高铁LTE覆盖优化方法研究

2017-09-26陈国平

互联网天地 2017年6期

关键词：方位角倾角频段

□ 文陈国平

高铁LTE覆盖优化方法研究

□ 文陈国平

1. 引言

目前各运营商已经建立高铁移动通信网络。随着TD-LTE技术的发展，TD-LTE高铁网络的建设再次成为各运营商关注的重点。

2. 高铁场景覆盖特点

2.1 多普勒频移明显

高铁覆盖场景相较于普通覆盖场景，主要在于高速移动环境下的多普勒效应。无线信号传播过程中有各种反射、折射等，到达接收机的是很多个信号的叠加，每个到达信号分量的多普勒频移不同，到达时延也略有差别，称作多普勒效应。

多普勒频移在LTE高铁覆盖时的特征如下：

1、用户移动过程中，多谱勒频移随着用户的位置变化而变化；

2、当列车驶向基站时，波长变短，合成频率增加；

3、当列车驶出基站时，波长变长，合成频率减小;

4、当列车正好经过基站轴线时，频偏为0，但此时，频偏变化最大；

2.2 高速移动中切换重选频繁

高速移动的环境主要问题是快速切换。若切换区过小，导致终端在切换未处理完成之前，与原服务小区失去连接，使得业务中断，需要考虑多普勒频移和高速切换重选。所以，对于高速铁路沿线的网络覆盖问题，要根据切换启动门限参数的设计，以及完成切换流程所需时间统计，估算切换区所需的切换带大小，只有当两个小区切换区设计得足够大，才能保证UE将满足切换条件的测量事件上报之后，有足够的时间跨越整个切换区，进行正常切换；

2.3 覆盖场景复杂

高铁站台：移动用户流量较大，用户通信需求高；并且涉及与公网站点互相切换问题；

密集城区：建设阻挡严重，且可能与公网重叠覆盖，产生与公网互干扰，用户在公网与专网之间频繁切换问题；

开阔区：地势开阔，无线环境良好；传输电源配套建设成本高，设备安装环境差；

高架桥梁：地势狭窄，桥梁上站站点部困难；传输电源配套建设成本高，设备安装环境差；

隧道：地势狭窄，隧道内弯道易形成阴影衰落，施工困难，易形成多普勒频移。

2.4 车厢穿透损耗大

车型不一样，车厢穿透损耗稍有差别，根据链路预算，D频段车厢穿透损耗为28dB,F频段穿透损耗为26dB; 根据北京南站车厢内外选点，实际测试结果为D频段损耗为26dB,F频段为22dB。

3. 高铁场景网络规划

3.1 组网方案

高铁铁路属于典型的线性高速覆盖场景，其特点为用户移动速度高、切换频繁。在这种场景下，采用超级小区合并技术，把原本多个小区合并成一个超级小区Super Cell，将小区间的切换变为小区内部不同CP（Cell Portion）间的转换，这样可以大幅度降低切换次数，提高整体切换成功率。另外采用了小区合并技术，小区内部各CP间还可获得一定的合并分集增益，对于提高链路质量也有一定的好处。

目前高铁TD-LTE网络，采用2天线6 CP合并的方案，同一抱杆上的两个双通道RRU背靠背放置，组成一个Super Cell，如图1所示。

3.2 频段选择

现在国内高铁通常选择F频段和D频段，高铁一般建议跟公网异频组网，当需要跟公网同频的时候，建议采用另外一个频段频点在郊区与高铁之间做一个3～4层邻区的隔离带；

由于D频段频点资源丰富，且穿透损耗大于F频段（如表1），站间距要求较F频段更小。所以无论是F频段覆盖还是D频段覆盖，建议规划时尽量按照1km以内站间距规划，以保证后续共站增加D频段时，站址拓扑不需要变化。

4. 覆盖优化

4.1 覆盖优化目标

高铁专网覆盖，因网络结构相对简单，且采用了CP合并，因此覆盖指标要求高于公网。

图1 TD-LTE超级小区合并方案示意图

表1 F/D频段站点规划差异见下：

车厢内座位上指标（考虑车厢穿透损耗22dB，F频段）；

覆盖率大于95%（RSRP大于-100dBm，且SINR大于0）；

R SR P均值大于-85d B m，SIN R均值大于17；

重叠覆盖率：（R SRP＞-110 dBm，差值6dB）小于1%（基于扫频统计）。

4.2 覆盖优化要点

1、通过常规方法调整小区发射功率、小区天线方位角、下倾角，解决小区弱覆盖、越区覆盖，以达到降低干扰，提升高铁沿线TD-LTE网络覆盖质量；

2、合理规划D频段、F频段PCI，避免出现小区模3干扰及特殊算法要求规划PCI，降低干扰，提升业务性能；

3、优先在高铁专线配置2CP的情况下，做好单站点2CP覆盖优化与切换带优化之后，再进行更高级别CP合并。如果直接进行多CP合并，超级小区内部覆盖将很难实施优化；

4、优化切换带提升性能；采用超级小区降低切换频次，提升切换性能。

4.3 重叠覆盖控制

合理重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会站间距增加，因此高铁覆盖规划优化中要合理设计重叠覆盖区域，如图2。

重叠距离= 2* (切换迟滞对应距离+切换测量距离（128ms）+切换执行时间（100ms）

=2*（40+移动速度*0.228），如下表2

在高铁专网场景下，考虑适当预留，重叠切换带按200m预留。

4.4 天线方位角配置

如果站点分布按照高铁规划，按照“之”形分布于铁路两边，则建议方位角设置应保证铁路上有足够的覆盖强度，天线方位角与铁路线路呈一定角度的夹角覆盖。

方位角可通过地图测量得到，使用角度测量工具，计算最佳方位角。

最佳方位角计算方法：

1、M为两个站点之间的距离；取站点之间距离一半，假设两站点相向小区重叠覆盖200m（即：L=M/2+200m）；L作为小区的上半功率角覆盖半径；

2、通过三角函数计算出小区上波瓣覆盖半径落点与高铁的交汇时的方向角Y（这里是上波瓣的，最终取主波瓣在高铁线的落点是小区方向角）；可使用下面的角度测量工具完成该操作；

图2 高铁切换重叠覆盖带示意图

表2 各种速度场景下重叠覆盖距离计算

图3 角度测量工具

图4 天线下倾角设计示意图

图 5D频段2CP切换

图6 D频段4CP切换

图7 调整前越区严重

图8 调整后覆盖图

图9 越区覆盖调整

3、为了使小区主波瓣落在高铁线上，预估小区方向角Y加或者减15度；（考虑天线宽度为33度，取其一半）如图3。

4.5 天线下倾角优化

高铁覆盖对象明确，因此需要合理设置下倾角，确保高铁轨道面的覆盖，同时避免越区覆盖。高铁下倾角的调整，应优先满足切换带的覆盖强度，之后再严格控制越区覆盖。实际中应尽量下压天线倾角，以切换带不出现弱覆盖为目标。

在实际设计中，基站天线和轨道面之间存在如下图4的关系。

根据三角函数可以推导天线下倾和小区覆盖半径之间的关系如下：

这里的 a 的单位是弧度，需要转换成角度。转换成角度后的 a 的关系如下：

简化公式：天线下倾角 = a r c t a g ( H / D ) +垂直半功率角/2

当我们选用的天线带有固定电子下倾角时，这时需要下压的机械下倾角为：

我们知道，调整天线下倾角的工具——水平仪是有一定的精度的，一般能够精确到1度。因此需要针对计算的 a 角度进行四舍五入。目前常用的LTE天线2通道产品都带有6度电下倾，实际调整时需核实电子下倾后调整机械下倾。

根据路测，使用路测软件测量出需要加强覆盖的区域（或规划的切换带的边缘）距离基站的距离，将要覆盖的距离、站高、天线增高高度、站点海波高度、覆盖区域海拔高度、天线垂直波瓣宽度（TD使用7度）、预置电下倾角输入下面的excel表中，即可得到需要设置的下倾角。

4.6 超级小区合并

京沪高铁的车速在专网段接近300km/h，平均每秒钟行车83.3m。如果高铁小区未进行小区合并，则列车经过一个小区（覆盖半径约650m）的时间约为8秒，这样切换将会非常频繁，切换过程中也容易出现切换失败、掉话等异常事件。

采用超级小区合并的方式可切换频次优化，降低线路上的超级主小区数目，从而提供切换成功率。优先在2CP的情况下，做好单站点2CP覆盖优化与切换带优化之后，再进行更多的CP合并。避免直接合并多个CP后，不好进行覆盖控制的弊端。

高铁小区进行超级小区合并后，增大了小区的覆盖范围，直接减少专网小区间切换次数。以京沪高铁北京试验段专网为例，12个物理站点24个小区经过2CP小区合并后为12个小区，高铁专网内仅需要切换11次，而不进行小区合并时是24个小区，需要切换23次，经过4CP小区合并后为6个小区，仅需切换5次，经过6CP小区合并后为6个小区，需切换5次。

超级小区合并案例如下图5：

从上图中可以看出，D频段覆盖整体偏弱，切换带在-105dBm左右。

4CP测试后，如上图6，整体覆盖相比2CP差别不大，但大大降低切换次数，带来提升。