TD-LTE高速铁路规划方案研究

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

TD-LTE高速铁路规划方案研究

朱乃昌

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

伴随着电子商务及互联网的飞速发展，移动终端用户对数据传输速率的需要日趋强烈。4G时代的到来，使得高铁移动终端用户可以有良好的体验。但由于高铁的高速移动性以及高铁本身的结构特性，在LTE高铁网络规划建设中会遇到多普勒效应、车体高穿损、小区间切换困难等诸多难题。对以上问题做了相应的研究，并结合某市LTE高铁建设，提出了具体的解决方案。

高铁；TD-LTE；规划；4G

1 引言

近年，高速铁路飞速发展，用户对移动终端依赖程度日益增加。用户在高铁上的数据流量需求日益迫切，现有公网无法满足在高速移动下终端用户的需求。目前，恰逢TD-LTE全面商用的契机，由于其高数据传输速率的优势，将TD-LTE应用于高铁建设势在必行。本文对TD-LTE高铁建设中遇到的一些技术问题进行分析，提出了相应的解决方案。

2 TD-LTE高铁关键技术研究

2.1 公网与专网的选择

在高铁的覆盖方面，有公网覆盖和专网覆盖两种选择。采用公网覆盖，可充分利用现网资源，工程建设成本低，速度快。但网络优化难度大，同时对高铁沿线基站进行大规模优化调整，必将影响原有大网的网络质量。采用专网覆盖，可根据用户特定需求，独立进行优化，特别是高铁的带状区域覆盖，多RRU共小区，避免了公网的小区间频繁切换，保障高速用户性能。高铁公网与专网的优缺点对比如表1所示。

2.2 多普勒效应

高铁的高速移动必然对TD-LTE系统的无线信号传播带来多普勒效应，公式如下：

fd=f/c×v×cosθ

fd：多普勒频移 f：工作频率 c：光速 v：车速

根据多普勒效应原理，在移动通信中，当移动台移向基站时，频率变高，远离基站时频率变低。频率变化的大小和快慢与列车的速度有关。多普勒频移对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低了接收的灵敏度，工作频率越高，列车运行速度越快，多普勒频移越大。如表2所示，在高速场景下，当终端高速移动速度达到300～350 km/h频点为1.9 GHz或2.6 GHz时，多普勒上行频偏将均会超过1 000 Hz。发生频移后，系统测算的信号接收点，不是实际信号的最强接收点，导致基站和手机的相干解调性能降低，直接影响到小区选择、小区重选、切换等性能。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。

表1 LTE高铁公网与专网组网对比

表2 不同速度、频率下多普勒频移

3GPP规范已考虑对较大多普勒频偏的容忍能力。在系统侧，OFDM系统子载波间隔的选择取决于频谱效率和抗频偏能力的折中。在保持足够抗频偏能力的条件下采用尽可能小的子载波间隔。仿真表明，在3GPP规范子载波间隔15 kHz设置下，在350 km/h移动速度下的系统吞吐量只比30 km/h下的系统吞吐量略微下降。在终端侧，终端跟踪频偏的能力跟厂家具体实现相关。eNode B根据接收的上行信号频率进行频偏估计，然后在基带测对频偏信号进行频率校正，提高上行信号解调性能。

2.3 高铁车体穿透损耗

高铁列车全部采用全封闭式车体结构，且部分车型采用金属镀膜玻璃，电磁波的穿透性大大减弱，特别是电磁波频率比较高时穿透损耗非常明显。目前，所有高铁车型的车体穿透损耗一般高达20 dB以上，为了保证用户的可靠通信，必须克服车体穿透损耗。要求室外的信号发射机功率增强，要求更高的基站接收机灵敏度或者要求用户终端的发射信号增强。

另外，不同的入射角对应的穿透损耗不同，当信号垂直入射时的穿透损耗最小。如图1所示，实际测试表明随着入射角变小，穿透损耗不断增加。在实际的工程设计中，基站与铁路垂直距离是影响入射角的关键。

图1 高铁穿透损耗与入射角关系

2.4 小区间切换

当高铁列车已350 km/h的时速运行是，将会以极短的时间通过每个小区，引起频繁切换。频繁的小区切换将极大降低网络的性能，切换失败的次数增加，将会导致掉话率的增加。

高铁切换问题的解决应从以下3方面考虑。

(1)小区合并，增大小区覆盖范围。采用多RRU共小区技术，可以使几个RRU的覆盖区变成一个小区，移动终端在这几个RRU之间移动，不发生切换，从而大大降低了切换次数，带来了网络质量的提升。目前主设备支持6CP合并能力，即支持6个RRU实现小区合并，在满足各项性能指标的前提下，覆盖可达3 km。

(2)小区临区合理设置。对高铁进行专网覆盖，要避免专网与公网的频繁切换。高铁覆盖网络已经完全能够满足高铁列车内手机用户的需求，不再需要使用普通公网的资源，因此一般情况下，专网与周围公网之间不配置临区关系。

在高铁车站处，旅客出入站流量大，因此，将车站室内分布系统与专网互设临区关系，将车站室分与车站外公网互设临区关系，如图2所示。另外，手机用户在高铁车站候车室和站台之间的移动速度非常慢，越区切换容易实现。因此，切换区域设置在高铁车站候车室与站台之间。这样可以保证旅客在列车站台与车站之间实现平稳切换。

图2 高铁车站临区关系

(3)小区间设置重叠覆盖带，保证切换成功率。合理重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会使站间距增加，因此高铁覆盖规划中要合理设计重叠覆盖区域。

TD-LTE较3G在切换过程中需要的切换时间更短，约100 ms。TD-LTE系统切换策略基于A3事件触发来进行，有一定的时延。因此，一次完整切换时间包括：

(1) A3切换测量时间，满足A3事件到eNode B接收终端测量报告的时间（128 ms)，如图3中A区。

(2) 切换执行时间（100 ms)，即eNode B下发切换命令到终端接收切换完成命令的时间。如图3中B区。

(3) 考虑时间余量，保证切换顺利完成而考虑的时间余量（2 dB)，距离约为40 m。如图3中C区。

(4) 同时，从两个小区电平相当，到邻小区大于当前主服务小区切换迟滞需要一定的距离，约40 m。如图3中D区。

根据车速、距离、时间的关系，就可以计算出重叠覆盖距离，如下式：

TD-LTE重叠覆盖区域长度= [40+车速×（128+ 100)+40]×2

经计算的出不同车速时所需重叠覆盖区域长度：速度为250 km/h时，距离为191 m。速度为300 km/h时，距离为198 m。速度为350 km/h时，距离为204 m。

图3 切换重叠区示意图

3 某市TD-LTE高铁规划

某市地处京津冀发展区，京广铁路横贯南北。为满足高铁高端用户良好的数据、话音体验，提升运营商品牌竞争能力，根据前述原理分析，结合某市实际情况，制定了某市4G TD-LTE高铁规划。

3.1 规划指标

TD-LTE无线网络覆盖率沿线宏基站满足RSRP＞-113 dBm的概率大于95%，RS-SINR＞-3 dB的概率大于95%。

TD-LTE无线网络覆盖率车站满足RSRP＞-105 dBm的概率大于95%，RS-SINR＞6 dB的概率大于95%，业务量需求高的区域覆盖指标为9 dB。

50%负载下单用户下行边缘速率指全网95%以上的用户边缘速率高于1 Mbit/s。

3.2 容量分析

3．2．1 终端用户分析

以CRH3为分析对象，标配8节车厢，通常采用重联方式，即单列车共16节车厢。

列车一等座车2节，二等座车12节、带厨房的二等座车2节。一等座共160个，二等座共954个，整列车定员数为1 114人。

考虑列车满载情况，分为网络发展初期及后期两种情况估算终端用户量。

初期：按照中国移动用户渗透率70%，其中TDLTE终端渗透率30%，则单列车TD-LTE终端用户数为234个。

后期：按照中国移动用户渗透率70%，其中TDLTE终端渗透率80%，则单列车TD-LTE终端用户数为624个。

3．2．2 单列车用户吞吐量分析

考虑每业务用户下行平均速率1 Mbit/s，上下行比例为1：5，用户激活附着比为60%，用户业务并发率初期为10%，后期为20%，计算得出单用户平均速率需求初期为上行12 kbit/s，下行60 kbit/s。后期上行24 kbit/s，下行120 kbit/s。

基于TD-LTE终端用户量可得， 单列车上下行速率初期需求为上行：234×12=2.8 Mbit/s；下行：234×60= 14 Mbit/s。后期需求为上行：624×24=14.9 Mbit/s；下行：624×120=74.9 Mbit/s。

在两条轨道列车会车时，需求吞吐量将翻倍。

3.3 组网方案

由前一章相关分析及工程经验制定出某市京广铁路TD-LTE规划。本次高速铁路覆盖采用专网方式，并通过精细规划、精确建设保证专网信号在线路区域的主导地位。设计站点174个，利旧2G专网站点102个，2G专网平均站间距2 000，4G专网站平均间距1 020 m。本次规划中涉及4个高铁站，合理配置其与公网的临区关系，保证网络质量。

PCI用于区分不用小区，在终端下行同步时使用，本次高铁PCI规划原则与宏站基本相同。即同频临区中不出现相同的PCI，高铁小区与路线上的前后小区PCI模3错开，同时与相近宏网强邻区PCI模3不相等。同PCI小区具有足够的复用距离，并在同频临小区之间选择干扰最小的PCI值。

TA（跟踪区）用于终端寻呼及位置更新管理，本次高铁TA规划为：TA边界尽量设置在车站附近等低速运行地带。参照高铁GSM专网的LA进行TA划分，TA边界不跨MSC Pool。为便于网络管理，避免TA跨厂家设置。

3.4 站址规划

某市区域内高铁总长度为171 km，已有2G高铁覆盖，但现有站址无法满足TD-LTE覆盖的要求，需新增站点。高铁横穿区域均为农村，采用F频段。不同车型穿透损耗不同引起覆盖能力的差异，分别进行核算，考虑到高铁线路上同时运营多种车型，因此按最高穿损车型核算站间距。根据主设备能力，及实际地形，划分2～3个站点覆盖区域为一个逻辑小区。小区内的RRU之间不预留重叠切换带，小区间预留，分别计算站间距。

高铁环境简单，基站与列车之间无遮挡，属于直视径传输。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。

覆盖规划中，考虑列车车体最大损耗（F频段24 dB)，天线增益18 dBi。本次规划涉及到的F频段农村宏站覆盖半径链路预算为613 m。参考双RRU背靠背组网站间距估算（如表3所示），天线挂高10～15 m，采用双RRU背靠背组网距高铁100～300 m，小区间站间距1 000 m，小区间间距1 200 m。

表3 双RRU背靠背组网间距估算

借鉴2G高铁一期覆盖的工程经验，本次高铁站点的选择交错分布于铁路两侧，以助于改善切换区域，并利于车厢内两侧用户接收信号质量相对均匀。对于在拐角区域选择拐角内进行站点规划，有助于减小基站覆盖方向和轨道方向夹角，减小多普勒频移的影响。

4 结语

本文对TD-LTE高铁规划中遇到的关键性问题进行了研究，并结合某市实际工程具体提出了指导工程实践的规划方案，即在利用现有2G专网基础上规划TD-LTE 4G专网覆盖。目前，TD-LTE高铁施工建设正在进行当中，为使高铁终端用户有良好的上网体验，提升高铁专网性能，还需要在专网建成之后对网络进行进一步的优化。

[1] 原燕斌． 高速铁路环境下LTE切换技术的研究[D]． 北京：北京邮电大学． 2012．

[2] 殷鹏． 高速铁路移动通信网络规划与优化研究[J]． 中国高新技术企业评价， 2013，(4)：111-113．

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A study on planning TD-LTE high-speed rail

ZHU Nai-chang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

With the rapid development of e-commerce and internet, the need of high speed data’s transmmison increases strongly and the mobile terminal users on high-speed rail could have good experience with the arrival of the 4G era. Because of the structure characteristics and high speed mobility of high-speed rail, there are some diff cult problems in the planning of TD-LTE high-speed rail such as the Doppler effect, the loss of penetration, the switch between cells and so on. This paper does some research on the problems above and put forward specif c solutions combined with construction of a city’s TD-LTE highspeed rail.

high-speed rail; TD-LTE; planning; 4G

TN929.5

A

1008-5599（2014）11-0029-05

2014-06-10