高速铁路场景下TD—SCDMA和TD—LTE的联合覆盖技术研究

肖飞　郎琪　刘佳奇

【摘要】 本文结合TD-SCDMA和TD-LTE技术，分析了2种制式在高速铁路场景下的特点及相应的覆盖技术，同时深入探讨了高速铁路场景下列车的多普勒频移和链路预算的特点，针对性的提出了可能的频率补偿技术和穿透损耗准确数值，为高速铁路TD-SCDMA和TD-LTE的联合覆盖找到了理论计算依据。

【关键词】 多普勒频移 小区合并 链路预算 高铁列车穿透损耗

我国铁路经过几次大幅度的提速后，列车运行速度越来越快。目前正在运行的高速铁路包括武广高铁、郑西高铁、京津高铁、京沪高铁以及京石高铁列车速度已经达到了350km/h，这标志着我国高速铁路已经达到了世界先进水平。列车速度的提升和新型车厢的出现带来了高效和舒适，同时对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高，这无疑对铁路无线通信提出了更为苛刻的要求。

高速铁路的无线通信环境包罗万象，除了城市和平原，还有高山、丘陵、戈壁、沙漠、桥梁和隧道。可以说涵盖了几乎所有的无线通信场景。所以，如何在高速移动环境下保持好的网络覆盖和通信质量，是对目前TDS&TD-LTE技术的挑战。

一、覆盖关键技术

对于移动通信系统而言，当移动终端速度达到350km/h以后，则需要考虑以下关键技术。

第一，高速列车使用的传播模型；第二，列车的高速移动使得多普勒频移效应明显；第三，列车的高速移动使得终端频繁的切换；第四，高速列车强度的加大使得电波的穿透损耗也进一步增加；第五，高铁覆盖网络和公网之间的相互影响。

（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。（2）多普勒频移效应。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。当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，会导致所接收到的传播频率发生改变。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。多普勒频移将使接收机和发射机之间产生频率偏差，而且多普勒频移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。（3）小区切换。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。（4）穿透损耗。高速铁路列车采用密闭箱体设计，车体对无线信号的穿透损耗较高。不同车型的火车车厢穿透损耗差异很大，全封闭的新型列车比普通列车穿透损耗大5-10dB。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。（5）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。对于网优部门来说，优化难度非常大。而当使用专网覆盖高速铁路时，有利于切换带的设计，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。

二、高速铁路覆盖方法

（1）无线传播模型

在无线网络规划中不同的传播模型可应用于不同的无线场景。在这些模型中，影响电波传播的一些主要因素，如收发天线距离、天线相对高度和地型地貌因子等，都作为路径损耗预测公式的变量或函数。

（2）多普勒效应

TD-SCDMA频段范围内典型的多普勒频偏如图1所示：

列车高速运动将引起多普勒频偏，导致接收端接收信号频率发生变化，且频率变化的大小和快慢与车速相关，高速引起的大频偏将导致接收机解调性能大幅下降。

从前面描述可知，对于高速移动的用户，多普勒频偏往往非常大，对于基站接收机来说，估计和发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是接收机必须完成的功能，否则将对链路性能造成很大影响；另外：基站接收机还需要应对频偏快速变化的问题，即保证能够迅速跟上频偏变化速度并进行有效的补偿。适应频偏校正算法，能在基带层面实时地检测出当前子帧频率偏移的相关信息，然后对频偏造成的基带信号相位偏移予以校正，提升基带性解调能。具體实现方法是基站根据接收到的上行信号的频偏，调整收信机接收频率，抵消多普勒效应导致的上行频率偏移，同时对下行发信频率置相同的偏移量，保证同手机的正常通信。

当基站处于普通模式下，下行速率“掉坑”现象明显，波动很大；改成高速模式频率补偿技术后，掉坑现象改善明显。

试验网区域基站模式由普通模式改为高速频率补偿模式后，F频段平均下载速率别由16M提升到24M，提升约50%。D频段平均下载速率由6M提升到20M。D频段受多普勒频偏影响更大，因此平均速率的改善更加明显！

（3）小区切换

对于高速移动物体而言，高速的移动会造成小区之间的快速切换。350km/h的最大列车运行速度就是每秒移动97m，以目前高铁沿线的基站密度来说，高速列车经过沿途几百米覆盖范围的小区就只有短短数秒。在这种高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。主要原因是：①UE移动速度越大，在一个小区中驻留的时间越短，造成UE驻留小区时间小于小区选择过程；②UE移动速度越快，在相同小区重选时延情况下，小区间需要设置越长的重叠区；③UE移动速度越快，相同切换时延情况下，小区间需要设置越长的切换重叠区小区切换带的设置主要和列车运行速度、小区重选与小区切换时间有关。两个相邻小区之间必须保证足够的重叠覆盖区域，以满足终端在高速移动过程中对切换的时间要求。

因此，铁路专网建议采用小区合并技术进行覆盖规划，以避免频繁小区间的切换带来的诸多问题。

小区合并技术是指，将多个RRU接于同一BBU，并设置为同一逻辑小区，BBU根据各天线的用户上行信号接收质量，选择下行发送的RRU。小区合并技术具有覆盖强、信号质量高的优势，可将地理位置完全不同的RRU设置为同一逻辑小区，穿过不同位置区可不发生切换，大大减少切换次数，保证高铁沿线网络覆盖质量。如图4所示：

从LTE高铁覆盖特点来看：为了保证小区间的可靠切换，需要增加小区的覆盖范围，减小小区切换次数。为了扩大小区覆盖范围，可采用基带池+RRU，射频拉远单元，的网络覆盖方案，可以将多个RRU组网，利用基带合并技术组合到一个小区内。属于同一小区的RRU沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能。在下行方向，基站相当于多个站点同频分集发射，每个RRU的发射信号是相同的，手机可以在多RRU的覆盖重叠区得到接收增益，增强了下行信号的接收效果。

上行方向，基站相当于多路接收，处于多个RRU覆盖重叠区手机的上行信号，由多个RRU的天线同时接收到，接收数据通过光纤传递到基带池之后，基带处理板实现多路合并分集接收，提高了上行接收灵敏度和抗干扰能力。

高铁列车车体有较强的屏蔽效果，需要足够的覆盖信号强度，这样便限制了覆盖区域的不能太大。当属于同一逻辑小区的多个RRU，覆盖区域部分重叠连环相连之后，构成一个狭长地带的高信号强度的适合铁路沿线的小区覆盖方案，有利于增加覆盖信号强度。

（4）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。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。全封闭的新型CRH列车比普通列车穿透损耗大5-10dB，穿透损耗最高可达26dB，因此专网设计中，高铁覆蓋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。假如要求车厢内提供用户通信的电平值要达到-86dB以上，则列车车厢外的覆盖电平需达到-60dB。

（5）公网和高铁覆盖

为了保证列车用户顺利进入专网，在专网起点处要设置与北京南站室内覆盖的邻区关系，通过站台的室内分布系统进出铁路的专网。建设时，北京南站的室内覆盖天线向室外延伸部分覆盖，专网覆盖天线向室内延伸部分覆盖。保证切换重叠区域，确保进站时列车用户通过站台的室内覆盖系统选到专网小区，出站时列车用户通过站台的室内覆盖系统过渡到大网的覆盖。为了保证列车用户能够进入专网，需要调整周边基站的天线，适当减弱其对铁路沿线的覆盖强度，进出专网设置示意图如图5所示。

三、总结

我国高速铁路的飞速发展是日新月异，随着信息化时代的到来，铁路旅客乘车时信息传输的畅通与否，关系到移动运营商的服务质量及铁路旅客乘车环境的好坏，因此公众移动通信系统在铁路范围内的无线覆盖更加突出。通过使用专用网络的LTE高铁覆盖方案，有针对性的进行高铁场景网络覆盖，能够帮助运营商打造出优质的LTE高铁覆盖网络。