通过对现有高铁覆盖在技术和成本上存在的问题进行深入分析，提出了基于IBOS的高铁低成本综合覆盖解决方案，并对该方案的优势以及需要进一步改进和加强的环节进行了详细剖析，可在大大降低覆盖成本的同时，提升覆盖效果和质量。
高铁覆盖 IBOS 多普勒频移 建网成本
High-Speed Rail Low Cost Comprehensive Coverage Based on IBOS
JIANG Shao-jie
（Zhongrui Communication Planning & Designing Co.， Ltd.， Guangzhou 510630， China）
Through the in-depth analysis of the high-speed rail coverage in technical and cost issues， the solution of the high-speed rail low cost comprehensive coverage based on IBOS is put forward， of which the advantages as well as the further improvement and reinforcement are analyzed in-depth， greatly reducing the cost and improving coverage and quality.
high-speed rail coverage IBOS doppler shift cost of network construction
1 引言
随着“四纵四横”高速铁路主干线和各大城市城际高铁的大规模开通运行，我国高铁的总里程将达到6.5万公里，每年运送旅客超过3亿。由于有着广阔的高端客户市场和优异的品牌宣传效应，各大通信运营商都十分重视高速铁路的无线网络信号覆盖建设，在覆盖成本可控的情况下对覆盖质量也提出了很高的要求。
高铁列车采用全封闭式车体结构，且部分车型使用金属镀膜玻璃，在1 800MHz的频段下高铁广泛使用的庞巴迪型车体穿透损耗高达24dB以上，无线信号穿透车体损耗大，随着频率的提高，车体穿透损耗呈指数增长。超过250km/h的时速将使列车内用户在非常短的时间内穿过多个信号小区，容易引起信令风暴，从而导致掉话。GSM手机在不同基站间切换至少需要6s，全速行驶的高铁列车通过两个基站切换区时间经常要小于6s，手机基本无法正常完成切换。由于高速运动产生的多普勒效应将引发信号畸变，影响通信质量。
上述特性对无线网络信号的覆盖带了很多困难，不仅大大增加了无线网络覆盖的工程技术难度，同时也增加了运营商的支出成本。由于高速铁路的里程很长，且列车高速运动，所以单个基站的突发业务量很大，但综合利用率却很低。单纯通过增加沿线基站密度来实现全覆盖不仅在技术上存在缺陷，在成本上也是运营商难以承受的，因此需要新的低成本高铁无线网络覆盖方案。
2 现有高铁网络覆盖方案的缺陷
2.1 基站规划陷入悖论
在基站最大功率符合标准的情况下，为了保证密闭车厢内部的网络信号质量，需要尽量减小基站之间的距离，增加基站的密度；同时，为了减少过于频繁的切换和小区重选的次数，降低信令风暴，减轻网络负载，应尽可能地让基站间保持较大的距离。这样就在信号质量和信号稳定性上产生了矛盾，使得基站的选址规划陷入悖论。此外，基站选址困难、建设成本高也是一直困扰高铁基站规划的难题，在距高铁100m区域内的可用建站土地资源十分紧缺。
2.2 多普勒效应和群切换问题难以解决
在速度超过250km/h的情况下，多普勒效应带来的频谱偏移和畸变十分明显，1 800MHz比900MHz的频谱偏移和畸变更严重，信号质量会迅速下降。虽然一些设备商在基站侧设计了先进的对抗多普勒频移算法和方案，但是在终端设备上却难以应用该方案应对复杂的多普勒频移。同时，车厢内用户仍然通过车厢外基站接入，导致了更为严重的群切换问题。在列车高速移动过程中，整个列车的大量用户同时切换将使得信令大规模爆发、网络负载剧增，从而导致切换成功率急速下降、掉话率激增。
2.3 建网成本巨大、投资收益比低
使用专网覆盖方式为了确保有效覆盖，2G网络基站间距一般要求为1～1.5km，3G、4G网络基站间距一般要求为500～800m。按照国内高铁里程6.5万公里计算，单个运营商要想实现高铁全覆盖需要10万多个基站，即使考虑到共建共享的成本节约，对运营商的投资也是巨大考验。同时，由于列车通过单个基站非常快，基站全时段整体上的话务量和数据量都很低，单个基站的效益较其他区域基站也很低。与其他区域覆盖项目相比，增加高铁覆盖对网络用户数量的提升不明显，在运营商对投资收益比考核愈发严格的今天，运营商对高成本建网方案的高铁覆盖项目很慎重。
3 IBOS低成本高铁覆盖设计方案
为了解决高铁覆盖中技术和成本的双重难题，需要新的高铁覆盖综合解决方案。通过基站与高速列车通信设备直接通信，再通过高速列车把通信信号转发给终端用户，能够有效地解决车体损耗、群切换、多普勒频移等高铁通信难题，在减少基站数量、降低投资成本上也具有很大的优势。其主要工作原理是在HRC（和谐号动车组）上增设有抗多普勒频移和波束赋型的高增益外置天线、车载信号回传和分发转化设备，该天线能够在高速状态下稳定捕捉到LTE基站信号，然后车载信号回传和分发转化设备把信号通过泄漏电缆、吸顶天线等方式分布到车体内部，这样车内用户就能使用较高质量的通信服务；同理，用户上行信号数据也是先通过该套系统，然后该系统再把信号和数据回传给基站。
信号回传模式如图1所示。
基于上述思路设计的IBOS（Inside Backhaul Outside System）高铁综合覆盖系统由IAS（Inside Access System，车内接入系统）、BHS（Backhaul System，回传系统）和ONS（Outside Network System，外网处理系统）三个子系统构成，如图2所示。通过IBOS系统提供高铁覆盖，路轨旁由普通专网覆盖的6张网络减少到一套IBOS基站，各运营商通过车厢内的综合接入系统提供车厢内的接入服务，共建共享，可大幅节省投资。
（1）IAS
该系统主要由车厢内综合接入系统组成，用来处理和分发从回传系统接收来的信号或者把用户信号转发给回传系统。并且整合了多制式基站、视频监控、电视转播、Wi-Fi接入功能，能够支持各种无线接入方式以及提供车厢内各种信息化服务功能。通过车内线缆泄漏、车内AP等方式，可以实现车内多种信号的有效覆盖。
（2）BHS
该系统主要由HRC车载台TAU（Train Access Unit）和HRC基站及SAE构成，完成车地之间的无线高速宽带回传。车内用户信号通过该系统接收处理后回传至基站侧，基站数据也是通过该系统接收处理后再转发给车内用户，这样可避免用户和基站直接通信造成的掉话及数据中断问题。此外，BHS还为行车安全及其他旅客信息化服务提供了车地间的宽带接入功能。由于天线可以架设在列车外部并引入智能天线波束赋型和抗多普勒频移算法，所以能够有效改善信号的传输效果。
（3）ONS
该系统包括各接入制式的基站控制器、计费、网管以及铁路地面客服系统，通过它可以完成对整个HRC系统的管理、运营和监控。ONS可以和现有网络有效融合，只需要在关键节点上进行通信控制和过滤，即可确保系统安全。
4 IBOS系统技术优势
4.1 有效克服车体损耗
车载台天线部署在车厢外顶端；在车厢内，车载台汇聚、分发车载2G/3G基站设备的Abis和Iub接口数据；高铁旅客通过车厢内综合接入设备接入2G/3G网络。车内用户无需和沿线的基站直接通信，而是先和车内通信模块通信后再回传至基站，这样就不存在车体损耗问题。
4.2 消除频繁的群切换问题
高铁旅客进入车厢后，即通过车厢内2G/3G网络接入，在列车运行过程中，2G/3G没有小区间切换问题，更不存在群移动导致的信令风暴问题。LTE扁平化的网络架构和精简的信令流程，保证切换可在几百毫秒内完成，远小于GSM的5～6s，大大降低了切换区设计难度。
4.3 有效克服多普勒频移
现有的诸多抗多普勒频移算法需要基站和终端的共同协作才能取得良好效果，但是现有终端在设计生产时考虑到成本和技术等原因没有加入抗多普勒频移功能。而具有抗多普勒频移功能的车载通信设备则可以和基站对多普勒频移进行联合修正，大大提高了抗多普勒频移效果，提升了QoS指标。抗多普勒频移效果对比如图3所示。
4.4 有效降低建网成本
由于采用了车载回传系统，列车对基站信号的接收和增益能力大大增强，这样就能够降低沿线的基站距离和密度，从而减少建网成本。同时，路轨沿线只需部署一套HRC网络，提供车地间无线回传通路，各运营商通过租用不同的VPN（Virtual Private Network，虚拟专用网络）通道来解决Abis口和Iub口的传输问题，可进一步降低建设投资规模。
5 总结和展望
当前高铁覆盖不仅仅存在技术上的制约，同时也受到投资成本的制约。在有限的投资额度内尽可能地提高高铁覆盖范围和覆盖质量，需要不断进行理论、技术和工程创新。IBOS覆盖系统虽然具有技术和成本优势，但是在复杂的高速列车上加装IBOS，如何才能确保不影响高铁运行安全、保证电磁兼容性以及通过铁路部门的准入制度，这些都需要进一步实践和探索。此外，IBOS系统的共建共享也需要各大运营商积极合作，从而实现多赢的局面。
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