山区高速公路TD-SCDMA网络覆盖方案研究

关希鸣

（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126）

山区高速公路TD-SCDMA网络覆盖方案研究

关希鸣

（湖南省邮电规划设计院有限公司，长沙 410126）

本文针对山区环境下的高速公路特点，通过分析TD-SCDMA无线信号传播特性及路径损耗，提出了一套具有实用性、有效性的覆盖解决方案。

山区高速；覆盖；切换；TD-SCDMA

随着我国经济建设的迅猛发展，我国在山区修建的高速公路越来越多。山区地理环境复杂多变，其高速公路构造物较多，桥梁隧道占全线比例较大，部分桥隧比例甚至高达70%～80%。同时，由于山区地形高低起伏，部分区域高速公路傍山而建，弯道众多，基站建设难度大，因此此类区域无线网络信号的有效覆盖一直是个难题。

1 山区环境高速覆盖需考虑的因素

1.1 随机衰落及多普勒频移对网络性能的影响

无线通信靠的是无线电波的传播，由于山区山高林密，地形起伏，有高山阻挡，因此传播环境比较复杂。在传播时既有直射波，也有反射波、折射波、散射波和绕射波等，将引起较大的传输损耗以及随机衰落。山区的高速公路由于道路走向蜿蜒曲折，位于山体背后的路段易出现阴影衰落区域。而隧道区域的高速公路，由于其本身的地理特性，山脚附近以及隧道中因遮挡，易产生快衰落掉话问题。

另外，由于移动用户与基站之间存在相对运动， 每个多径波都会有一个明显的频率移动，即多普勒频移。多普勒频移的大小和正负由用户的运动速度以及运动方向与电波方向之间的空间角度所决定。其计算公式：

式中：θ为移动台移动方向和入射波的夹角；v是移动台运动速度；c为电磁波传播速度；f为载波频率。

若fo是基站发射频率，fd为多普勒频移，在未加频偏校正的情况下，基站接收频率和发送频率之间则有2倍fd频偏，即接收频率f=fo±2×fd。

多普勒频移体现在时域上又称为时间选择性衰落，可以用信道的相干时间来表示。表1为典型情况下的最大多普勒频移及信道相干时间。

表1 典型情况下的最大多普勒频移及信道相干时间（即假设θ=0）

可见，当工作频率为2 010 MHz，用户移动速度为120 km/h时，可产生223 Hz的多普勒频移，其相干时间为4.5 ms。其将影响到智能天线的波束成形及接收机的解调性能。

1.2 移动速率的提升对智能天线成形的影响

TD-SCDMA智能天线是根据接收信号来对上下行波束进行成形，故当UE在高速移动时可能会对智能天线带来影响。

图1 智能天线赋形示意图

如图1所示，考虑智能天线的成形角为15°，距离高速公路50 m，则UE在长为13 m左右的范围内都位于成形区内。一般而言TD-SCDMA在一个5 ms帧内成形一次，但考虑基站处理时延等因素可能会在10 ms内成形一次。以国内高速公路最高限速120 km/h的情况下，UE每秒运行33.3 m，10 ms成形时间内 UE移动0.33 m，远远小于成形区范围。因此从智能天线的10 ms成形能力而言，能满足终端移动速度。

1.3 快速移动及多隧道环境所带来的切换问题

在移动通信系统中，切换过程是通话连续性的保障。当移动台速度提高后，终端穿越切换区的时间将越短。若穿越时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程将无法完成，而导致掉话。同理，小区重选过程亦会受其影响而无法完成。可见，移动速率提高对网络切换、重选的影响主要表现为切换区或重选区大小是否能满足流程所需的最短时间，如不满足则需要调整基站布局。

另外，山区环境下的高速公路，隧道比例较大。若移动台始终保持与外部宏站通信，则宏站信号在进入隧道后，其场强将迅速衰减，直至全无，从而导致掉话产生，影响用户感知。因此，做好隧道内外信号切换，也是确保通信连续必不可少的环节。

2 网络覆盖能力分析

2.1 传播模型的选取

标准传播模型(SPM) 以COST231-Hata经验模型为基础，具有丰富的地形要素及修正因子参考值，比较适合地形复杂的山区区域3G网络规划。其计算公式：

PL=K1+K2 lg(d)+K3 lg(Heff)+K4 Diffraction+ K5 lg(d)×lg(Heff)+K6(Hmeff)+Kclutter×f(clutter)

式中各系数及模型参数的定义如下。

K1：频率因子；K2：距离衰减因子；K3：基站发射天线有效高度因子；K4：衍射计算因子；K5：发射天线有效高度和传播距离因子；K6：移动台接收天线有效高度因子；Kclutter：地貌因子；d：发射点到接收点的直线距离（m）；Heff：基站天线有效高度（m）；Diffraction：衍射损耗（dB）；Hmeff：移动台天线有效高度（m）。

由于基站频率、天线高度、终端高度等参数基本固定，因此模型中各参数对应的K1～K5取值对模型的准确性影响较小，仅需稍作调整或保持默认值不变。而Kclutter是地形地貌因子，故山区环境传播模型校正主要对Kclutter的确认和修正。

2.2 链路预算

结合传播模型修正结果，配合基站设备相关工程参数，通过表2链路预算表可以预估出基站的覆盖半径。根据基站的覆盖能力，结合所规划的高速里程，从而可以初步推断出满足覆盖要求所需的基站规模。

从链路预算表可以看出，TD-SCDMA系统属于上行受限系统，小区覆盖范围取决于上行业务覆盖半径，若以话音AMR 12.2 kbit/s业务要求，其覆盖半径为2.2 km左右，以CS 64 kbit/s业务要求，其覆盖半径为1.6 km左右。

表2 TD-SCDMA上、下行业务信道链路预算表

2.3 切换带的设置

整个切换过程包括测量和执行两部分，对应于相应的时延或距离。如图2所示，测量对应的距离是D1（达到切换门限的迟滞时间Hysteresis对应的距离）、D2（切换触发时间Time To Trigger对应的距离）。执行时延对应的距离为D3。因此切换区域等于测量处理时延和切换执行时延所产生的距离之和，且需要考虑切换时的双边区域。即：

切换区域Dho=2×(场强过渡区+测量时延+切换时长)=2×(D1+D2+D3)=2×(D1+V×Thyst+V× Ttrigger)=2×D1+2×V×(Thyst+Ttrigger)

图2 TD-SCDMA切换过程示意图

结合传播模型及链路预算所测算的覆盖半径，若扇区间过渡区包括2 dB场强过渡时延，TD-SCDMA系统的测量上报时延为320ms，切换时延为800 ms，则在各典型移动速度下，切换区域大小设置如表3所示。

表3 典型移动速度下TD-SCDMA切换区域设置表

因此根据前文链路预算结果，考虑终端速度120 km/h，切换区域为367 m，取各业务覆盖半径最小者1.6 km，则站间距可控制在2.8 km以内。

3 山区高速覆盖解决方案

3.1 频偏校正

为了对抗多普勒频率偏移，基站接收机必须进行频率纠偏。在多普勒频率扩散不严重的情况下，频率纠偏可以获得很大的性能提高。

基站侧：优化改进接收机算法，通过在检测算法中加入相位校准和多普勒频移估计功能，可以很好地实现对信道变化的捕获和跟踪。只要在算法中予以补偿，就可以有效地消除多普勒频移带来的影响。

终端侧：与基站比较，其多普勒频移较小，而且终端本身具备频偏矫正和自动频偏控制功能，因此即使存在大频偏时，终端仍能正常解调，不影响接收性能。但终端需要解决因相对于基站移动方向的改变而带来的频偏跳变的问题，要求终端自动频偏控制能力应保证在一定时间内将频偏控制到允许范围内。

3.2 基站布局及覆盖方案

3.2.1 山体外高速路段覆盖方案

鉴于高速公路的带状分布，建议基站设备采用BBU+RRU方式呈链状覆盖，并采用多级级联方式组网，以节省光纤资源。同时，根据前文的分析，基站站间距建议为2.8 km以内。

考虑到山区环境的特性，处于开阔区域的高速路段其基站布局应尽量考虑道路两侧交叉分布，以避免因地形或树木遮挡而带来的信号损失。对于傍山修建的高速公路或路线中高架路段，为减小基站建设难度，或避免信号覆盖“塔下黑”现象，可考虑高速对面区域单侧基站布局，并确保视距范围内的有效覆盖。而弯道区域的高速路段，基站建议规划于弯道凸出一侧，这样可以方便地使扇区的方位角沿着道路的方向覆盖。

站点与高速公路的距离，对网络的性能也存在较大影响。太近会产生塔下黑问题，且由于道路方向与无线信号传播路径之间的夹角过小，多普勒频移将越大，容易出现小区重选失败、切换掉话等网络问题。同时，由于夹角过小，电波经过障碍物的损耗也较大。但也不能离得太远，太远会造成单个基站覆盖高速公路的纵深距离下降，同样长度的高速场景需要更多基站来覆盖。

综合上述因素，基站站高为 30～40 m的高速场景，建议站点与高速公路间的距离建议控制在200 m以内。

3.2.2 山体内隧道路段覆盖方案

对于隧道的无线信号覆盖，主要包括外部覆盖及内部覆盖两种方式。在实际建设过程中需要根据隧道的长度及周边的地物情况采用合适的覆盖方式，往往高速公路全程隧道覆盖是两种方式结合使用的。

（1） 对于较长的隧道或隧道群建议采用内部覆盖方式。内部覆盖即在隧道内部通过建设分布系统，合理布置信号源，达到隧道内部信号连续的方式。对于高速公路隧道，由于内部空间比较宽敞，因此优先建议于隧道内壁相隔适当距离通过架设定向面板天线实现双向覆盖。对于弯曲度不大的隧道，由于无线信号在内部具有波导效应，因此基本可参考笔直型隧道布放天线点位。而弯曲度较大的隧道，则建议于弯曲弧顶处单独布放天线以保证信号连续。其次，内部天线位置需考虑较长的隧道内不同微小区之间的切换，合理规划重叠覆盖区域，确保切换成功率。同时，隧道口需安装向外覆盖的天线，保证隧道内信号在隧道口有足够的强度，与隧道外宏站形成良好的切换。根据实际测试，建议确保100 m左右的切换区域。

（2） 对于较短的独立隧道建议采用外部覆盖方式。外部覆盖即结合隧道走向及周围基站分布情况，利用外部宏站信号解决隧道内覆盖问题。对于短程隧道，在满足覆盖条件的情况下，优先通过外部宏站采用直射方式给予覆盖，并确保信号入射角尽可能小，以达到良好的覆盖效果。而对于无法形成有效覆盖的情况下，可考虑在隧道口区域新建简易塔桅及RRU信号源，并通过采用高增益、窄波瓣天线解决隧道内部覆盖问题。考虑到建设成本及后期维护，站点建设位置可以设置在高速隔离带外。

3.3 组网方式及天线选取

由于高速公路在山区范围内所途经的环境大部分为话务较低、人口较少的区域，因此在做全程规划时，相应的设备组网需根据话务分布情况采取相应方式给予覆盖。目前TD-SCDMA网络组网方式主要有如下几种。

方式1：常规组网模式（八通道RRU+八通道智能天线进行组网），如图3所示。

图3 常规组网模式示意图

此组网方式适用于话务较集中、业务较好的区域，例如高速公路途经的城区、县城、乡镇或大型村庄等区域。采用每个扇区配置1个八通道RRU，并分别对应1副八通道智能天线，BBU每个光口接1个RRU，3个光口均使用，组成1个物理站点。

优点：覆盖距离较远，容量较大，后期设备升级方便，满足人口集中区域的业务需求。

缺点：所需硬件资源较多，投资成本较高。

方式2：八通道RRU级联组网模式（八通道RRU分裂+双通道天线组网），如图4所示。

图4 八通道RRU级联组网模式示意图

此组网方式主要解决具备一定用户基础，总体话务适中的区域，例如高速公路途经的中小型村庄、高速服务区等。采用八通道RRU分裂+双通道天线方式，并可再级联一级八通道RRU形成连片覆盖。即1个八通道RRU可接3副双通道天线，每RRU可作为1个物理站点使用。

优点：有效降低投资成本，提高载频资源利用率，具备后期设备升级能力。

缺点：较方式1覆盖能力有所降低，单RRU方式所能提供的容量有限。

方式3：双通道RRU级联组网模式（双通道RRU+双通道定向天线组网），如图5所示。

图5 双通道RRU级联组网模式示意图

对于高速沿线用户规模较小的零散村庄或高速公路隧道分布系统等区域，建议采用第3种方式。即通过双通道RRU配合双通道定向天线进行级联组网，并采用小区合并方式，有效提升载频资源利用率。

优点：投资成本较低，能够有效整合区域内零散话务，提高资源利用率。

缺点：覆盖距离以上3种方式中距离最短，容量较小，后期设备升级困难。

山区高速公路TD-SCDMA网络组网应优先选择八通道RRU级联组网模式，双通道RRU级联组网模式作为补充。在上述组网模式覆盖无法满足业务需求的场景区域，采用常规组网模式。

3.4 小区合并技术的应用

小区合并技术是一种把原本几个小区合并成被称作一种叫“超级小区”的技术，可以将小区间的切换变为小区内各通道之间的切换。如图6所示，前文方案2、3组网方式引入小区合并技术后，可以减少原设置多个小区所需的控制信道总数，能提供更多的业务信道数，提升码资源利用率。同时，在被合并的小区覆盖范围内，可获得上下行分集增益。上行约有增益3～4 dB，下行约1～2 dB。而在同系统间切换时，可有效减少小区间切换的次数，提高切换成功率、降低掉话率等影响用户感知的重要指标。

图6 小区合并示意图

4 结束语

由于山区地形跌宕起伏，区域范围内人口分布不集中，因此往往在实际规划中覆盖的意义更大于容量的考虑。为实现其间高速公路的良好覆盖，所需的站址资源较多，而其产生的话务量不高，故带来的总体投资效益不明显。本文通过分析山区环境下传输路径损耗，并结合终端高速移动所带来的多普勒频移及切换等因素，提出了相应解决方案。同时，根据不同的场景，从网络投资成本及网络质量双方面，给出了相应组网方案，为实际网络建设提供了借鉴和参考。

Research of TD-SCDMA network highway coverage planning in mountainous area

GUAN Xi-ming
(Hunan Planning and Designing Institute of Post and Telecommunication Co., Ltd., Changsha 410126, China)

According to the characteristics of highway in mountainous environment, through the analysis of TDSCDMA wireless signal propagation characteristics and the path loss, proposed a set of practical, effective coverage solutions.

highway in mountainous area; coverage; handover; TD-SCDMA

TN929.5

A

1008-5599（2014）02-0069-06

2014-01-01