TD-LTE高速铁路场景专网分析

（中国移动通信集团天津有限公司，天津 300090）

TD-LTE高速铁路场景专网分析

赵悦，姜海云，刘赢

（中国移动通信集团天津有限公司，天津 300090）

本文首先对TD-LTE专网优化难点进行了介绍，随之基于海量数据对关键参数与下载速率的相关性进行了分析。同时，基于TD-LTE专网优化难点从站址选择、组网规划和邻区设置等方面提出了优化建议。并对高速铁路的CSFB优化邻区设置进行了总结，提出了提升回落精准性的策略。最后，对未来的高铁覆盖提出了两种覆盖模型展望，其中明确指出了基于载波聚合技术的车载分布系统将更能为终端用户提供较好的业务体验。

高速铁路；参考信号接收功率；载波聚合；电路域回落

在国家推出京津冀一体化政策的大背景下，三地的政治、经济和人口的交融将大大增加。高速铁路的建设和运营必然会为三地的交通运输起到推波助澜的作用。特别是在中国将高铁建设和运营走出国门的决策指导下，中国高铁的未来前景将更为可观。做好高速铁路的无线通信覆盖，特别是TD-LTE的覆盖，不仅是为国家的交通命脉夯实通信保障基础，也为无线移动通信运营商未来的增值提供了良好机遇和技术挑战。其中，TD-LTE的覆盖为高速铁路覆盖提供了良好的高速数据业务平台，而TD-LTE专网优化也逐渐成为技术探索新课题。本文将从TD-LTE专网优化难点到数据分析直至对应策略逐层进行解析。

1 高速铁路TD-LTE优化难点与对策

高速铁路TD-LTE专网的优化难点主要分两大类：覆盖难点和指标难点。覆盖难点主要集中在车体屏蔽损耗和高速场景的多普勒频移两方面。指标难点主要是高铁专网外终端驻留专网小区导致的拥塞问题或承载能力下降。

1.1 高铁TD-LTE网络电平损耗

中国高速铁路列车主要采用CRH(China Railway High-speed)车型，车体多为中空铝合金构成。在TD-LTE引入高铁覆盖后，高铁车体对TD-LTE无线信号的屏蔽损耗更为严重，大幅的电平衰减以及车内网络弱覆盖，成为制约高铁无线网络覆盖和质量优化提升的难点之一。实际在国内某高铁TD-LTE专网测试后，估评车体损耗按频段细分F频段约24 dBm，D频段约27 dBm，并对TD-LTE高铁测试统计无线信号屏蔽损耗附带冗余量后，实际的高铁车体损耗可高达30 dBm。

现阶段运营商多选择大功率设备，以提高无线设备增益来提高高铁车体内的电平覆盖。

1.2 高铁TD-LTE网络多普勒频移

基于多普勒频移公式计算，在高速铁路300 km/h环境下，F频段的频偏值低于D频段的频偏值（频率越低频偏值越小，可优选），所以在组建高速铁路专网时建议优选F频段作为高铁组网频点。以中国移动TDLTE频率偏移计算结果为例，如表1所示。

表1 LTE频率偏移计算对比表

现阶段运营商多以高精度频偏估算和补偿进行多普勒频移的解决。

1.3 高铁专网外TD-LTE终端驻留

高速铁路TD-LTE专网易于被外部终端驻留而导致专网出现数据业务下载速率低甚至拥塞的现象，而该现象不仅存在于TD-LTE专网内，TD-SCDMA和GSM高铁专网也同样遇到相同问题。专网外终端驻留专网的根本原因是公专网覆盖不平衡，其中，电平权重起到了主导作用。具体来源可细分为两个方面：一是公网与专网存在相对弱覆盖，二是专网站点位置与铁路场景的契合度不足。

高速铁路专网在建设初期为弥补车厢的穿透损耗多选择大功率设备达到高电平的目的。而铁路周边的终端会在脱网或重新开关机时，因专网相比公网基站的高电平选入专网，后又因专网与公网一般不添加邻区关系而驻留在专网内。同时，公网覆盖不足的问题也是铁路周边终端选入专网的一个基本原因。

高速铁路专网在建设选址时会在满足“倒塔距离”的基础上进行物理站点选择。但部分站点在选址时多受选址困难和成本因素影响导致站点垂直铁路距离过远，在专网小区覆盖范围内会存在大量非铁路上的用户终端，而这些终端也会因为脱网或重新开关机基于专网高电平选入专网而后随之驻留。

基于以上两点分析，在TD-LTE专网附近，专网与公网无邻区关系，中国移动现在GSM到TD-LTE为“盲选”策略，就存在部分距离高铁TD-LTE专网较近的终端基于专网高电平选入专网随之驻留。无论是参数调整或邻区设置均不能彻底解决外部终端驻留的问题，即参数和邻区的调整均不及电平强度对终端的影响来得更为直接。

基于以上分析，外网终端驻留专网问题具体的解决方案可从精准化选址和优化手段进行缓解，具体手段详见下文专网精准化选址和专网外终端驻留控制策略部分。

2 高铁TD-LTE专网RSRP、SINR和下载速率相关性分析

依托国内某高铁专网进行拉网测试数据分析，剔除相应无效数据后，对RSRP、SINR和下载速率（PDCP DL Throughput）分别进行对比分析。如图1、2所示。

图1 RSRP与下载速率相关性图

图2 SINR与下载速率相关性图

由图1和图2可见，SINR与下载速率的相关性要大于RSRP与下载速率的相关性。同时，从下载速率与SINR波动图形几近贴合的变化可进一步推断SINR对下载速率的变化起到了一定的决定作用。所以，在稳定高速铁路专网RSRP情况下，保证SINR的良好才是提升高铁场景下载速率的基础。按场景细分该高铁不同场景的RSRP、SINR和下载速率均值，如表2所示。

表2 RSRP、SINR和下载速率均值对比表

通过表2可见，RSRP依旧没有直接影响下载速率，而下载速率随着SINR的降低也随之下降。在按场景分析低SINR主要集中在城区场景内。城区低SINR的原因主要集中在内外干扰，如较近站点的同频干扰和同PCI余数造成的模三干扰等。

3 高铁TD-LTE专网优化策略

应对高铁TD-LTE的车厢损耗和频率偏移，已可以通过甄选高发射功率设备来和使用频偏自适应校正算法等手段解决，以下对高铁TD-LTE专网优化从站点精准化选址、公专网联合优化等方面进行浅析并提出优化建议。3.1 专网精准化选址

高铁列车主要靠列车的窗户穿透进行车厢内覆盖。在早期高铁专网站点选取时，考虑天线的入射角，专网站点与铁路沿线的垂直建议距离设置在50～400 m，大多选址不建议小于100 m。而范围仅为建议距离，实际上高铁穿越场景复杂，物理环境多变，选址时不应一概而论，在考虑天线入射角外更应按实际场景进行选址细分。现阶段铁路周边场景一般细分为城区、郊区和农村。城区场景复杂，铁路周边建筑物较多、人口密集，如专网站点位置距离铁路线过远，必然因专网的高电平而吸入外部终端并随之驻留。所以，高铁专网城区场景下的专网站点选择应贴近铁路，最好优选铁路周边高度适中（高于轨道面10～20 m）的建筑物作为专网站址。这样既可避免铁路安全距离的限定，又可降低因站点距离铁路过远而吸收外部终端业务量。城区站点距离可适当缩减，以弥补入射角变小而导致的车厢内电平损耗大的问题。

郊区场景阻挡少，以杆塔为主，点位距离保证安全距离基础上贴近铁路而避免大覆盖范围内存在大量的居民区和厂区终端选入专网，建议站点与铁路的垂直距离控制在50～150 m左右。农村场景基本以开阔地为主，终端密度小，可按建议的距离铁路垂直距离进行选址。所有场景天线均可采用窄波束天线，防止波瓣越区覆盖造成不必要的专网外终端被专网吸收。

高速铁路专网站点选址与铁路线路契合度的高低直接决定了后期铁路覆盖的物理构架的优良，也是后期优化调整难易程度和指标优良的基础。

3.2 公专网差异化构建与联合优化

GSM专网时期为了防止高铁专网外终端选入专网，除了协调好公专网电平覆盖结构合理化外，可利用异频组网来避免公专网因使用同频造成的终端大量涌入专网的可能。以GSM专网为例，公网的TCH频点可用于作为专网的主BCCH频点。同时，在规划贴近铁路2～3层基站频点使用时尽量不规划与高铁同邻的频点。在TD-LTE规划时同样可以利用不同频点频段构建公专网，即距离高铁专网较近的2～3层公网站点与专网异频组网，将专网和公网大网形成隔离带，降低同频导致的公专网站点互相干扰。而涉及的PRACH与PCI值可使用预留值，甚至可将贴近铁路2～3层或TDLTE公网小区与专网小区进行统一规划，联合优化，避免TD-LTE高铁专网与公网小区因为独立优化造成小区冲突或混淆。

3.3 专网外终端驻留控制策略

TD-LTE专网外终端驻留主要是因公专网电平不平衡导致，即电平在无线通信中的权重较其它无线指标重。控制终端专网的选入除了上述合理的基站选址、频点、PCI差异化组网可缓解终端驻留的问题外。同时，将专网拥塞小区添加周边邻近公网的专到公背向单项邻区关系，并将由专网小区到公网小区的重选切换判决时长拉长，门限调至略高，模拟国内某通信厂家高铁场景下 “慢速迁移，快速切换” 终端分流的优化策略。即基于高铁专网的电平和高铁车速，在终端尚未完成专到公网的邻区判决时间和门限时，已驶出该信源小区或公网小区覆盖范围。而铁路下的终端可基于邻区关系分流出专网。此策略同时适用于GSM和TD-SCDMA专网。

4 高铁TD-LTE专网CSFB优化策略

高速铁路的CSFB优化焦点主要集中在TD-LTE专网回落GSM专网精准性上。而TD-LTE到GSM邻区和频点的设置则是回落精准性的关键点。

4.1 专网邻区设置

以现阶段高铁专网实际的站点物理点点位和网络关系分，邻区关系构架大致可分为两种：单小区邻区关系和共小区（或称超级小区）邻区关系。无论是单小区或共小区邻区关系，在网络覆盖较好的情况下，TD-LTE与TD-SCDMA、TD-SCDMA与GSM邻区均需一一对应，并且在信源交汇处需与邻近专网小区互增邻区关系。而中国移动TD-LTE在增加GSM邻区关系时，仅增加专网物理站点TD-LTE和GSM对应的单向邻区关系，而终端由GSM选回TD-LTE专网时采用的是盲选，此时TD-LTE专网电平将占主要的判决权重，如图3所示。

图3 高铁专网GSM/TD-SCDMA/TD-LTE三网邻区关系配置图

4.2 专网CSFB回落邻区设置

在高速铁路CSFB设置时，首要考虑的即TDLTE专网精准回落至GSM专网。而在GSM专网信源交汇站点处，TD-LTE专网需以本站点为中心点，与左右2～3个专网站点信源小区增加GSM专网邻区，即仅仅增加相邻小区的回落频点。这样可增加CSFB手机在话音回落时落入GSM专网的精准度，直接减少TD-LTE小区因增加了冗余的GSM专网频点出现落入公网小区的可能性。同时，将TD-LTE专网小区的回落起始频点设置成本站点GSM专网小区频点有效提高了回落GSM专网的准确性。

5 高速铁路覆盖展望

现阶段，国内高速铁路相对较好的覆盖模式为专网覆盖。随着TD-LTE的引入，未来高铁覆盖可能的两个方向发展：一是仅保留GSM/TD-LTE专网覆盖，二是实现车载分布系统方案。基于终端用户的感知、建设运营成本等方面综合考虑，实现车载分布系统对高速铁路的覆盖才是未来高铁覆盖优良策略。

5.1 GSM/TD-LTE专网构架

仅保留GSM/TD-LTE专网覆盖，话音业务依然回落至GSM专网承载，数据业务可由高速的TD-LTE专网承载。此举在满足TD-LTE终端普及后客户对数据业务和话音业务的需求外，既可退出TD-SCDMA频率供公网使用并减少公专网间干扰，又减少了维护优化成本，同时又保留了对后期的VoLTE的功能支持。当然，在短期内为了对TD-SCDMA网络保有客户的网络支持，可继续保留TD-SCDMA专网一段时期。

5.2 车载分布系统方案

车载分布系统的概念可更好的提升四网客户感知和节约建设成本优化资源。基于现有TD-LTE的宽带技术，可在高铁车厢内设立分布系统，实现GSM/TDSCDMA/TD-LTE/WLAN四网协同覆盖，所使用的分布模式和频点资源可无限复制应用于各高铁列车，由于车体屏蔽，列车之间的影响和对公网的影响将降至最低。而传输方式采用基于TD-LTE的车地回传方式进行高速交互。同时，在高铁沿线TD-LTE基站实现载波聚合，甚至跨频段的载波聚合，使用较为灵活的带宽扩展方案为高铁车载分布系统提供更高速的传输资源，这将大大提高车内终端用户各类业务体验。

6 结束语

高速铁路专网无论是从组网结构还是到邻区参数设置，总体还是要不断延续“大繁至简”的建设优化思路。简单的高铁专网结构和精准的天线覆盖夯实高铁覆盖的基础，简洁的邻区关系和简明的参数设置为终端指明结构清晰的运动方向，才能在高速铁路场景下为客户提供高品质无线通信网络。

[1] 赵训威等. 3GPP长期演进（LTE）系统架构与技术规范[M].北京：人民邮电出版社， 2010.

[2] 王映民. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京：人民邮电出版社， 2010.

[3] 百度文库：LTE高铁组网关键技术探讨[R/OL]. http：//wenku. baidu.com/view/f915969a0029bd64793e2c05.html.

[4] 谢大雄， 朱晓光， 江华. 移动宽带技术-LTE[M]. 北京：人民邮电出版社， 2012.

Analysis of TD-LTE high speed railway scene network

ZHAO Yue, JIANG Hai-yun, LIU Ying
(China Mobile Group Tianjin Co., Ltd., Tianjin 300090, China)

This paper first introduces the TD-LTE network optimization problems, with the correlation on the key parameters and download rate based on mass data were analyzed. At the same time, this paper provides the optimization suggestion in some aspects which site selection, network planning and neighbors setting based on the TD-LTE network optimization problems. Moreover, the high-speed railway CSFB optimized neighbor set are summarized and proposed to enhance the precision of fallback strategy. Finally, cover the proposed two kinds of coverage model of high-speed rail prospect future, the paper points out that the technology of carrier aggregation distribution system will provide better service for experience of terminal users.

high speed railway; RSRP; carrier aggregation; circuit switched ballback

TN929.5

A

1008-5599（2014）09-0024-05

2014-08-12