TD-LTE高铁覆盖优化方法探讨

周铁建，常贺

（1中国移动通信集团浙江有限公司嘉兴分公司，嘉兴 314000；2中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，杭州 310000）

TD-LTE高铁覆盖优化方法探讨

周铁建1，常贺2

（1中国移动通信集团浙江有限公司嘉兴分公司，嘉兴 314000；2中国移动通信集团设计院有限公司浙江分公司，杭州 310000）

主要介绍高速铁路场景下基于TD-LTE的专用移动通信网络覆盖的相关问题及实现。基于BBU(Base Band Unit)和RRU(Remote Radio Unit)的专用网络拓扑模型，联合使用多种关键技术，对高速铁路场景下宏蜂窝专网覆盖及性能进行了深入研究。

TD-LTE；高速铁路；切换；优化；测试

随着高速铁路（简称高铁）通车里程逐年上升，电信运营商高度重视无线通信在高铁上的覆盖与性能问题，投入大量人力物力进行专项研究。通过成立高铁的专项工作组、建设高速专网、提升覆盖与性能指标等方式，极大地改善了高铁上的用户感知。

经过几年的努力，2G/3G无线网络在高速铁路的网络性能已经得到大幅提升，业务量递增明显。由此可见，高铁的覆盖与性能，已经成为衡量运营商运营能力的一个重要指标。

1 专网关键技术

对于移动通信系统而言， 当移动终端速度超过300 km/h以后，则需要考虑以下关键技术。

1.1 传播模型

在无线网络规划中，通常使用经验的传播模型预测路径损耗中值，目的是得到规划区域的无线传播特性。高铁使用的传播模型，在整个网络规划中具有非常重要的作用。传播模型在具体应用时，必须对模型中各系数进行必要的修正，它的准确度直接影响无线网络规划的规模、覆盖预测的准确度，以及基站的布局情况。

1.2 多普勒频偏抑制

高速覆盖场景对LTE系统性能影响最大的效应是多普勒效应。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，这称之为多普勒频移。在高速场景下，当终端高速移动速度达到250～350 km/h且频点为2.6 GHz时，多普勒频移将会超过800 Hz。会影响上行接入成功率、切换成功率，还会对系统的容量和覆盖产生影响。因此在高铁场景下，无论是基站侧还是终端侧频偏估计和补偿都是一个至关重要的过程。

1.3 小区切换技术

对于高速移动的终端而言，高速移动会造成终端在小区之间的快速切换。而高速移动的终端频繁的切换会对系统的性能产生较大的影响，因此必须解决在高铁通信建设中的小区切换问题。为保证用户无缝移动性及QoS要求，最基本的要求就是需要保证用户通过切换区域的时间一定要大于切换的处理时间，否则切换流程无法完成，会造成用户因切换不及时而导致掉话，影响用户的正常使用。

1.4 多天线技术

针对高速终端，LTE系统中应用较多的MIMO模式有SFBC和CDD空间复用两类。在小区边缘，采用SFBC模式，通过空间时间分集获得传输增益；在小区中心，采用CDD模式，通过各发射端口循环延迟发送不同数据获得高速数据传输。

1.5 波束成形技术

波束成形主要是利用上下行信道的互异性，根据上行信道估计计算出下行各天线权值，用获得的下行成形权值调整各天线的加权系数，将发送数据与权值相乘，使信号在有用方向上形成主波束，提高接收信号信噪比，在接收端获得成形增益，使接收性能提高。

1.6 公网和高铁覆盖

若在现网上采用小区分裂方式来覆盖高铁，则资源利用率较高，成本相对较低，但是现网很难兼顾一般场景和高速场景的通信需求，优化难度非常大。当使用专网覆盖高速铁路时，有利于切换链的设计，可以很好提高通信质量；有利于应用专用于高速场景的无线资源管理算法、切换和重选策略和网络参数值，从而更好地提高整个网络的质量。但专网和大网的融合问题是必须解决的难题。

2 高铁覆盖分析

2.1 无线传播模型分析

COST231-Hata经验模型可用于f(频率)在 1 500～2 000 MHz之间；适用于小区半径大于1 km的宏蜂窝系统；ht(发射有效天线高度)在30～200 m之间；hr(接收有效天线高度)在1～10 m之间；d的范围在1～20 km之间。 高铁覆盖的传播模型以COST231-Hata经验模型为基准，作为无线网络规划的传播模型工具，具有较好的准确性和实用性。数学表达形式是：

L(dB)=46.3+33.9lg(fc)-13.82lg(ht)-a(hr)+ (44.9-6.55lght)×lg(d)+CM

CM为大城市中心校正因子，高铁场景下取值0 dB。边缘场强计算公式：TX+G-L-Cs-Rs≤Rx

式中：TX(dBm)：天线口功率；G(dB)：天线增益；L(dB)：路径损耗；Cs(dB)：车体损耗；Rs(dB)：人体损耗；Rx(dBm)：边缘场强。

2.2 穿透损耗

高速列车采用密闭式厢体设计，车体对无线信号的穿透损耗较高。穿透损耗最高的庞巴迪列车可达24dB，因此专网设计中，高铁覆盖链路预算的取值应按未来可能采用的车体类型的损耗考虑，以满足、兼容对全系列高速列车的覆盖要求。

3 高铁覆盖解决方案

为了满足高铁覆盖和用户感知的需求，需要针对高速铁路提供特殊的解决方案。方案首先解决高铁车厢的覆盖问题，其次解决用户感知的问题。

目前，较为成熟的高铁建网的方案共有以下两种：专网覆盖与车厢分布覆盖。

3.1 专网覆盖策略

该方案使用高铁专网覆盖方案，在高铁沿线建设传统的不同制式的网络，由于是沿高铁进行覆盖，无线信号质量有保证，但由于规避不了车体的穿透损耗，因此车厢内信号仍然会出现衰落。

该方案的优点是实施相对简单，不会对车体做任何改造，由于有丰富的建网经验，因此网络成熟度比较高，网络优化经验积累相对较多。这也是现阶段高铁覆盖常用的方案。

3.2 车厢分布策略

第二种方案是对车厢做改造，引入车内直放站，直放站通过车体外天线进行信号的转发和频偏的纠正来确保车内信号的覆盖。该方案的好处是：

无需对覆盖专网做改造，保留原来的覆盖专网；车厢内用户信号质量得以保证；直放站可采用纠偏技术，一定程度上抑制频偏。

其缺点在于：

需要对车厢做大量改造，一方面车体外需要增设直放站天线，车体内需要放置直放站机箱和配套设备。为了保证车厢内的覆盖，车体内需要增设泄漏电缆等车内分布系统。车体改造成本较高。无法解决多种制式多个运营商建网时产生的重复投资，重复建设问题。

由于具有特殊的纯平原地型特点，站址资源丰富。综合考虑两种建网方案，沪杭高铁嘉兴段采用与公网宏站共址实现宏专网覆盖的方式，多快好省直接实现了TD-SCDMA/TD-LTE双模覆盖。

4 沪杭高铁组网方案及性能对比

4.1 场景分析

目前，沪杭高铁LTE专网嘉兴段北起嘉兴南，南至海宁与余杭交界处，沿线均为平原开阔地，全程约60 km左右，最高时速达到306 km/h。

4.2 方案分析

根据沪杭高铁沿线的无线环境情况，结合现有组网方案实施可行性，沪杭高铁TD-LTE专网采用与TDSCDMA共宏专网的方式进行站点部署，TD-LTE采用F频段组网，TD-SCDMA采用A频段组网。为避免重复建设，降低建设成本，全线部分站点采用共建共享模式。具体站点工程规划建设方案如图1所示。

沪杭高铁TD-LTE专网嘉兴段共分布物理站点59个，涉及RRU118个。

全网平均站间距为1.10 km，最大站间距为1.63 km，最小站间距为0.66 km。

全网天线平均高度为34.5 m，铁轨高度平均为15 m。

考虑到高速移动下的小区切换及性能影响，采用2个双通道RRU合并超级小区模式进行组网。因此嘉兴段TD-SCDMA/TD-LTE全网118个RRU划分为59个小区、18个BBU。

图1 高铁宏专网组网示意图

为应对宏专网建设过程中出现的覆盖控制难的情况，以及传统方案建设下高铁车厢信号弱的可能。在高铁建设过程中对于设备选型也提出了特殊要求：

选择大功率的双通道RRU进行组网；

选择21 dBi增益、30°波瓣宽度的高增益、窄波瓣天线进行覆盖；

为应对高速移动时的切换及重选的合理连贯，在切换及重选等参数规划上做了合理设置：

切换参数：A3事件门限：3 dB；触发时间：128 ms；

重选参数：重选事件门限：1 dB；触发时间：1 s。

4.3 LTE网络优化情况

4.3.1 覆盖优化策略

沪杭高铁TD-LTE网络不同于TD-SCDMA网络，为同频组网，因此覆盖控制要求更为严苛。通过测试分析过覆盖严重、乒乓切换频繁、站间距过小的站点，采用调整天线方向角、下倾角等手段，抑制过覆盖现象、降低邻区干扰、减少乒乓切换，同时对站间距过小的站点予以闭塞。

4.3.2 覆盖优化效果

RSRP/SINR分布如图2所示，覆盖优化后，RSRP分布区间更加合理，SINR大于等于0 dB以上占比由97.76%提升至99.14%。覆盖优化后，全程下行平均吞吐量提升2.9 Mbit/s。

图2 覆盖优化前后RSRP/SINR分布统计图

4.3.3 下行优化策略

在覆盖优化基本完成后，影响下行吞吐量的因素主要集中在AMC、HARQ、传输模式切换等算法性能方面。

考虑到高铁场景下，信道状况变化比一般密集城区场景剧烈，主要从算法调整周期、执行频度等角度进行参数对比，可调整参数如下：

AMC类参数：CQI上报周期、外环AMC调整周期、外环AMC BLER目标值；

HARQ类参数：HARQ最大发送次数，减少一部分不必要的HARQ重传；

模式切换参数：TM3模式内切换触发门限、TM3模式内切换触发周期。

4.3.4 下行优化效果

经过多次对比测试，参数优化前后下行平均吞吐量由参数优化前的18.9 Mbit/s提升至21.0 Mbit/s，下行吞吐量性能总体提升2.1 Mbit/s。

4.3.5 上行优化策略

在覆盖优化基本完成后，影响上行吞吐量性能的因素主要集中在功率控制、AMC、HARQ等算法性能方面。

主要从上行功率控制、算法调整周期、执行频度等角度进行参数调整和执行，以便更加适合高铁场景；同时充分利用终端的发射功率，进一步改善上行吞吐量性能。

4.3.6 上行优化效果

分别使用单客户端及两客户端，对优化前后参数进行对比测试，沪杭高铁嘉兴段单终端上行平均吞吐量对比如表1所示。

单FTP客户端，上行平均吞吐量由2.73 Mbit/s提升至3.66 Mbit/s，提升0.93 Mbit/s；

两FTP客户端，上行平均吞吐量由3.11 Mbit/s提升至4.44 Mbit/s，提升1.33 Mbit/s。

5 总结

沪杭高铁LTE专网技术的研究结果表明：TDLTE已经能实现300 km/h及以上高速场景的有效信号覆盖。通过高增益、窄波瓣天线和大功率双通道RRU的配合使用，可以有效控制覆盖保障车厢内的信号水平。2个双通道RRU合并超级小区组成的宏专网规划建设模式，切换和重选参数的合理设置，可以有效应对平原开阔环境下高速移动带来的各项挑战，顺利实现了高速场景下的TD-LTE信号覆盖，单TD-LTE数据卡平均下载速率达到了21 Mbit/s左右，上传平均速率超过4 Mbit/s，给予用户良好的TD-LTE网络性能感知，为试商用铺平了道路。

表1 优化前后上行吞吐量对比

[1] 3GPP TR 36.942V9.0.1. E-UTRA Radio Frequency(RF) systems scenarios(Release9)[S]. 2010,04.

[2] 房秉毅，张云勇. LTE/LTE-A技术及标准进展[J]. 电信网技术，2010(5).

[3] 曾召华. LTE基础原理与关键技术[J]. 通信技术，2010(5).

大唐移动率先发布2.6GHz超宽频LTE硬件产品

2013年12月26日，大唐移动在北京举行了TD-LTE新产品发布会，率先推出了业界首款支持2.6 GHz全频段的超宽频硬件平台产品及配套解决方案。

据了解，大唐移动此次推出的2.6 GHz超宽频硬件平台产品不仅代表着无线通信技术的重要发展方向，更符合TD-LTE网络运营及长期演进的需求。该系列产品基于先进的超宽频功放技术，射频带宽涵盖2.6 GHz (2 500～2 690 MHz) 全频段，最大支持4个20 MHz (共80 MHz) 载波。载波间功率共享的功能，可有效应对后续2.6 GHz剩余TD-LTE频率分配后的平滑演进建设，对国内三大运营商设备共用，形成产业规模优势、降低建网成本具有深远意义。此外，该系列产品高集成度的设计和优异的性能，还将减少RRU安装空间需求，运营商可根据自身的需求灵活选择工作频点位置和带宽，真正实现运营商的小投资、大覆盖和深穿透。

大唐移动此次推出的2.6 GHz超宽频硬件平台产品，在支持高带宽的同时，还保持了优异的性能。其阻塞抑制功能居于业界领先水平，可实现TD-LTE网络与2.6 GHz两侧的北斗频段和卫星通信频段的共存组网。

Discussion on high-speed railway coverage optimizing method of TD-LTE system

ZHOU Tie- jian1, CHANG He2
(1 China Mobile Group Zhejiang Co., Ltd. Jiaxing Branch, Jiaxing 314000, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Zhejiang Branch, Hangzhou 310000, China)

In this paper,the detailed questions of the high-speed railway communication coverage based on TD-LTE technology were analyzed and discussed. Based on the BBU (Base Band Unit) and RRU (Remote Radio Unit) network topology model, using key technology multiplely, it studied and analysed coverage and performance of macro cellular network in high-speed railway scene.

TD-LTE; high-speed railway; switch; optimization;test

TN929.5

A

1008-5599（2014）01-0016-05

2013-12-06