LTE-FDD高铁隧道覆盖方案探讨

2016-06-16蒋勇

广东通信技术 2016年5期

［蒋勇］

LTE-FDD高铁隧道覆盖方案探讨

［蒋勇］

摘要根据国务院批准的《中长期铁路网规划》到2020年，全国铁路营业里程达到12万公里以上，复线率和电化率分别达到50%和60%以上。规划“四纵”、“四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统。到2040年完成“八连线”。从2010年起至2040年，用30年的时间，将全国主要省市区连接起来，形成国家网络大框架。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。因此高速移动环境能够在多山、多隧道地形下依然保持良好的网络覆盖和通信质量，对LTE-FDD技术一次巨大的挑战。

关键词：LTE-FDD高铁覆盖关键技术高铁方案

蒋勇

北京交通大学在读工程硕士，现就职于中国铁塔股份有限公司绵阳市分公司，涪城区办事处临时负责人，通信工程师，从事项目管理、新技术创新等工作。

1　关键技术

当移动终端速度达到350km/h以后，需要考虑以下几点关键技术。第一：传播模型；第二：多普勒频移效应；第三：终端频繁的切换；第四：电波的穿透损耗。

1.1传播模型

在移动通信系统中，由于移动台不断的移动，传播信道不仅受到多普勒效应的影响，而且还受到地形、地物等相关因素的影响，另外移动系统本身的干扰和外界干扰也不能够忽视。基于移动通信系统以上特性，严格的理论分析很难实现，往往需要对环境进行近似、简化，因此理论模型跟实际模型相比误差较大。

高速铁路覆盖的传播模型以LTE-FDD（1800MHZ）COST231-Hata模型作为基础，适用于1500-2000MHz的无线电波传播损耗预测，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。数学表达形式是：

其中：Ld：路径传播损耗（dB）；f：工作频率（MHz）；Hb：基站天线的有效高度（m）；Hm：移动台天线高度（m）；d：基站与移动台之间的距离（km）；α（Hm）：移动台高度修正因子；C为地物校正因子。

根据不同的地物地貌，C的取值如表1。

表1　地物地貌与校正因子对应表

对于实现双向通信的系统来说，上下行链路平衡是十分重要的，是保证在两个方向上具有同等的话务量和通信质量的主要因素，也关系到小区的实际覆盖范围。

1.2多普勒效应

根据多普勒原理，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，随着移动速度的增加，多普勒效应越加明显，甚至在基站上将产生二倍频偏，严重影响基站的解调性能，多谱勒公式：△f=F×V×（cosθ）/C，其中：

F：中心频率，单位Hz；V：列车运行速度，单位：m/s；C：光速=3×108m/s；θ：列车动行方向与电磁波传播方向的夹角，具体见图1。

图1　多普勒效应示意

当列车动行方向与电磁波传播方向一致时，多谱勒频移最为明显，由此可得出对于各系统，不同的运行速度，产生最大的频率偏差见表2。

表2　时速与频偏对应

通过表2对可以反应出，当列车时速为300km/h时于电信CDMA800M、移动GSM900M等制式，多普勒频移对系统有一定影响，但并不严重系统仍可以正常工作。虽然3GPP标准协议中定义LTE-FDD的最高移动速度可以达到为500km/h，但是用户的上网速率明显下降，严重影响用户的感知。

1.3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。

对于高速移动终端而言，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。

动车组密闭性良好，穿透损耗大，列车移动过快，造成频繁的小区重选和切换（如图2）；现网小区重叠覆盖区不能满足高速移动对覆盖重叠切换区域大小的要求，造成切换失败等问题是高铁对无线网络带来的主要影响。

图2　小区重选和切换

1.4车体穿透损耗的影响

CRH（China RailwayHigh-speed，中国高速铁路列车）分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等4个种类，其中CRH1、2、5均为200公里级别（营运速度200km/ h，最高速度250km/h），CRH2具有提升至300km/h级别的能力。CRH3为300公里级别（营运速度330km/h，最高速度380km/h）。

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，表3列举了国内几种高速铁路新型列车的车体穿透损耗值。

2　链路预算

表3　各类型车厢静止垂直穿射损耗对应

链路预算是评估无线通信系统覆盖能力的主要方法，通过链路预算，可以估算出各种环境下的最大允许路径损耗，从而估算出目标区域需要的LTE覆盖站数。

2.1隧道外链路

按照1.8GHz频段系统前向链路预算参数设置，得到LTE-FDD最大链路损耗的重要参数，见表4。

表4　LTE-FDD链路预算参数表

采用2*2MIMO，LTE下行580Kbps业务（10RB）的路径损耗为118dB，考虑FDD LTE的工作频率为1.8GHz，基站天线有效高度30m，移动台有效高度1.5m，通过校正的无线传播可知采用2天线时，建议密集城区站间距约为410～450m，一般城区站间距约为500～540m，郊区及农村站间距约为800～1 000m。

2.2隧道内链路

同样1.8GHz频段系统前向链，以常用的13/8”辐射型漏缆为传输介质，得到各系统制式的重要链路损耗参数如表5。

根据以上参数计算得到在隧道覆盖中允许的最大单方向传输距离为585m。

3　解决方案

3.1采用链路自适应校正频点偏移

由于高速移动的用户，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，提升基带解调性能。

为了将多普勒频移的影响降低到足够低的水平，应将子载波间隔设置在11kHz以上。在假设理想信道估计的参数配置下，350km/h移动速度下的系统吞吐量只比30km/h下的系统吞吐量下降0.5Mbit/s。如果是假设真实信道估计，较小子载波间隔（10kHz以下）对系统吞吐量的影响就较为严重。但是，只要将子载波间隔保持在11kHz以上，多普勒频移对系统吞吐量的影响就与在理想信道估计条件下一样，是轻微的。

表5　使用泄漏电缆情况下的链路预算

图3　漏电覆盖距离

引用混合自动重传请求（HARQ）技术可以从某种程度上减轻多普勒频移的负面影响。在采用增量冗余（Incremental Redundancy，IR）合并的HARQ系统中，在低速移动情况下，如果将子载波间隔设置为13kHz和15kHz，则系统相对6.65kHz子载波间隔的系统分别有3%和5%的系统吞吐量损失；如果将子载波间隔设置为11.25kHz和15.75kHz，则系统相对6.65kHz子载波间隔的系统，CP开销从4%分别增大到6%和8%，性能的下降和开销的提高处于可以接受的水平。

在高速移动（350km/h）情况下，只要子载波间隔大于11kHz，多普勒频移就不会造成严重的性能下降。因此，将子载波间隔设置在11～15kHz对LTE系统是比较合适的。由于15kHz可以使E-UTRA系统和UTRA系统具有相同的码片速率，从而从某种程度上降低开发成本，因此LTE最终决定在单播（Unicast）系统中采用15kHz的子载波间隔，相应的符号长度为66.67μs（不包括CP）。

3.2采用单小区多RRU级联技术

为了保证用户的感知，就必须减少小区之间切换、增加小区的覆盖范围。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，利用基带合并技术将多个RRU合并成一个小区。沿着高铁线路的多个RRU合并成同一小区，从而减少切换频率来提高网络性能，如图3。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。