TD-LTE在高铁场景覆盖下的关键性技术和方案分析

钟志成 宋永胜

（中睿通信规划设计有限公司，广东 广州510630）

0 概述

随着铁路业务的不断增加，以及数字铁路发展需要，宽带、高效、可靠的无线通信服务是铁路公司和铁路乘客迫切需求。TD-LTE作为3GPP国际组织推出的并拥有中国自主知识产权的LTE长期演进(Long Term Evolution)宽带无线通信技术，能够实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本、更好的系统容量和覆盖质量。TD-LTE作为GSM-R平滑过渡升级的解决方案，符合未来无线通信系统移动化、宽带化和IP化的趋势，为铁路无线通信提供强大的业务承载平台。而由于高铁的高速、车体强度大、电气化程度高等特点使得高铁的TDLTE覆盖技术标准高、难度大，需要不断深化研究覆盖方案，提升覆盖效果。

图1 铁路TD-LTE网络组网与拓扑结构

1 TD-LTE在高铁深度覆盖和广度覆盖上面临的主要问题

1.1 穿透损耗大

高速铁路的新型列车采用全封闭车厢结构，车箱体为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的玻璃材料，导室外无线信号在高速列车内的穿透损耗较大，给车体内的无线覆盖带来较大困难。

图2 不同高铁列车的穿透损耗

1.2 多普勒频偏

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列车的速度相关。高速引起的大频偏对于接收机解调性能提升是一个极大的挑战。

图3 多普勒频移与移动终端距离的关系

1.3 切换频繁

由于单站覆盖范围有限，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，进而影响网络的整体性能。

图4 高铁小区切换

2 高铁TD-LTE组网关键性技术

2.1 高铁主干道组网技术

高铁采用双通道RRU进行覆盖组网，体积小，方便部署，同时可结合双通道天线实现MIMO，可实现多个RRU级联，降低工程实施难度利用MIMO提升网络数据业务速率；同时采用多RRU小区合并，减少小区间切换，从而提升网络性能。

图5 高铁主干道TD-LTE覆盖

2.2 高铁覆盖链路预算

高铁覆盖规划:考虑终端在车内，即规划中需要考虑列车车体的穿透损耗。高铁环境简单，基站与列车之间无遮挡，属于直视径传输；因此传播模型采用Cost231-hata模型，其中高铁场景Cm修正值：Cm=-20（F）。覆盖规划中，考虑列车车体最大损耗（F频段24dB）,天线增益18dBi；高铁覆盖规划目标基于RSRP＞-110dBm进行链路预算；估算主要考虑3种典型站高结构：10m，20m以及35m；出于安全考虑高铁铁轨通常比地面高出10米左右，因此该站高均为相对铁轨的高度。

表1 高铁F频段覆盖距离估算

2.3 高铁容量规划

乘客量估算（以CRH3型列车为例），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1114人。

终端用户量估算，考虑列车满载情况，分为网络发展初期及后期两种情况。初期：按照中国移动用户渗透率70%，其中LTE终端渗透率30%，则单列车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LTE终端渗透率80%，则单列车LTE终端用户数为：624个。

单列车用户吞吐量需求考虑每业务用户下行平均速率1mbps，上下行比例为1:5，用户激活附着比为60%（即60%用户处于激活态），用户业务并发率初期为10%，后期为20%，则单用户平均速率需求为上行12kbps，下行60kbps（初期）上行24kbps，下行120kbps（后期）基于LTE终端用户量可得，单列车上下行速率需求为初期：上行：234*12=2.8mbps；下行：234*60=14mbps，后期：上行：624*24=14.9mbps；下行：624*120=74.9mbps，在列车会车时，需求吞吐量将翻倍。

2.4 隧道覆盖方案

隧道覆盖方案可分为定向天线隧道覆盖方案和泄露电缆隧道覆盖方案。定向天线与泄露电缆覆盖均有各自的优缺点，实际网络中隧道种类繁多，建设中建议采用定向天线+泄露电缆的方式进行覆盖。

隧道传播模型为：PLmax=PRRU-(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4)；各参数说明如下：

PRRU：RRU的输出功率

LPOI：POI系统的插损，一般设计要求POI插损小于6dB，此处取5dB

Pdes：接收端的覆盖电平要求，此处为-110dBm

L1：泄露电缆95%2m处的耦合损耗

L2：人体损耗，LTE主要为数据业务，暂不考虑人体损耗，默认取0dB

L3：宽度因子，L3=10lg(d/2)，d为移动台距离漏缆的距离，默认取4m

隧道内重叠覆盖估算方法同宏站，估算结果为300km/h左右时，隧道内小区间重叠覆盖区域约200米左右。采用泄露电缆覆盖，F频段小区边界RRU间距建议不大于850m，非小区边界站点间距不大于1.1km；对于中小型隧道，建议隧道覆盖区域RRU合并为一个小区，以避免隧道内的小区切换。

图6 两种高铁隧道覆盖方案

3 总结

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，有针对性的进行高铁场景网络覆盖，打造出优质的LTE高铁覆盖网络。不仅仅能提升用户感知，更能提高运营商的品牌价值，增强产品竞争力，维系高端客户。

［1］3GPP,Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)；Carrier Aggregation Base Station(BS)Radio transmission and reception,3GPPTR 36.808[Z].

［2］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；Base Station(BS)Radio transmission and reception,3GPPTS 36.104[Z].

［3］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；Base Station(BS)conformance testing,3GPPTS 36.141[Z].

［4］FCC,Title 47 of the Code of Federal Regulations(CFR),Federal Communications Commission[Z].

［5］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)；Radio Frequency(RF)system scenarios,3GPPTR 36.942[Z].

［6］ITU-R,Unwanted Emissions in the Spurious Domain,Recommendation ITU-R SM.329-10,February 2003[Z].