jié)果如表2.1。表2.1 各類型車廂穿透損耗車型運(yùn)營速度最高速度載客人數(shù)列車長度綜合考慮的衰減值（dB）T型列車12K型列車14CHR1（龐巴迪列車）200Km/h250Km/h670213.524CHR2列車200Km/h250Km/h610201.310CHR3列車300Km/h380Km/h610201.320CHR5列車200Km/h250Km/h604205.224在進(jìn)行覆蓋設(shè)計(jì)時，必須以最大穿透損耗的車型作為覆蓋優(yōu)化的目標(biāo)。由于以上測試為列車靜態(tài)狀態(tài)下的測試結(jié)果，列車在運(yùn)行途中，衰減會更大，需要加上校正因子，目前在國內(nèi)運(yùn)行的和

23、諧號列車，多為龐巴迪列車，其校正因子為5dBm，如果要確保車內(nèi)的正常通話，我們按最高24dB損耗來算，我們至少要確保車外有信號強(qiáng)度為70dB以上。第二節(jié) 多普勒效應(yīng)的影響當(dāng)終端在高速運(yùn)動中通信情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移，其計(jì)算公式如下： 其中：為終端移動方向和信號傳播方向的角度，是終端運(yùn)動速度，為電磁波傳播速度，為載波頻率。 從公式中可以看出，用戶移動方向和電磁波傳播的方向相同時，多普勒頻移最大；完全垂直時，沒有多普勒頻移。表2.2顯示典型情況下的最大多普勒頻移（即假設(shè)用戶移動方向和電磁波傳播的方向相同，即=

24、0）。表2.2 最大多普勒頻移運(yùn)行速度（公里/小時）100 150 200 250 300 350 頻率偏差（Hz)83 125 167 208 250 292 高鐵覆蓋中的多普勒頻移也可以用以下公式來表示：，其中是收信機(jī)接收頻率，是發(fā)信機(jī)發(fā)射頻率，是移動臺移動速度，為電波傳播速度。值得注意的是，多普勒頻移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的兩倍。以GSM900MHz和GSM1800MHz為例，在表2.3中可以看出不同車速下的最大頻移。表2.3 最大頻移列車行駛速度（km/h）900MHz最大頻移（Hz）1800MHz最大頻移（Hz）下行信道上行信道下行信道上行信道1501252502505

25、00200167333333667250208417417833300250500500100035029258358311674003336676671333隨著車速的不斷提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯，在高鐵覆蓋中需要重點(diǎn)考慮： 多普勒效應(yīng)的存在，導(dǎo)致基站和手機(jī)的相干解調(diào)性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。 多普勒效應(yīng)對于手機(jī)（下行信道）是一倍的頻移，而對基站（上行信道）是二倍的頻移，因此多普勒頻移對基站的影響更大。 根據(jù)理論分析和仿真測試，當(dāng)列車時速達(dá)到300公里以上時，系統(tǒng)性能有比較明顯的惡化，而當(dāng)列車時速達(dá)到400公里以上時，900MHz手機(jī)就無法解出相鄰小區(qū)的信

26、息了。 相同車速時，1800M比900M頻偏大一倍，對基站解調(diào)能力影響更大，所以高速覆蓋建議采用900M頻段，3G引入后多普勒頻移會更嚴(yán)重。第三節(jié) 單站覆蓋距離Okumura/Hata模型是應(yīng)用較為廣泛的覆蓋預(yù)測模型，它是以準(zhǔn)平滑地形的市區(qū)作基準(zhǔn)，其余各區(qū)的影響均以校正因子的形式出現(xiàn)。Okumura/Hata模型市區(qū)的基本傳輸損耗模式為：其中： 為市區(qū)準(zhǔn)平滑地形電波傳播損耗中值（dB）；為工作頻率（MHz）；為基站天線有效高度（m）；為移動臺天線有效高度（m）；為移動臺與基站之間的距離（km）；為移動臺天線高度校正因子；為建筑物密度因子。假設(shè)基站為60W，即輸出功率為48dBm，以6載波預(yù)測每

27、載波輸出功率為40dBm，高速覆蓋上一般采用兩面天線背向發(fā)射，設(shè)功分器、饋線、接頭等損耗為6dB，天線增益為21dBi，水平波瓣角32 度，天線口有效幅射功率為55dBm。當(dāng)車內(nèi)信號強(qiáng)度需85dBm時，車外接收信號強(qiáng)度。假設(shè)為自由空間傳輸則允許最大路徑損耗為：。由此可得天線高度和覆蓋距離的相關(guān)數(shù)據(jù)如表2.4。表2.4 天線高度和覆蓋距離頻率天線高度（m）覆蓋距離（km）密集市區(qū)一般市區(qū)郊區(qū)開闊區(qū)900MHz100.2103770.3834911.0783931.330582200.2515730.4737561.4090111.758431300.2819210.5420231.6706182.100094400.3070670.5996191.8982882.399314500.3290430.6506652.1049972.672319對于開闊區(qū)，根據(jù)車體信號損耗和設(shè)備性能等進(jìn)行分析得到GRRU覆蓋距離可達(dá)1.4KM。由于GRRU距鐵路線有一定距離，以及考慮到將來TD信號覆蓋，其車體穿透損耗更大，故設(shè)計(jì)每個點(diǎn)覆蓋有效長度1KM。對于隧道區(qū)，長隧道內(nèi)部需連續(xù)布放GRRU+漏纜。由于GRRU只能安裝在避車洞里，每500M有一個避車洞。考慮設(shè)備功率和泄