邮电设计技术/2010/06———————————————————收稿日期：2010-05-14
0前言鉴于中国高速铁路采用的是密封式车厢结构，车体屏蔽良好，使车窗穿透损耗加大，因此按常规的宏基站覆盖方式将会产生一系列的质量指标问题，如车内场强弱、切换/重选频繁、话务接通率低、通话质量差、只能低速率业务通信等。当前，高铁公用移动通信大都采用了专网和使用射频拉远技术增加基站覆盖半径，减小用户切换次数，提高网络质量指标。但在实际工程中发现，有诸多技术问题并没有引起人们的足够重视，或者采用的措施并不得当。下面就有关高铁移动通信的特殊性问题进行分析，以供同仁参考。1高速移动时功率控制作用失效按常规理解，WCDMA功率控制频率为1500Hz，是能克服列车时v速360km所带来的1300Hz快速瑞利衰落的，即f＝2v/2λ＝（2×360000/3600）/0.15≈1300（Hz）。依据参考文献［1］，当时速达到50km以上时，功控就不能有效地补偿信道的快速衰落，但为什么快速移动时快速功控会失效呢？这是由功控误差引起的。WCDMA的功率控制算法一般是基于DPCCH导频比特估计接收信号SIR的。在理想条件下，功率控制能够完全补偿信道的衰落影响，使接收信号的SIR恰好满足传输质量要求。但在实际网络中，功率控制总是会存在一定误差的，并成为评估功率控制算法的重要指标。造成功率控制误差的原因有以下几个方面。a）实际的信道估计和外环功率控制的SIR估计
总是存在着误差的。b）闭环功率控制从判决、发送功率控制指令到执行
存在着一定的时延。闭环功率控制的频率为1500Hz，当移动台移动速率较快时，无线信道衰落的频率加快，信
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苏华鸿（京信通信系统有限公司，广东广州510663）
SUHua-hong（CombaTelecomsystems（Guangzhou）Ltd.，Guangzhou510663，China）
高铁移动通信的特殊性讨论
关键词：高铁；移动通信；功控失效；莱斯分布；基带展宽；损耗加大中图分类号：TN929.5文献标识码：A文章编号：1007-3043（2010）06-0001-04摘要：简要介绍了高铁通信遇到的特殊环境技术问题，如快速功控失效、无线信号包络莱斯分布、多普勒效应使基带信号频谱展宽、车厢窗户穿透损耗和入射角损耗加大、智能天线作用受限、小区硬切换信令开销增大等，并提出了适于高铁通信的无线覆盖方案。
Abstract：
IttakestestsonvideophonecallrecedinginWCDMAnetwork，andanalyzesthefailurecausesofcallreceding，includingterminalandnet-workcauses.Aroundtherecedingfailureissues，itgivessuggestionsonnetworkoptimization.Keywords：
High-speedrailway；Mobilecommunication；Powercontrolfailure；Riciandistribution；Basebandbroaden；Lossincrease
DiscussionontheParticularityofHigh-speedRailwayMobileCommunication
12010/06/DTPT道相干时间缩短。当功率控制时延大于相干时间时，功率控制就不能有效地补偿信道衰落，因此功率控制只对慢速移动的UE较为有效。c）发射机功率调整的动态范围有限。d）步长一般为1dB。发射功率每次只能以步长为单位上调或下调，对信道衰落的补偿存在一定的误差。e）功率控制指令TPC比特在DPCCH信道上发送，TPC不进行信道编码和纠错，在无线链路的传送过程中会发生一定的误码，造成功率控制误差。TPC误码率和衰落信道密切相关。在高速移动的情况下，内环功率控制的主要问题是TPC比特的误码率，它将提高UE接收SIR的标准差。这对于有低SIR要求的承载业务尤其明显，也是AMR语音业务具有比PS业务更高的SIR标准差的原因。从定性分析角度看，功率控制误差对于系统性能的影响是显而易见的。在达到相同传输质量的条件下，功率控制误差增大了发射功率，过大的发射功率只会增加干扰，降低系统容量。从定量分析角度看，功率控制提高了Eb/No均值，从而降低了系统容量。但准确地说，Eb/No的波动不仅仅是功率控制误差造成的，还包括了外环功率控制的调整。总之，对WCDMA来说功率控制频率为1500Hz，而CDMA为800Hz、cdma20001X为600Hz、TD-SCDMA为200Hz、GSM为2Hz。既然具有最高功率控制速率的WCDMA在高速移动时功效会失效，那么其他几种制式的功控同样也是不能起作用的。此时，交织提供的时间分集是克服衰落的主要手段，其次是加大衰落储备，而减少链路损耗也是不可或缺的措施。2高铁通信穿透损耗和入射角损耗中国高铁采用的是密封式厢体，为防止意外事故发生，玻璃窗还加入了一些特殊材料，从而使高铁有较大的穿透损耗。依据参考文献［2］，高铁穿透损耗为20dB左右，还测得厢体玻璃窗存在着一定的入射角损耗，其值随通信距离增大、入射角变小而处于0~15dB之间。例如，远离发射天线600m、入射角为2°左右时，上述2项损耗之和达20＋15＝35（dB），这些损耗使得高铁移动通信的覆盖半径大为减小。3高铁通信多普勒效应使基带信号展宽依据参考文献［1］和［3］，多普勒频移通常被称为多普勒扩展，它代表了信道的衰落速率。其对接收信号的影响来说，可以看做是发射基带信号频率的多普勒扩展或频谱的展宽，而不是频偏。如图1（b）所示的，发射信号的中心频率实际上并没有偏移，只是基带信号展宽了BD。
假定高铁时速为360km，即100m/s，2GHz频段的3G产生的多普勒扩展B＝（V/C）fccosδ＝（v/λ）cosδ
，最
大多普勒扩展BD＝（100/0.15）cos0°＝667（Hz
）。通常多
普勒扩展BD被考虑在0.01~0.005Bw量级就认为是慢衰落信道了，其中Bw：GSM900为270kHz，cdma2000
1X为1.228MHz，TD-SCDMA为1.28MHz，WCDMA为3.84MHz，相对应允许的BD：GSM900为1.3kHz，
cdma20001X为6kHz，TD-SCDMA为6.5kHz，WCD-MA为19.2kHz。总之，从对抗多普勒效应来讲，目前
这几种移动通信制式都不存在问题，但也同时提醒我们，将来LTE所采用的OFDM技术是将高速串行数据转为上千个并行数据的，在空中传输的是上千个频宽很窄的基带信号，高速移动时是否会存在严重的多普勒快速衰落信道的效应是值得深思的［4］。
4高铁车厢外传输信号包络莱斯分布依据参考文献［2］实测的高铁覆盖场强，视距下传输损耗要比自由空间损耗大20~29dB，证明接收信号除了直射信号占主导地位外，还存在大量经反射后较弱的散射信号。高铁移动通信传输路径示意见图2。
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2邮电设计技术/2010/06图2中，Pt为发射信号，Pr为靠近车厢的接收信号。这种场景不同于市区蜂窝基站小区的散射环境，市区的接收信号包络在任何时候都是瑞利分布的。对于高铁移动通信来说，依据参考文献［3］，接收到的视距传播路径信号是一个起主导作用的不变（非衰落）信号分量加在散射波（反射波为主）上，形成的信号包络Pr将服从莱斯分布。莱斯信号包络的概率密度函数为Pr（x）=xb0exp-x2+c22b000I0xcb000x≥00x＜≥≥≥≥≥≥≥≥≥0式中：Pr———接收信号合成振幅包络b0———弥散（瑞利）分量中的平均功率c2/2———信号中占主导地位的直达（常数）分量的平均功率I0（…）———第一类零阶修正贝塞耳函数当直达信号不存在即c→0时，莱斯分布就退化为瑞利分布；当b0→0时，反射信号不存在，信道根本不出现任何衰落。通常定义K＝c2/2b0。其中：K为莱斯因子，莱斯分布常用该参数来描述；c2/2为直达平均功率；b0为弥散平均功率。K值越大越好，当K＝∞时属于良好的微波通信通道。在实际的高铁移动通信中，应设法增大c2/2、减少b0，最有效的方法是缩短站距，其次是扩大Ht与Hr之间的高差。其中，Hr是车窗高度不能随便改变，因此应适当提高Ht的高度，从而使信号包络稳定，场强增强。5高铁限制了TD-SCDMA智能天线作用通常，TD-SCDMA在宏基站覆盖区内的所有用户是均匀分散分布的，如图3（a）所示，每个用户都能享受到智能天线波束赋形所带来的达9dB的好处。对于图3（b）来说，列车内的用户排为一线，波速赋形也是重叠为一线的，并没有减少干扰增加，这样9dB好处就会失去，使得TD-SCDMA上/下行链路预算
失去9dB，覆盖半径将因此而缩小近一半。
6高铁通信硬切换使信令开销剧增在通常情况下，市区GSM宏基站不同位置区之间的硬切换只发生在覆盖区的边缘用户，对SDCCH的开销并不大，如：3载频扇区只需配置2个时隙共16个SDCCH，6载频扇区只需配置3个时隙共24个SDCCH。处于特殊情况下的高铁移动通信，小区之间
的硬切换不再只有部分用户参与，而是列车内的所有用户都要参与。按1个用户使用1次SDCCH，3s完成1次切换计算，若1列车拥有600个移动用户在10s之内完成切换，那么就需要180个SDCCH，换算成载频数共为3个。与上述2种情况相比就会发现高铁覆盖的特殊性，即信令信道开销增加了载频，从而也就加大了投资成本。
7高铁通信覆盖方案的讨论7.1TD-SCDMA建设方案由于高铁通信的特殊环境，智能天线作用很小，加
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