800MLTE高铁覆盖解决方案研究

卜 翠



800MLTE高铁覆盖解决方案研究

卜 翠

贵州省邮电规划设计院有限公司，贵州 贵阳 550003

高铁覆盖的困难主要体现在多普勒频移大、小区重选和切换频繁以及穿透损耗大3个方面。分别从LTE高铁覆盖的组网方式、基站部署、天馈系统建设方面对LTE高铁覆盖解决方案进行了研究，通过降低基站站间距和限制掠射角的方式解决穿透损耗大的问题，通过小区合并解决小区重选和切换频繁的问题。

800M；LTE；组网方案；链路预算；天馈系统

1 概述

高速铁路是当今时代高新技术的集成和铁路现代化的重要标志，反映了一个国家的综合国力。未来几年内高速铁路将成为我国地面客运的主要力量。高铁新型车厢采用全封闭式车体结构，损耗较普通列车大很多；高铁高速运动引起的大频偏对于接收机解调性能的提升是个大挑战；由于单站覆盖范围有限，列车高速移动时将在短时间内穿过多个小区的覆盖范围，引起频繁的小区切换。

频繁的小区重选和切换会导致成功率下降，甚至因切换不及时而导致掉话，频繁的小区重选也将影响PS业务速率等指标；高速列车在给用户带来更好的出行体验时也为移动通信系统的覆盖带来了一定的困难。如何做好LTE高铁覆盖是亟待解决的问题。本文从LTE高铁覆盖频率选择，组网方案分析入手，给出高铁覆盖组网方案建议，基站部署方案建议，以及天馈线系统建设方案[1]。

2 组网方案

目前LTE FDD分配频段为1.8G，但对于中国电信来讲，2G/3G网络基于800M 频段，若采用1.8G实现全覆盖，必将涉及新建大量的站点，尤其是目前站间距较大的农村区域，增站比例将更高。但是，如果利用CDMA800M频段建设LTE800M进行覆盖的话，可以节约大量的建站成本，在郊区农村区域的效益尤为明显[2]。 CDMA使用频段为825～835 MHz/870～880 MHz，上下行各10M频段7个频点，2G和3G占用不同的频点。目前城区已经占到了6～7个频点，而郊区/农村则主要为2～4个频点。考虑到4G的带宽设置及速率情况，4G单载波带宽达到5M及以上能够给予用户较好的体验。目前农村区域多为2载波站，可在该类区域采用夹心方案移出4个载波5M带宽来承载LTE业务实现广覆盖。

为避免列车高速行驶中频繁地跨越小区，高铁场景全线采用小区合并技术BBU+RRU分布式基站方式组网。

小区合并技术使多个RRU共小区，从而增加单小区覆盖范围，降低高铁切换次数，提高切换成功率。在城区，对于距离铁轨距离较近的站点，朝向高铁线路覆盖的两个扇区做小区合并；在郊区及农村场景，对于高铁覆盖站点可以做同BBU下的跨物理站址的小区合并，从而降低小区间重选和切换次数。

3 基站部署方案

3.1 站间距

链路预算是无线网络覆盖规划的前提，高速铁路LTE无线网络链路预算的目的是为确定基站覆盖能力即小区覆盖半径提供参考。结合高速铁路经过的不同场景，通过采用适当的覆盖预测模型，计算满足一定数据速率下链路允许的最大损耗值就可以得到小区覆盖半径。无线链路预算分为上行链路预算和下行链路预算，由于上下行链路通信实现原理不同，上下行链路预算也不一样，一般由于基站的发射功率远远大于手机的发射功率，下行覆盖的距离不是问题，基站的覆盖距离主要受限于上行覆盖的限制。

链路预算主要的参数介绍如下：

小区边缘速率设定：边缘用户下、上行速率满足4 MB256kb/s。

车体损耗：CHR为全封闭结构，部分采用金属镀膜玻璃，车体损耗大，各种车型损耗不一致。另外，还存在掠射角损耗，随着掠射角的逐渐减小，在10 度以内，车体穿透损耗值迅速增大。综合以上因素，车体穿透损耗取30 dB。

阴影衰落余量：覆盖率95%情况下，靠近密集市区、一般市区、郊区阴影衰落余量取8 dB，农村阴影余量取6 dB。

干扰余量：3 dB。

高铁采用的频率在COST231-Hata传播模型的150～2 000 MHz范围内。高速铁路FDD-LTE网络无线传播模选取COST231-Hata传播模型。

LTE系统切换时间由三部分构成，测量时间d1、迟滞时间d2和执行时间d3，其中d1=200 ms，d2一般配置为40 ms，d3根据测试经验不超过250 ms，因此切换时间为500 ms左右，同时预留一次切换失败重建时延和冗余时延，切换时间考虑1 s的时间，双向切换考虑2 s的时间。根据列车的运行速度，结合LTE切换所需的时间，可以计算出满足切换所需要的重叠覆盖距离。

根据链路预算和重叠覆盖距离估算，在满足上行256 K的情况下，350 km时速下的LTE基站站间距在郊区场景下为1.6 km，农村场景下为3.5 km。

3.2 基站到铁轨的垂直距离

基站到铁轨的垂直距离主要和掠射角有关，掠射角越小，穿透损耗越大，根据经验，一般掠射角不宜小于10°，但也不能过大，过大将影响覆盖距离，一般取25°。在郊区1.6～1.8 k站间距的情况下，基站到铁轨的垂直距离一般取200～500 m。

4 天馈系统建设方案

4.1 天线选型原则

当站点与铁轨沿线垂直距离较近时，可选用窄波束高增益天线，如33°21 dBi天线，可以保证小区径向覆盖能力，避免覆盖周边区域，提升覆盖能力，减少站点数量；当站点与铁路沿线的垂直距离较大时可选用65°18 dBi天线，有效扩宽高铁轨道沿线的覆盖，可兼顾铁路和周边区域的覆盖。

4.2 天线挂高设置原则

天线挂高设置应考虑铁轨高度，天线挂高需高出轨面15 m以上，应保证天线与轨面视通。

4.3 天线方位角设置原则

天线方位角的设置应该使小区主波瓣更好地沿铁路方向覆盖，有效地提高覆盖距离。方向角的调整与基站与铁路的垂直距离相关，一般原则是距离越近则方向可越贴近铁路线方向，距离越远，则天线方向越朝垂直铁路方向。由于天线主瓣方向和高铁列车车厢体形成的夹角小于10°时，车厢体的穿透损耗迅速增加，设置天线方位角的时候应避免掠射角小于10°。

5 总结

本文对高铁800M LTE网络覆盖的站间距、基站到铁轨的垂直距离进行详细的分析，得出理论上的合理站间距，然而为了更好地满足用户的实际体验，部分路段站间距将进一步缩小，在靠近密集城区部分，由于用户量以及无线环境的变化，中心城区的站间距在0.7 km左右。在高铁覆盖特性的基础上，可通过利用大功率2T4R RRU设备解决城郊大站间距问题。通过配置多普勒频移补偿以及高速小区特性等多种手段，全方面优化网络覆盖效果，提升网络性能以及用户体验感知。

[1]蒋晓虞，刘远高.基于800M频段建设4G网络的策略[J].电信快报，2014（9）：15-18.

[2]彭鹏，高速铁路CDMA无线覆盖研究[D].北京：北京邮电大学，2012.

The Solution 800MLTE High-speed Rail Cover

Bu Cui

Guizhou Provincial Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Limited, Guizhou Guiyang 550003

The difficulty of covering the high-speed rail is mainly reflected in the large Doppler shift, frequent switching and cell reselection and the penetration loss of large three aspects. In this paper, respectively, from high-speed rail covered networking LTE base station deployment, building antenna system for high-speed LTE coverage solution was studied by reducing the distance between base stations and limit grazing angle of penetration loss solution to a big problem, by the combined cell reselection and handover to resolve the frequent problems.

800M; LTE; networking schemes; link budget; antenna system

TN929.5

A

1009-6434（2016）08-0142-02