高速轨道交通TD—LTE覆盖解决方案

罗康其++郑国莘

【摘 要】为了解决TD-LTE在高速轨道场景中的覆盖问题，通过研究TD-LTE在高速轨道场景下的组网方式、链路预算以及天线的选型，提出了TD-LTE在高速轨道沿线的站间距设置及在高速轨道不同隧道场景下的覆盖解决方案，从而应用到不同高速轨道场景下的覆盖中。

【关键词】高速轨道交通 TD-LTE 组网方式 链路预算

1 引言

轨道覆盖中，除了需要重点关注隧道、桥梁等特殊场景外，对于时速超过200 km的高速铁路，实现良好的TD-LTE业务体验也是一大挑战。目前，全球运营的高速铁路最高运营时速约为200～350 km/h，为了吸引客户，体现技术领先优势，运营商对高速轨道交通也提出了连续覆盖需求。文献[1]分析了高速铁路场景下宏蜂窝专网覆盖及性能；文献[2]探讨高铁覆盖网络的站址规划和组网方案等；文献[3]提出了TD-LTE高铁规划对未来高铁网络覆盖具有重要的指导意义；文献[4]分析了车体穿透损耗、多普勒效应等因素对高铁覆盖的具体影响；文献[5]介绍了TD-LTE与2G和3G网络链路预算的差异；文献[6]分析了TD-LTE容量问题，初步提出TD-LTE组网建议；文献[7]提出TD-LTE在高铁环境下的主要问题；文献[8]介绍了TD-SCDMA在上海磁悬浮的解决方案及仿真；文献[9]探讨了TD-LTE的演进和发展前景；文献[10]从LTE覆盖、参数、组网方面进行分析，并提出覆盖优化方案；文献[11]分析了TD-LTE在高铁场景下站间距的確定。而在各种复杂的场景下的链路预算过程及基站站间距的布局上，仍没有详细的文献报道。

因此，本文将分析高速轨道交通下的TD-LTE组网、天线选型以及链路预算等问题，对TD-LTE在高速轨道不同场景下的覆盖方案进行研究。

2 轨道场景TD-LTE组网方式

根据轨道场景的特点，从规划组网的角度考虑减少切换以及多普勒频偏对网络性能的影响，同时需要考虑与周边宏网络的融合，所以在设计小区覆盖时要求呈现带状，小区与小区之间呈链形结构。根据此特点，通常要求站点距离铁路近一些，采用窄波瓣高增益的天线覆盖。

考虑到列车穿越的地区较多，地形多变，站址选择困难，多采用BBU+RRU光纤拉远型的分布式基站进行覆盖。每个RRU与一个双极化的定向高增益天线相连，分别覆盖两侧的铁路。每个RRU可称为一个子站，为节省站址资源，子站通过光缆连接到集中放置的BBU处。

高铁速度较快，频繁的切换会带来通信的效率降低，因此宜采用以下两种方法减少切换次数。

（1）SFN（Single Frequency Network，单频网）组网

SFN是将多个RRU合并为一个逻辑小区，相比普通情况下每个RRU各自为一个小区的组网方式，SFN小区内各RRU控制信道没有干扰，反而可以通过联合收发获得增益。SFN组网要求每个RRU都分别和BBU连接。

（2）RRU级联组网

RRU级联组网是将多个RRU级联成一个逻辑小区，RRU之间通过光纤级联，只有靠近BBU的一个RRU和BBU连接。

SFN和多RRU共小区组网技术极大地拓宽了单小区的覆盖范围，不同子站之间不再需要切换，以1个BBU配置6个子站共小区为例，通过共小区组网形成连续覆盖区域，移动台在穿越该覆盖区域时只发生入小区切换和出小区2次切换，而之前每个子站独立小区，覆盖时整个区域内将发生7次切换。可见，SFN和多RRU共小区组网有效减少了切换，在6个子站共小区组网时，覆盖区域的切换次数减少71.43%，同时由于切换区域都需要规划相应的重叠区域保证切换，而SFN或者RRU级联组网的同一个小区的RRU之间不需要预留重叠区作为切换带，因此采用6个子站共小区时，切换重叠区域也减少了71.43%，有效提升了覆盖效率，从而保证了整个覆盖的切换成功率和服务质量。

多RRU共小区组网与传统组网对比如图1所示：

值得注意的是，虽然以上两种方法减少了切换，但是容量也会下降，因此应预测一个小区内的列车数量，在保证容量的基础上，采取小区合并。切换不仅涉及到与周边大网宏基站的邻区关系，还会涉及到与周边大网间的干扰问题，因此应充分利用铁路线型覆盖的特点，形成链型邻区，优先切向链型邻区，保证向运动方向前方切换。对高铁进行链式小区结合多RRU共小区覆盖，才能从根本上解决高速铁路覆盖问题。

3 轨道沿线覆盖方案

3.1 天线选型

为了增加单基站的覆盖距离，减少切换次数，一般采用高增益窄波瓣天线对高铁进行覆盖，这样不但可以弥补多普勒频移对性能的影响，又可以增大覆盖距离。如果需要兼顾覆盖周围区域，则选择普通定向天线；如果覆盖线路的弧度较大，则选择宽波束天线；如果弧度较小则选择窄波束天线。

常用窄波瓣天线天线性能指标如表1所示：

3.2 站间距的确定

（1）传播模型

高铁环境基站与列车之间基本没有阻挡，因此传播模型可以参照cost231-hata模型，公式如下：

Lb=46.3+33.9lgf-13.82lg（hb）-α（hm）+（44.9-

6.55lg（hm））×（lgd）γ+Cm （1）

其中，Lb为路径损耗，单位为dB；f为频率，单位为MHz；hb为天线的有效高度，单位为m；α（hm）为移动台天线高度修正因子，单位为dB；d为基站和移动台之间的距离，单位为km；γ为远距离传播修正因子；Cm为环境校正因子，单位为dB。

（2）链路预算

高铁通常位于城市的郊区地带，环境比较开阔，基站与列车基本呈直视径传输，综合考虑地形地物等相关环境的影响，本文场景模型选用农村模型。各项因子取值如表2所示。endprint

当RRU输出总功率为20 W时，对于单载波20 M带宽而言，其发射功率为12.2 dBm。根据以上分析，可得链路预算如表3所示。

根据表3链路预算表，高铁TD-LTE基站覆盖半径约566 m，在此基础上考虑列车时速为300 km/h，小区之间基站重叠覆盖区域约为300 m，则可得小区之间站间距为832 m（小区之间站间距=覆盖半径×2-重叠覆盖距离）。

4 隧道场景覆盖方案

4.1 隧道场景链路预算

（1）泄露电缆指标

一般泄漏电缆中仅采用某一移动通信制式时，采用收发共缆，若多系统合路则需要考虑系统间干扰共存，现有多系统合路器无法满足设计需求，则需要使用收发分缆建设。收发分缆和收发共缆的链路预算方法一致。

隧道的无线通信环境封闭，除了隧道口有信号渗入外，外面的信号很难传入，外部环境对内部覆盖影响小。

常用泄露电缆厂家指标如表4所示。

（2）链路预算

本文以RFS公司生产的泄漏电缆（RLKU158-50J）为例进行1800 MHz频段覆盖估算。

下行隧道边缘场强分别以-100 dBm和-110 dBm为目标进行链路估算，方法如下：

最大允许路损：PLmax=PRRU–（LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4+L5） （2）

各参数说明如下：PLmax：最大允许路径损耗；PRRU：RRU子载波的输出功率为12.2 dBm；LPOI（Point of Interface）：POI系统的插损，一般POI插损为5 dB；Pdes：接收端的覆盖电平要求，此处为-100 dBm或-110 dBm；L1：泄露电缆95%、2 m處的耦合损耗；L2：人体损耗，LTE主要为数据业务，暂不考虑人体损耗，默认取0 dB；L3：宽度因子，取4 m；L4：车体损耗，同链状覆盖场景，1.8G频段为24 dB；L5：馈线和接头损耗。

根据泄露电缆损耗指标S（每百米损耗值），即可计算出满足覆盖目标下的RRU最远覆盖半径D=PLmax/S，具体如表5所示。

根据以上链路预算，可估算出隧道内相邻站点的最大间距（重叠覆盖区域以列车300 km/h的速度为例，重叠区域设置为300 m）：

RRU间距=2×RRU覆盖半径-重叠覆盖长度 （3）

小区之间RRU间距表如表6所示：

根据以上结果，在中长隧道以及长隧道区间使用泄露电缆覆盖，并且集约化建设使用POI的情况下，为确保覆盖，RRU的间距需要设置在386 m以内。

4.2 短隧道覆盖方案

短隧道一般小于200 m，可以直接使用一个小区加窄波束天线进行隧道内的覆盖，信号源可以采用从隧道外RRU耦合一部分信号或者直接使用一个RRU的信号。

如果存在隧道弯曲等情况，而且对隧道信号质量要求比较高，则可以使用泄漏电缆对隧道进行覆盖。

建议隧道出口的基站和隧道内组成一个共小区，使小区间切换在隧道外及早完成，避免高铁列车快速进入隧道可能导致的掉话或切换失败。若隧道长度无法满足两个隧道口外基站和隧道内成为一个小区，尽量选择一侧隧道外基站进行共小区组合，示意图如图2所示：

4.3 中长隧道覆盖方案

中长隧道一般为200～500 m，可以直接使用一个小区加泄露电缆或者多个窄波束天线进行隧道内的覆盖，一般使用泄露电缆效果比较好。信号源可以采用从隧道外RRU耦合一部分信号或者直接独立使用一个RRU的信号，示意图如图3所示。

4.4 长隧道覆盖方案

长隧道一般大于500 m，则需要考虑单独使用一个RRU或多个RRU来进行覆盖，在隧道内使用泄露电缆，示意图如图4所示：

如果有条件，可以将图4中隧道出入口外两侧的基站同隧道出入口的RRU合并成一个小区，可以降低高铁列车进出隧道的掉话风险。

4.5 连续隧道覆盖方案

连续短隧道组成的隧道群，若隧道间距较小，建议采用泄漏电缆覆盖隧道间空隙段，若连续隧道间距较大，则采用隧道口安装天线进行覆盖。

5 结论

通过对高速轨道交通特点的分析，传统的覆盖方式不能很好地解决TD-LTE在高速轨道各种场景下的覆盖问题。本文针对TD-LTE在高速轨道场景特点的分析，提出了与其相适应的组网方式、特有的天线选型以及基站间距的设置，从而应用到不同高速轨道场景下的覆盖解决方案中。

参考文献：

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[11] 张晓刚，王维民，张强. TD-LTE高铁覆盖解决方案[J]. 信息通信， 2014（5）： 229. ★endprint