中国电信LTE高铁异频叠加组网专题研究

夏 烛，车张涛，李曙海（.华信咨询设计研究院有限公司，浙江杭州004；.中国电信股份有限公司新疆无线通信局，新疆乌鲁木齐80000；.中国电信浙江分公司，浙江杭州004）

1 概述

对中国电信LTE 高铁特殊场景的组网方式进行了研究，根据1.8与2.1 GHz不同频段覆盖及叠加时的覆盖性能对比结果，得出高铁专网覆盖时城区段落采用叠加组网的覆盖方式的结论，并考虑高铁的专网用户和周边普通用户2 个用户群的体验感知及网络KPI指标，针对叠加组网区域的参数进行专有设置，包括重选、切换等方面；同时在高铁场景中，由于列车移动速度快，高铁用户的频繁切换会对下行速率等存在严重影响，选择在叠加频段2.1 GHz 专网组建超级小区方案，不仅可减少高铁用户频繁切换，同时由于缩减了小区间切换带，还可以增加高铁沿线站点的站间距。

本文主要从实际操作测评结果，结合理论推导对高铁这种特殊场景在不同频段组网方式下的性能进行了深入探讨。

2 高铁1.8与2.1 G H z异频覆盖对比

2.1 测试背景

大网宏站普遍采用1.8 GHz 组网，采用2.1 GHz 异频覆盖可以有效隔离大网干扰。评估2.1 GHz（20 MHz 带宽100 个RB）、2.1 GHz（15 MHz 带宽75 个RB）频段与1.8 GHz（15 MHz 带宽75 个RB）频段在覆盖方面的优劣，对高铁覆盖优化进行了实践性的探讨。

2.2 站点与测试路线选取

选取余姚段9个站点，最初该路段覆盖频段为1.8 GHz，路段总长11.8 km，在平均车速240 km/h 情况下完成测试。随后将该路段9个站替换成2.1 GHz频段，分别测试了20 MHz 带宽和15 MHz 带宽，通过数据对比分析，评估不同频段覆盖路段的指标差异。

2.3 不同频点覆盖主要路测指标对比

测试结果如表1所示。

表1 高铁1.8与2.1 GHz异频覆盖指标对比

从表1可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 频段比1.8 GHz 高，高铁采用2.1 GHz 覆盖时，RSRP 相比1.8 GHz 覆盖时略差；由于RRU 功率限制，2.1 GHz 部署20 MHz 带宽时，RSRP相比15 MHz带宽略低。

b）SINR：高铁采用2.1 GHz 覆盖时，SINR 相比1.8 GHz 覆盖时高22%；2.1 GHz 部署20 MHz 和15 MHz 带宽时SINR值差异不大。

c）PDCP 层下行吞吐率：高铁采用2.1 GHz 覆盖时，PDCP层下行吞吐率相比1.8 GHz覆盖时高28%；由于频率带宽原因，2.1 GHz 部署20 MHz 时吞吐率比15 MHz带宽时明显提高。

通过同一路段不同频段站点替换，分析判断在同等覆盖条件下，由于频段越高损耗越大，干扰能力越低，高铁沿线在1.8 GHz 覆盖下比2.1 GHz 覆盖路段的干扰增强，导致同等覆盖路段的SINR值、PDCP层下行速率的差异。

3 高铁1.8与2.1 G H z叠加组网覆盖对比

3.1 测试背景

结合1.8 与2.1 GHz 不同频段覆盖高铁场景测试对比结果，选取城区段采用叠加覆盖方式进行覆盖性能对比测试。主要从1.8与2.1 GHz叠加覆盖、1.8 GHz单独覆盖及2.1 GHz 单独覆盖等方式进行不同层面覆盖对比。1.8 与2.1 GHz 均在15 MHz 带宽前提条件下进行。

3.2 站点及测试路线选取

选取杭甬高铁宁波城区段总长11 km，沿线LTE站点共11 个；原先11 个站点频段为1.8 GHz，后叠加2.1 GHz 设备（均为15 MHz 带宽）；测试时高铁平均车速为60 km/h；评估同等条件下，2.1 GHz 异频组网与1.8 GHz同频组网的性能差异。

3.3 叠加组网段覆盖性能指标对比分析

对同路段进行不同频段覆盖性能测试，测试结果如表2所示。

表2 叠加组网覆盖指标对比

从表2可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 频段相比1.8 GHz高，采用2.1 GHz单独覆盖或叠加覆盖时，RSRP相比1.8 GHz单独覆盖时略差。

b）SINR：高铁线城区段采用叠加2.1 GHz覆盖后，SINR相比1.8 GHz单独覆盖时高7.3%；2.1 GHz叠加组网时，通过参数配置让终端优先使用2.1 GHz，因此叠加组网时的SINR与2.1 GHz单独覆盖时差异不大。

c）PDCP 层下行吞吐率：高铁线城区段采用2.1 GHz叠加覆盖后，PDCP层下行吞吐率相比1.8 GHz单独覆盖时高20.1%；2.1 GHz 叠加组网时，通过参数配置让终端优先使用2.1 GHz，因此叠加组网时的吞吐率与2.1 GHz单独覆盖时差异不大。

4 高铁1.8与2.1 G H z叠加组网策略分析

根据1.8 与2.1 GHz 不同频段覆盖性能对比及叠加时的覆盖性能对比结果，综合考虑高铁的专网用户和周边普通用户2 个用户群的体验感知，以及未来网络运营后用户的投诉量和网络KPI 指标，建议高铁沿线郊区区域采用2.1 GHz 主覆盖、城区段采用1.8 与2.1 GHz叠加组网的覆盖方式。

4.1 高铁叠加组网区域参数设置

如果高铁和公网采用同频组网方式，公网小区可能越区覆盖到高铁沿线形成针尖效应。一方面，高铁沿线的大网站点，需优化收缩其覆盖范围，使信号覆盖尽量不越过高铁轨道，将大网和高铁网络的切换区设置在高铁轨道外侧，确保高铁轨道上的链形小区分布；另一方面，则需要考虑公网的覆盖调整工作量，并且高铁小区既吸收高铁用户又吸收高铁沿线的公网用户。在FDD LTE大网覆盖日趋完善的情况下，采用高铁和公网同频组网方式，较难实现高铁和公网之间的兼顾。因此本节重点研究高铁采用异频叠加组网方式的参数设置方案。

4.1.1 方案思路

选取城区采用1.8与2.1 GHz叠加组网覆盖方式的区域，如图1 所示。红色表示高铁沿线城区段的叠加组网站点，均采用同一BBU 下挂6 个RRU（3 扇区需6个、2 扇区需4 个）的方式（由于BPL 板只能下挂3 个RRU，因此硬件模块需增加1 块FS 扩展槽），1.8 与2.1 GHz均采用2T2R RRU方式共用同一副天线，即1个物理扇区下共有2个逻辑小区。

图1 高铁覆盖叠加组网示意图

4.1.2 高铁城区段叠加组网区域参数配置

4.1.2.1 重选参数配置

重选参数具体配置原则如下。

a）全网频间小区重选优先级相同。

b）室外大网1.8 GHz 异频重选参数中，同/低优先级RSRP测量判决门限设为-90 dBm，乘客进入候车厅室分容易重选到2.1 GHz上。

c）室分同/低优先级RSRP 测量判决门限设为-110 dBm，候车厅中的用户不容易重选到1.8 GHz的室外宏站上（主要考虑实际无线环境设置而定）。

d）在叠加组网区域将1.8 与2.1 GHz 小区的异频重选参数中同/低优先级RSRP测量判决门限统一设置成-110 dBm，频间频率偏移值设置为10 dB，将2.1 GHz服务小区重选迟滞设置为1 dB，1.8 GHz服务小区重选迟滞设置为3 dB。

4.1.2.2 切换参数配置

切换参数配置原则如下。

a）采用A2/A3切换算法。

b）室外宏站1.8 GHz 与候车厅室分2.1 GHz 添加异频双向邻区，1.8 GHz 的A2 事件判决的RSRP 门限为-95～-85 dBm，2.1 GHz 的A2 事件判决的RSRP 门限为-105～-95 dBm，使室外用户进入候车厅更容易切换到室分2.1 GHz 网络中，同时增加室分2.1 GHz 的用户发生A2事件的难度。

c）候车厅室分2.1 GHz 只添加叠加网络的2.1 GHz 的同频双向邻区，室分2.1 GHz 用户A1 测量判决门限为-95～-75 dBm。

d）叠加区1.8和2.1 GHz的A2事件判决门限都调整为-110 dBm，同时调整A1事件为-105 dBm，使高铁用户难以发生异频切换。

e）考虑到叠加网的普通用户不易切入2.1 GHz专网上，高铁沿线2.1 GHz 只添加1.8 GHz 单向邻区及2.1 GHz同频邻区，1.8 GHz只配置同频双向邻区。

f）将叠加组网区域2.1 GHz 小区的同频切换参数中A3偏移设置为0.5 dB，判决迟滞设置为0.5 dB，事件发生到上报的时间差设置为100 ms；将叠加组网区域1.8 GHz小区的同频切换参数中A3偏移设置为1.5 dB，判决迟滞设置为1.5 dB，事件发生到上报的时间差设置为160 ms。

4.1.2.3 返回带参数配置

考虑到实际高铁沿线无线环境，在局部区域2.1 GHz覆盖并不连续，对于这一区域交叠区段，做如下配置。

a）2.1 GHz服务小区异频重选参数中的同/低优先级RSRP 测量判决门限设置为-110 dBm，1.8 GHz 服务小区异频重选参数中的同/低优先级RSRP测量判决门限设置为-85 dBm；2.1 GHz 小区异频重选参数中频间频率偏移值设置为10 dB，1.8 GHz 小区异频重选参数中频间频率偏移值设置为0 dB。

b）2.1 GHz 服务小区A2 门限设置为-110 dBm，1.8 GHz 服务小区A2 门限设置为-85 dBm，1.8 与2.1 GHz小区的A1门限统一设置为-75 dBm。

c）将叠加组网的2.1 GHz 小区的A3 偏移设置为0.5 dB，判决迟滞设置为0.5 dB，事件发生到上报的时间差设置为100 ms，将1.8 与2.1 GHz 的服务小区重选迟滞设置为1 dB。

d）返回带邻区添加规则：2.1 GHz 服务小区配置同频邻区，1.8 GHz 小区正常配置同频邻区与2.1 GHz异频邻区。

4.2 站间距规划

LTE网络的高铁场景是一个用户较为集中且切换较为频繁的场景，对网络的覆盖以及站点的规划要求也更为严格，合理的站间距规划可以实现在网络覆盖和投资成本之间双赢的局面。

4.2.1 未做超级小区的站间距规划方案

如果高铁沿线采用了普通宏站，除了考虑链路损耗的距离外还要考虑切换带重叠覆盖区的距离（见图2）。

图2 切换重叠覆盖区示意图

根据现网的天馈发射功率和小区最小接入电平，由无线链路损耗公式可推导出每个小区的最大有效覆盖距离。

式中：

Pr——接收功率（-122 dBm）

Pt——设备的发射功率（16 dBm）

Gta——发射天线的增益（18 dBi）

Ltl——发射端传输线路衰耗（12 dB）

Lrl——接收端传输线路衰耗（3 dB）

Lr——车厢穿透损耗（24dB）

Ltm——传输空间衰耗（Ltm=42.6+26lg d+20lg f）

La——高铁场景预留余量（12.5 dB）

f——使用频率（2 100 MHz）

d——通信距离（km）

根据中国电信要求的最小接入电平（-122 dBm），由式（1）可以推导出最大有效通信距离d 约为670 m，以现网的站高h1平均约为40 m，结合上述的切换带论证预留168～436 m 的重叠覆盖距离，现网站点离铁轨的距离h2为0～500 m，如图3所示。

图3 基站与铁轨垂直距离计算示意图

根据图3，可得出高铁车速350 km/h情况下，基站与铁轨不同垂直距离下的站间距，如表3所示。

表3 未做超级小区时的站间距规划

4.2.2 超级小区内的站间距规划方案

当采用了超级小区方案，在同一超级小区下的不同扇区采用的同PCI 在逻辑上为同一个小区，因此扇区间不用考虑切换的问题，此方案可以减少高速场景下用户切换的频率，提升网络的质量。因此超级小区方案的基站站间距可在以上未做超级小区的站间距方案中将切换带预留距离剔除，具体的方案如表4所示。

以上的论证结果表明，高铁沿线基站在未做超级小区的情况下平均站间距为800～900 m，而且站与站之间需设置切换带。在采用超级小区方案时，在同一超级小区内的各点间距平均能达到1.1 km 左右，可以有效减少投入成本，同时可大幅减少各扇区间切换带的设置问题，特别是在高速场景下能有效减少用户频繁切换，从而提升网络质量。

表4 超级小区的站间距规划

4.3 超级小区方案

高铁、地铁等特殊覆盖场景，高速移动的终端会导致大量的重选切换，采用超级小区可以延长逻辑小区的覆盖距离，从而减少频繁切换，降低因切换带来的速率下降及掉线等问题。

将高铁沿线多个2.1 GHz 小区做成超级小区，能有效改善模三干扰和重叠覆盖；但如果高铁采用和大网同频的1.8 GHz覆盖，合并为超级小区后，因覆盖区域增大，会大大增加与大网的PCI冲突，同时也会降低系统容量等，进而影响速率和感知，因此高铁超级小区方案只针对高铁异频组网有效。

4.3.1方案原理

组建超级小区也可以不改变设备的连接方式，使传统小区成为超级小区的一个组成部分，称为CP（Cell Portion），如图4 所示。同一个超级小区内的CP共用相同的Cell ID及其相关的公共信道，从而在逻辑上扩大了小区的覆盖范围。

图4 超级小区组网示意图

超级小区的实现方式为修改基带资源的CPID，将需要组建超级小区的CPID从0依次向后排序，再在小区配置里引用以上修改的CPID 即可。超级小区的基本小区配置信息如PCI、TAC、Cell ID 等继承的是设为主CP的那个小区的配置信息，小区合并之后相关的邻区信息也需重新配置。

4.3.2 超级小区方案对比结果

本次主要验证城区高铁叠加段专网组建超级小区后，高铁城区段不同频段覆盖场景下的RSRP、SINR、下行速率等指标的变化情况。测试结果如表5所示。

表5 超级小区方案覆盖指标对比

可以看出：

a）RSRP：由于频段原因，高铁沿线1.8 GHz 覆盖时RSRP最好，总体RSRP差异不大。

b）SINR：叠加组网2.1 GHz 配置超级小区后，SINR 相比未配置超级小区时提升3.4%，相比1.8 GHz单独覆盖时提升10.9%。

c）PDCP层下行吞吐率：叠加组网2.1 GHz配置超级小区后，PDCP 层下行吞吐率相比未配置超级小区时提升4.4%，相比1.8 GHz单独覆盖时提升25.3%。

5 总结

根据1.8 与2.1 GHz 不同频段覆盖以及叠加组网时的覆盖性能对比结果，可以看出：

a）2.1 GHz（15 MHz）比1.8 GHz（15 MHz）频段覆盖时SINR和下行速率分别提升22%和28%。

b）城区叠加2.1 GHz覆盖时的SINR均值和PDCP层的下行速率比单1.8 GHz覆盖时高出7.3%和20.1%。

建议高铁沿线郊区包括隧道等部分采用2.1 GHz主覆盖；高铁城区段采用1.8与2.1 GHz 叠加组网的覆盖方式。在叠加组网方式下，需针对叠加组网区域的参数（包括重选、切换等）进行专门设置，以及郊区段专网覆盖不连续时需考虑返回带设置保证与大网的顺利回落。同时在高铁场景中，由于列车移动速度快，高铁用户的频繁切换会对下行速率等造成严重影响，建议在2.1 GHz 专网组建超级小区，不仅可减少高铁用户频繁切换，而且由于缩减了小区间切换带，还可以增加高铁沿线站点的站间距。从实际测评结果看出，叠加区域2.1 GHz专网组建超级小区后SINR均值及下行速率均有所提升，相比1.8 GHz单频覆盖分别高出11%和25%，效果显著。且在组建超级小区后，还可以通过参数优化手段如专用TAC 区、开环功率参数Pa/Pb 等方案进一步提升高铁网络覆盖指标。

［1］ 张守国，张建国，李曙海，等.LTE 无线网路优化实践［M］.北京：人民邮电出版社，2014.

［2］ 王云中. LTE 无线网络特殊场景规划［EB/OL］.［2015-06-15］.http://www.zte.com.cn/cndata/magazine/zte_technologies/2013/10_2013/magazine/201310/t20131025_410897.htm l2013.

［3］ 樊磊. 基于LTE 技术的高铁无线通信覆盖分析［J］. 信息通信,2014（3）.

［4］ 韩志刚，孔力，陈国利，等.LTE FDD技术原理与网络规划［M］.北京：人民邮电出版社，2012.

［5］ 胡宏林，徐景.3GPP LTE无线链路关键技术［M］.北京：电子工业出版社，2008.

［6］ 顾军，盛韧. LTE 网络覆盖规划技术研究［J］. 中兴通讯技术,2011，17（1）:53-56.

［7］ 赵训威，林辉，张明. 3GPP 长期演进(LTE)系统架构与技术规范［M］. 北京：人民邮电出版社，2010.

［8］ 孙晓东.LTE/FDD下行链路系统级与链路级接口研究［D］.北京：北京邮电大学，2010.

［9］ 沈嘉，索士强. 3GPP 长期演进（LTE）技术原理与系统设计［M］.北京：人民邮电出版社，2008：77-82.

［10］唐伟，陈金鹰，陈睿.TD-LTE技术及应用前景研究［C］//四川省通信学会2011年学术年会论文集，成都：四川通信学会，2011.

［11］Harri Holma，Antti Toskala. WCDMA for UMTS – HSPA evolution and LTE［M］.England：John Wiley&Sons，Ltd，2007.

［12］Christian Mehlf uhrer，Martin W rulich，Josep Colom Ikuno，etc.Simulating the long term evolution physical layer. Glasgow［C］. Scot⁃land：17th European Signal Processing Conference （EUSIPCO 2009），2009.

［13］3GPP TS 36.213 v9.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），Physical layer procedures［S/OL］.［2015-06-15］.http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/htm l-info/36213.htm.

［14］3GPP TS 36.101 va.0.0Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），User Equipment（UE）radio transmission and reception［S/OL］.［2015-06-15］. http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/htm l-info/36101.htm

［15］3GPP TS 36.213 v9.3.0. Evolved Universal Terrestrial Radio Access（E-UTRA），Physical layer procedures［S/OL］.［2015-06-15］.http：//www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/36213.htm.