如何构建高铁场景下最佳TD-LTE组网方案

2014-06-09中国移动设计院黑龙江分公司王世魁杜蔚

通信世界 2014年25期

中国移动设计院黑龙江分公司 | 王世魁杜蔚

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对于国内高铁沿线的通信网络建设，各省运营商结合各地的实际情况，以专网建设居多，充分满足高铁用户需求，部分采用公网覆盖，但笔者认为不宜一概而论，在高铁出入的城区采用公网组网、在城外的广大农田或农村采用专网组网。

随着现代社会各个领域的快速发展，全国各地高铁线路应运而生，作为当今铁路技术的最高水平以及国民经济的重要载体之一，高铁主要面向中高端受众群体，另一方面，中国移动欲打造一张TDLTE精品网络以实现占领数据业务的新高地，而高铁覆盖是张形象牌，既能体现4G所有的技术解决方案，又能赢得大量有价值客户。

根据高铁设计规范定义时速达到250km/h以上的列车称为高铁，目前国内高铁线路长约2.95万公里，时速最高可达400km/h，其中在建铁路沿线占很大一部分，在高铁尚未开通前进行LTE覆盖利于占有高铁高端市场，同时在高铁建设经验还不够丰富的情况下，网络建设难度和高铁关键技术还需在前期规划充分考虑和深入研究。为满足高铁客户的体验需求，省内已建成的高铁线以及在建的高铁线均计划实现TD-LTE全程覆盖，同时在LTE语音业务实现方式过渡时期，初期建设考虑采用CSFB方式，铁路沿线对GSM网络进行补点或新建。

高铁覆盖的特性

高铁快速移动的特点，给高铁覆盖带来诸多与常规网络建设不同的特性，这些特性给设备技术实现及规划方案提出了新的难题，需要提供合理有效的解决方案。

多普勒频偏

高铁的快速移动会产生多普勒效应，即信号源与观察者相对移动时，观察者接收到的信号频率与信号源发出的频率不一致，例如生活中的切身体会，当远方快速驶来的火车的汽笛声会变得尖锐，即频率变大；当火车快速驶离时，汽笛声会变得低沉，即频率变小。列车的高速行驶导致手机终端下行接收及上行发射时频率发生偏移，降低接收机的解调性能。

图1 小区切换带来的网络性能变化

图2 频偏校正基本模型

车型 F频段穿损 D频段穿损CRH1/3/5 28dB 30dB CRH2 24dB 26dB CRH380 26dB 28dB

频偏大小与列车速度成正比，高铁较之普通列车速度成倍增长，频偏对性能的影响不可忽视，高铁沿线一定距离建设LTE基站，终端与其服务基站之间距离频繁增大减小，频偏非常严重；频偏大小与发射频率成正比，LTE使用的频率越大，产生的频偏就越大，目前分配给中国移动用于TD-LTE网络的频段为band38、band39、band40，适合用于室外宏基站的为band38、band39（2600M、1900M）,高频段导致频偏严重，所以尽可能选取低频段组网；频偏大小与入射角成反比，频偏随列车驶向基站时入射角的变大而变小，基站垂直列车方向时频偏最小；基站解调上行信号时，频偏是终端解调下行信号时的两倍，这样对基站提出了更高的解调性能。

高车体功率损耗

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。当基站的垂直位置距离铁道较近时，覆盖区边缘信号进入车厢的入射角小，穿透损耗大。实际测试表明，当入射角小于10度以后，穿透损耗增加的斜率变大。

通过试验数据得到不同的高铁列车车型的穿损也不尽相同，同时D频段普遍要比F频段穿损要大，具体数据参照下表。

小区切换频繁

高铁列车高速移动，在短时间内会穿过多个小区，相比较而言，若采用传统的小区设置会频繁发生小区选择/重选，频繁的小区切换将严重降低网络性能，测试试验结果如图1所示，在小区的边界处出现明显的波谷。

比较慢速列车或者普通场景，快速移动的终端在小区驻留时间内无法完成小区选择，另外，在相同的重选时延及切换时延条件下，终端的移动速度越大将设置越长的重叠覆盖区，当频繁切换发生在用户启用呼叫流程（主叫/被叫）或者发起数据业务请求时，信令流程时延会比普通场景大很多，影响用户感知。

高铁覆盖建设方案

频偏校正

高速移动导致频偏，对接收机性能的严重影响使得频偏校正是高铁覆盖需要解决的首要问题，eNodeB根据接收的上行信号频率进行频偏估计，然后在基带处理单元对频偏信号进行频率校正，提高上行信号解调性能，频偏校正的基本模型如图2所示。

不同设备厂家对频率估计及频率校正有独立的频偏算法，从国内目前的应用上看，主流设备厂家均能满足时速大于350km/h以上的校正要求。

小区合并技术

由于高铁列车的穿透损耗大，为满足覆盖设计目标单RRU覆盖范围不会太大，高铁多为开阔地，遮挡与干扰较少，根据取定的传播模型以及车体损耗，按照最小接收RSRP值为-113dBm要求，F频段合理的小区覆盖半径约600米，D频段合理的小区覆盖半径约350米。列车高速移动将在短时间内穿越多个小区的覆盖范围，引起频繁的小区间切换，假设列车以300km/h运行，则列车每10秒左右将进行一次小区间切换，频繁的小区切换将极大降低网络的性能，针对高速移动场景引入多RRU小区合并技术，不同RRU采用相同的频率及参数设置，在逻辑上设置为同一小区，针对不同厂家的设备能力合并的小区数有所差异，如图3、4所示，以三个物理小区合并为一个大的逻辑小区前后为例，合并后的小区内不发生小区切换，小区容量和覆盖区域均为原小区的三倍，就某一固定位置而言，小区提供的接入能力未发生变化。

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，过大则会增加站间距，因此高铁覆盖规划中要合理设计重叠覆盖区域。

由于合并后小区内部不切换，所以不必设置重叠覆盖区，小区间切换考虑切换迟滞时间、测量时间、执行时间三个参数，按迟滞时间取信号强度下降1～2dB所需时间、测量时间128ms、执行时间100ms计

高铁场景下，考虑一定的预留，合理重叠覆盖距离取定为200米，即F频段小区间站间距500米，D频段小区间站间距1000米，小区内分别为700米和1200米。

组网方式选择

针对公铁路沿线覆盖目前存在公网覆盖和专网覆盖两种方式，公网覆盖即普通的大网覆盖，公网基站不仅仅为周围铁路沿线区域提供服务，而专网专为高铁服务，不吸收周边的业务，两者的区别对比参见表2。

专网小区只配专网下的链型邻区，不配置公网邻区，公网小区也不配置专网邻区，由于高铁专网小区和周边公网小区间无相互邻区关系，因此，一般情况下，高铁专网下的用户进不了公网，公网下的用户也进不了专网。

对于高铁专网覆盖，在车站室分系统或站台小区配置公网和专网相互邻区关系，以让高铁用户从公网进入专网或从专网进入公网；在位置空旷、公网用户少的区域配置开口小区，即只有公网到专网的单向邻区关系，公网的用户可以切到专网，但专网切换不到公网。

目前国内高铁建设各省运营商从不同角度考量以专网建设居多，充分满足高铁用户需求，部分采用公网覆盖，但笔者认为不宜一概而论，在高铁出入的城区采用公网组网、在城外的广大农田或农村采用专网组网。城区业务需求量大，公网将占用所有可用的频段资源，高铁难以实现异频组网，而同频组网必然存在较大的同频干扰，这将是影响网络性能的最大因素，同时市区专网对于新建选址也提出一定难度；农村业务需求量较低，容易实现异频组网，再者农村公网基站以广覆盖、低业务为主，对于高铁场景的瞬时高业务需求恐难以满足，在高铁沿线建设专网是合理的选择。

天线及频段的选择

高铁覆盖为带状狭长区域，智能天线无法发挥特性。天线选择应考虑高增益、窄波束的双通道双极化天线，水平波束宽度为30～40度，增益不低于20dB，同时为减小多普勒频移的影响以及避免“塔下黑”问题，站点离铁路垂直距离建议在100～200m，天线挂高应考虑铁轨高度，需高出铁轨至少10～15m以上，保证天线与轨面视通，按照高铁站高25m，考虑上3dB对准边缘，相应的下倾角为5度左右为最佳，后期根据实际网络情况进行优化调整。

考虑F频段覆盖能力优于D频段，可降低站址数量，优先采用F频段部署，市区采用公网组网，依据市区建设的整体策略选用合适频段，尽可能选择F频段，农村采用F频段专网组网，车站组网选用E频段场景，隧道采用泄漏电缆或室内分布系统方式覆盖，使用F频段组网。

站址规划

理论上铁路两侧站址规划以“之”字形排开，即交错部署在铁路两侧为最佳，如图6所示。

但实际情况往往比较复杂，为实现多站点间的小区合并，需要合并后小区内的站点间布防光缆互通数据配置，交错部署站点会出现多次穿越铁路施工情况，即便是多小区统一从铁路某处互通，距离也不宜太远，小区间的级联距离各厂家指标不同且尽量不超过10公里，反复穿铁路将造成建设成本的急剧增加和施工难度加大，很可能出现由于铁路原因部分点无法打通，基于此，笔者建议采用一个逻辑小区站点选在铁路同侧，同时逻辑小区间采用交错部署，结合实际建设情况证明此方案具有实用性，方案落地较容易。