高铁场景下TD-SCDMA/TD-LTE共模无线解决方案

葛瑶，徐光

（华信邮电咨询设计研究院有限公司， 杭州 310014）

高铁场景下TD-SCDMA/TD-LTE共模无线解决方案

葛瑶，徐光

（华信邮电咨询设计研究院有限公司， 杭州 310014）

分析高速移动用户产生的多普勒频移、高铁车厢的高穿透损耗、小区间频繁产生的问题。针对TD-SCDMA和TD-LTE的共模方式下，提出组网全面解决方案。并通过移动系统网络的测试分析验证了覆盖方案的有效性和实用性。

多普勒偏移；高铁；站间距；切换区；小区合并

近年来，高铁凭借350 km/h高速拉近了不同区域人与人之间的距离，高铁这种新场景在2G网络的建设中积累了大量的经验和成果。随着数据业务的不断攀升和人们接受程度的不断提高，高速列车上越来越多的高端用户有数据业务需求，仅仅提供高质量的通话业务已经不能满足这些高端用户的需求，高铁场景下建设TDSCDMA和TD-LTE网络已经变得刻不容缓。文章针对高铁密封性好、时速快、信号衰落大等特点，提出TD-SCDMA和TD-LTE共模形式下的无线解决方案。

1 高速多普勒频移解决方案

列车高速运行时由于多谱勒效应，对于射频信号的中心频率产生频率偏差，多谱勒公式如下：

F：中心频率，单位：Hz；

V：列车运行速度，单位：m/s；

C：光速=3×108m/s；

θ：列车运行方向与电磁波传播方向的夹角。

从上式可以看出：

＊ 多普勒频移的大小和运动速度成正比，运动速度越快频偏越大。

＊ 假定移动速度不变，用户先朝向基站运动而后远离基站，多普勒频偏先正后负。基站将承受2倍的频移效应。

＊ 终端需要能够处理多普勒频移Δf。

＊ 入射角度越大，多普勒频移的效应越小。

列车运行的速度不同，多普勒频移的频偏如表1所示。

TD-SCDMA：3GPP标准协议中定义的最高移动速度为120 km/h，明显低于高速铁路的需求，因此无论是终端还是基站都需要做频率补偿。

TD-SCDMA终端：通过AFC（Automatic Frequency Control，自动频率控制)技术进行载波频率跟踪。

TD-SCDMA基站：目前主设备厂家设备均支持频偏补偿，具体实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移；同时相应对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。

表1 不同时速下各系统最大频偏

TD-SCDMA终端、TD-SCDMA基站的新技术应用，使得高速铁路沿线的TD-SCDMA/TD-LTE基站最大多普勒频偏可达1 400 Hz，满足高铁350 km/h时速的多普勒频移要求。

2 高铁组网TD-SCDMA/TD-LTE组网方案

2.1 高铁覆盖组网模式

由于高速铁路属于狭长地形，高铁的覆盖区域应成带状分布。用户沿运动方向优先切换到前向链形邻区，提高切换效率，从而避免前后小区乒乓切换和侧向小区无序无效切换。

为避免列车高速行驶，频繁的跨越小区，高铁场景全线采用小区合并技术BBU+RRU分布式基站方式组网。小区合并技术使多个RRU共小区，从而增加单小区覆盖范围，降低高铁切换次数、提高切换成功率。

为避免基站跨RNC和LAN码的频繁切换，高铁全线采用专网方式的拓扑结构，各区域采用同一个RNC和LAC码，进而提高切换成功率。

2.2 宏专网、微专网的定义和建设方案

宏专网：利用原有宏基站组成的专网，称为宏专网。天线挂高一般需高出轨面15m以上，站间距为0.8 m～1.2 km左右。

宏专网组网方案为每个基站上配置两个双通道FA RRU，每个RRU分别连接一副双极化天线。

宏专网全线采用FA频段；增益为20.5 dBi，±45°极化的双极化天线；方案如图1所示。

图1 宏专网建设方案

微专网：一般为红线内基站，主要集中在城区内或隧道内，天线挂高一般高出轨面高度为6～10 m，站间距250～500 m左右。

因需满足TD-LTE的MIMO方式的建设需求，天馈线需采用多发多收方式，以提高上下行速率。微专网建设方案采用每站点配置一个双通道FAD RRU，采用功分器的方式分别连接两幅双极化天线。此种建设方式不仅可以节省主设备RRU的数量和投资，还可以有效控制基站的覆盖范围。

微专网大部分为红线内站点，因红线内站点今后维护、协调和施工具有一定困难，所以微专网RRU和天馈线采用一次性规划施工到位的方式。RRU选用支持TD-LTE D频段的FAD RRU，天线采用频段为FAD、增益为20.5 dBi、±45°极化的双极化天线。具体方案如图2所示。

站点选择建议：

＊ 站点距铁路线垂直距离建议在100～300 m左右范围内，不宜超过300 m；

图2 微专网建设方案

＊ 对于直线轨道，相邻站点宜交错分布于铁路的两侧，形成“之”字型布局，有助于改善切换区域，有利于车厢内两侧信号质量的均衡；

＊ 对于铁路弯道，站址宜设置在弯道的内侧，可提高入射角，保证覆盖的均衡性。

2.3 切换区设置方案

切换区的设置需要考虑TD-SCDMA和TD-LTE两个网络需求，因为TD-LTE网络中eNode B起到了基站和RNC的双重功能，所以TD-LTE网络在切换过程中需要更少的切换时间，在设置切换区时应按照时间需求较大的TD-SCDMA网络考虑。

TD-SCDMA切换时延由以下3部分组成：

＊ 小区切换迟滞：指从两个小区电平相当，到邻小区大于主小区切换迟滞的这段时间；

＊ 切换触发时间：满足切换电平条件维持的时间；

＊ 切换执行时间：RNC收到测量报告到切换完成命令的时间。

根据速度和距离的关系，可以获得UE运动速度与所需切换区大小的对应关系。

重叠覆盖区的规划设计不仅仅要考虑切换执行区域，还需考虑切换过渡及保护区等，具体如图3所示。

＊ 过渡区域A ：对应小区切换迟滞需要的距离；

＊ 切换触发B ：切换触发时间内对应的距离；

图3 重叠覆盖区规划图

＊ 切换执行C ：切换执行时间对应的距离；

＊ 依据TD-SCDMA切换迟滞（2 dB）、切换触发（640 ms）、切换执行0.6 s，其中切换迟滞及余量皆考虑主邻差值，即1 dB的物理过渡区域，宏专网、微专网得出切换重叠区域大小如表2和表3所示。

表2 宏专网重叠覆盖区距离表

表3 微专网重叠覆盖区距离表

无线网络规划中，基站发射功率远大于手机的发射功率，小区的覆盖半径一般取决于上行链路预算计算的覆盖半径。2G/3G/4G高铁链路预算为无线设计人员所熟知，本文不再详细阐述，FA频段宏专网AMR小区上行覆盖半径约为760 m，FA频段微专网AMR小区上行覆盖半径约为530 m。

综上所述推算出切换区设置结论：

＊ 列车运行中，专网小区和公网小区不设置为邻区，用户不允许切换到公网，公网用户也不能占用专网资源；

＊ 高铁专网相对“封闭”，用户仅通过车站候车室室分系统进出入“专网”。

＊ FA频段宏专网：逻辑小区间的站间距控制在1 km之内，重叠覆盖区域为350 m。

＊ FA频段微专网：逻辑小区间的站间距控制在500 m之内，重叠覆盖区域为310 m。

＊ FA频段隧道漏缆：逻辑小区间的站间距控制在500 m之内，重叠覆盖区域为310 m。

3 测试数据

高铁建设完成后，分别对TD-SCDMA网络单模，TD-LTE网络单模以及TD-SCDMA/TD-LTE共模场景下做了测试。其中共模场景下测试结果如表4所示。

其中TD-LTE平均速率24.9 Mbit/s，大于30 Mbit/s的比例达27.77%，下载速率表现较好。

4 结语

本文从高铁网络覆盖的“高速率、高损耗、高架、高频次”4个特点出发，从切换区设置、链路预算、多普勒频移等方面考虑，得出针对“四高”无线解决方案。并提出宏专网、微专网的建设方案，通过对网络数据的覆盖测试，有效的论证了TD-SCDMA、TD-LTE共模方式下无线解决方案的有效性和合理性，为今后高铁场景TD-SCDMA/TD-LTE共模方式的工程建设提供了宝贵的经验。

表4 高铁场景下TD-SCDMA/TD-LTE共模测试结果

[1] 中国移动通信有限公司． 中国移动TD-LTE系统设备规范V1．0．0[S]． 2010．

[2] 韦泉， 苏文莉． 帅丹TD-SCDMA无线网络规划中的链路预算[J]． 电信工程技术与标准化， 2006，4．

[3] 李新． TD-LTE无线网络覆盖特性浅析[J]． 电信科学， 2009，1．

Solution of the common mode of TD-SCDMA/TD-LTE

GE Yao, XU Guang
(Huaxin Post&Telecom Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

It analyzes the major issues in high-speed rail scene such as doppler frequency shift, frequent handover and high penetrationg loss. A comprehensive solution are given according to the common mode of TDSCDMA and TD-LTE. Coverage scheme is verif i ed to be effective and practical by analysis of mobile network testing.

doppler frequency shift; high-speed railway; station distance; switching zone; multi-cell merger

TN929.5

A

1008-5599（2013）09-0022-04

2013-08-01