运营商之间高铁场景深度合作浅析

向渊，王科伟

（北京中网华通设计咨询有限公司, 北京 100070）

运营商之间高铁场景深度合作浅析

向渊，王科伟

（北京中网华通设计咨询有限公司, 北京 100070）

高铁行驶速度远高于普通铁路，传统建设方式不能完全满足高铁覆盖要求。根据兰渝高铁广安支线的实际案例，对高铁场景提升用户感知、低成本覆盖以及运营商之间深度合作方式进行分析研究，总结积累经验，探索更优的设计方案。

高铁；深度合作；小区合并

2014年12月底，中国200 km/h以上的高铁已超14 000 km，2020年将超30 000 km。高铁作为高等级交通干线，高端用户众多，用户感知的优劣将极大影响运营商品牌，因此高速铁路必将成为运营商竞争新战场。

与此同时，由于高铁速度快、车辆相对较少，单站业务量并不大。并且高铁基站站距较近，隧道泄露电缆价格昂贵，投资一般都比较大，因此如何平衡用户感知与投资效益，低成本快速的实现高铁覆盖是运营商面临的一个难题。2016年年初，某两大运营商之间签署战略合作协议，将深入推进网络共建共享，加快网络覆盖，提升网络的服务能力。本文根据兰渝高铁实际案例，对高铁场景覆盖难题、深度合作进行分析研究，总结积累经验，探索更优化的设计方案。

兰渝高铁为时速160～250 km的一条快速铁路，兰渝高铁广安支线又称兰渝铁路南高支线，该线路于2014年8月8日建成通车，是兰渝高铁的重要组成部分。

1 高铁无线覆盖需要解决两大问题

1.1 多普勒频移

多普勒效应：列车高速运动将会导致接收端接收信号频率发生变化，频率的变化将降低接收机的解调性能，多普勒频移计算方法：

其中V为车速，C为光速，f为工作频率；由于cosθ的存在，列车在小区边缘时频偏最大，因此应合理控制站点与铁路间距，避免天线覆盖方向和铁路平行。

1.2 频繁小区切换

高铁列车穿透损耗大，为满足覆盖目标，单RRU覆盖范围不会太大。若在无多RRU小区合并的情况下，假设列车以200 km/h速度运行，则列车每15 s左右将进行一次小区间切换，频繁的小区切换将极大降低网络的性能。

2 深度合作方案

2.1 深度合作目的

某两大运营商开展深度合作的主要目的：以实际行动深入贯彻落实“十三五”规划提出的“创新、协调、绿色、开放、共享”的发展新理念，开放、共享包括网络、业务和服务在内的各类资源，以及探索业务、资本等各层面的合作。

2.2 深度合作必要性

运营商之间深度合作可以有效支撑业务发展。加快网络覆盖，节约设备投资。可以提升网络的服务能力，在重大灾害、突发事件及重要保障情况下互相协助业务恢复，提高双方应急通信保障能力；通过增强网络互联互通，提升双方用户服务感知。

2.3 深度合作方案

2.3.1 总体架构

两运营商之间4G深度合作采用MOCN（Multi-Operator Core Network)方式，即两运营商仅共享RAN，核心网独立，如图1所示。

图1 深度合作总体架构图

基站共享：单个基站同时虚拟为A运营商和B运营商基站，同时为双方用户服务。

业务层面：不需要改造，各自发展。

承载网：双方承载网以VPN方式互连，通过承载B与B运营商IPAN省网、UTN/IPRAN两种方式实现承载网络互通。

无线网：所有厂家的4G基站均可升级或直接打开功能支持共享，共享的最小颗粒度为单个基站（包括BBU、RRU、天线等），共享基站需要同时接两家运营商的核心网。

用户及终端：用户无感知，不降低业务和体验，也不需要做业务开通关闭，终端基本无要求；语音策略维持原有，无需变更。

2.3.2 基站共享方案

双方基站深度合作可以分成独立载波方式和共享载波两种方式。

独立载波方式如图2所示，是指A、B运营商各自拥有独立的频谱资源，只共享eNode B的硬件资源，物理上是一个基站，但内部逻辑上是两个独立的基站。

图2 独立载波方式

共享载波方式如图3所示，是指A运营商、B运营商之间共享基站资源，包括频谱资源和eNode B硬件资源，即物理和逻辑上都实现共享。

两种共享方式特性比较如表1所示。

图3 共享载波方式

广安运营商之间本次深度合作采用独立载波方式。A运营商和B运营商各配置一个独立的载波，要求设备工作频段至少支持1840～1880 MHz，IBW至少40 MHz。每个独立载波只广播各自运营商的PLMN。每个运营商可以配置独立的小区级特性参数。A运营商和B运营商终端在各自独立的载波作业务，不需要考虑复杂空口资源分配和控制算法。A运营商和B运营商各自使用自己的频点，保持与周边非共享站以同频组网为主。

3 站点设置方案

3.1 站距规划

根据规划指标要求，LTE边缘接收电平：-110 dBm，上行边缘：512 kbit/s，下行边缘：2 Mbit/s。

满足此要求的不同站高的站距规划如下：

郊区：站高20 m，发射功率40 W时，RRU背靠背组网小区半径可以达到750 m，站间距可以达到1.3 km。

郊区：站高30 m，发射功率40 W，RRU背靠背组网时，小区半径可以达到850 m，站间距可以达到1.5 km。

3.2 站点高度

天线相对铁轨高度在10～20 m为宜，如果站轨距离远，可适当提高，以保障高铁覆盖效果。

3.3 站轨距离

信号与列车入射角小于10°时，穿透损耗明显增大。城市站轨距建议小于100 m，农村建议小于200 m，以确保高铁小区对轨道形成有效主覆盖。

3.4 天线选择

根据场景选择天线类型，以保障对高铁的有效覆盖。不同增益天线应用情况如下。

21 dBi窄波束天线：站间距较大，站轨距小于200 m区域。

18 dBi宽波束天线：站间距正常，站轨距大于200 m区域。

3.5 站点规划结果

本次站点建设采用小区合并技术。以便解决列车高速移动过程中小区频繁切换导致的掉话等问题，如图4所示，广安化龙渡口村、广安化龙乡规划及广安化龙倪家村共用一台BBU，3个基站共6个RRU合并为一个小区。全程切换比例大幅降低为传统LTE方案的1/12，降低掉话风险，保障了用户感知，利于提升呼叫成功率、平均下载速率以及切换区速率。

表1 独立载波共享载波方案对比表

图4 BBU集中举例

4 共享站点参数规划

4.1 eNode B ID规划

ECGI（E-UTRAN Cell Global Identifer）为 E-UTRAN小区全局标识符，ECGI由PLMN，eNode B ID， Cell ID三部分组成，用于在全球范围内唯一标识一个小区。

eNode B ID：标识LTE网络中的基站，共20 bit，组成5位16进制数（X1X2X3X4X5），X1X2由集团统一规划分配，其余3位16进制编号（X3X4X5）由各省自行分配，两运营商均采用此规则。

Cell ID：基站的小区标识，共8 bit，由两位16进制数（X6X7），A运营商方面由省分公司自行分配，B运营商要求：其中X6用于区分频段和eNode B ID跨省复用的基站、X7用于频段下的载扇标识。如图5所示。

4.1.1 存在的问题

由于基站设备只能使用一个eNode B ID，共享基站按照A运营商或B运营商分配号段进行编号，可能导致一方与现网发生冲突，从而引起漫游计费问题（B运营商），属于独立载波、共享载波共有问题。

图5 ECGI组成

4.1.2 解决方案

根据相关规则，B运营商已经采用非相邻省间eNode B ID跨省复用的模式倍增编号资源以应对今后LTE基站扩容的需求。为区分eNode B ID跨省复用的基站，eNode B ID“主用省”基站的Cell ID最高位bit为0，eNode B ID“复用省”基站的Cell ID最高位bit为1。实际复用号段使用率非常低。

根据A运营商的调研反馈情况来看，安徽、北京、吉林、江西、上海共5个省占用了Cell ID最高位。集团运维部将采用非相邻省间eNode B ID跨省复用的模式倍增编号资源方式，复用通过Cell ID最高位bit进行区分，即对采用相同eNode B ID的基站，“主用号段”基站Cell ID最高位bit编为0； “复用号段”（绿色部分）的Cell ID最高位bit编为1。将“复用号段”中部分资源用于共享基站。

具有可扩展性，满足未来LTE规模扩大的需求；但是可能出现相邻省间eNode B ID不复用。eNode B ID在S1/X2接口用于连接建立、用户切换等信令过程，需要详细分析规划避免出现此问题。

4.2 TAC规划

TA（Tracking Area）：即UE不需要进行位置更新的自由移动区域，是LTE系统为UE终端的位置管理设立的区域划分概念。跟踪区主要实现对UE终端位置的管理（寻呼管理和位置更新管理），UE通过跟踪区注册告知EPC自己的跟踪区号。

TAI（Tracking Area Identity）：即LTE的跟踪区标识，由PLMN和TAC两部分组成。

PLMN（Public Land Mobile Network）：公共陆地移动通信网，标识运营商网络号。

TAC(Tracking Area Code)：共 16 bit，组成4位16进制数（X1X2X3X4），X1X2由集团统一分配，X3X4由省份自行分配，两运营商均采用此规则，但分配省份号段不一致。如图6所示。

图6 TAC组成

4.2.1 存在的问题

TAI在LTE小区和EPC上均有配置。单个EPC上可配置多个TAI；多个小区可配置相同的TAI，但一个小区只能配置一个TAI。

独立载波方案，A运营商和B运营商各自一个频点，小区独立，TAC也可以由各自独立规划。

共享载波方案，A运营商和B运营商共享频点，小区共享，TAC也必须共享，需要按照A运营商或B运营商规则进行编号，可能导致一方与现网发生冲突，从而引起漫游计费等问题，属于共享载波专有问题。

4.2.2 解决方案

目前A运营商TAC编号按照每省1个号段进行分配，共使用31个号段。根据A运营商各省调研反馈情况，目前不存在使用非总部授权范围的TAC号段情况，因此TAC编号预留资源相对丰富B运营商为便于管理，TAC的前两位16进制编号（X1X2）与eNode B ID（X1X2）编号的分配表相同，已经全部分配。但根据B运营商反馈的《eNID及TAC号段使用情况调查表》，TAC号段实际占用率较低，各省均有大量预留。综合考虑两家TAC实际分配及使用情况、B运营商需求（TAC与eNode B ID编号相同），建议从B运营商已分配号段中选出未使用的且与A运营商未分配的，统一分配号段用于共享区域的TAC编号。目前双方运维已协商达成一致，为各个省份分配专有号段（ 1～2个）用于共享基站。

5 结束语

本次双方深度合作建设的高铁室外基站达24个，有效缩短高铁动车4G建设工期，根据集团公司“无线网络深度合作节省估算标准”，预计可节省工程投资达156万元，并节省了后期基站维护、水电费等费用，减少了运维成本支出。

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AbstractThe traditional base station construction can not fully meet the requirements of high-speed rail coverage,because the speed of high-speed rail is higher than the ordinary railways. According to the actual case of Guangan branch of Lanzhou-Chongqin high-speed railway, mainly analysis and research how to inhance user’s perception, how to do the coverage with low cost and the way of cooperation between the operators, summarize experience and explore a better way of communication design.

Keywordshigh-speed rail; deep cooperation; cell combination

A brief analysis of high-speed rail scene cooperation between the operators

XIANG Yuan, WANG Ke-wei
(China Comm Design & Consulting Co., Ltd., Beijing 100070, China)

TN929.5

A

1008-5599（2017）10-0063-05

2017-06-16