APP下载

省际首条高铁联通LTE网络覆盖策略研究

2020-07-10康宏建

江苏通信 2020年3期
关键词:专网损耗站点

康宏建

中国联通呼和浩特分公司

0 引言

呼张(呼和浩特—张家口)高铁作为内蒙古首条高铁,其意义非凡。它不仅是国家铁路网通道重要组成部分,还是“三北”地区联系的重要通道和地区经济发展的重要象征,更是人们“高速出行+高速上网”当代生活的标配。同时高铁也成为运营商们的新战场,尤其是LTE的覆盖,因为LTE的优质覆盖满足用户数据业务的同时,也为已开通的VOLTE 语音业务和5G建网奠定了良好的网络基础。该高铁途经内蒙古首府呼和浩特市、乌兰察布市和河北省张家口市,线路全长286.8km,设计时速为350km/h。全线设车站5座。全线隧道长度占全线总长度比例高达62%,其中最长东土村隧道长达4560m,大尖山隧道是5404延长米,共分为4座。全线特大桥6座、大桥12座,沿线最长的赛罕塔拉大桥长达13.8km。如此复杂地形的高铁线路,同时也给移动网络覆盖规划带来了全新挑战,采取什么样的覆盖策略去规划设计与实施全线的LTE覆盖,将是本文研究的重点内容及方向,最终以呼和浩特市至乌兰察布市段案例DT路测实际数据来验证了采用以下覆盖策略后的优质网络效果。

1 高铁LTE覆盖面临的挑战与对抗

呼张高铁LTE网络覆盖同样面临着所有高铁移动网覆盖规划建设的三大挑战与对抗:穿损大、频偏大、切换频繁。高铁全线穿越场景复杂、列车运行速度快、车厢封闭、基站间距较小导致了三大问题:列车高穿损的问题、多普勒频移问题、高速切换及重选的问题。对抗三大问题的方案是通过多普勒频移补偿算法解决多普勒频移问题,通过降低基站间距和限制入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。

2 高铁LTE网络的业务特征

2.1 话务量突发特性

铁路沿线一般情况是无列车经过时话务量、流量基本为零,反之当有列车经过时话务量和流量突然剧增,所以会出现忙时与闲时业务量波动较大的趋势。

2.2 边缘速率要求高

由于高铁上移动用户要比普通低速网络用户相对集中,所以在列车高速行驶中经过小区边缘时,要求的边缘速率要远远高于低速网络。

2.3 业务时延要求高

高速行驶的高铁列车,在业务时延方面提出了更高要求,无论在信道质量变化还是小区间不停地切换方面,对数据包转发的及时性等方面都提出了更高的要求。

3 高铁LTE网络质量目标与容量估算规划模型及覆盖目标分析

由于高铁场景的特殊性,业务质量目标要略低于普通低速移动网络的要求。针对容量规划估算、覆盖目标,本文将通过模型表格来加以说明。如表1、表2所示。

3.1 业务质量目标分析

表1 业务质量目标分析对比表

3.2 容量估算模型

表2 容量估算模型表

3.3 覆盖目标分析

指标名称:RSRP≥-110dBm的比例≥90%;SINR≥-5dB的比例≥90%;小区边缘速率-DL≥2.5 Mbps;小区边缘速率-UL≥0.512 Mbps;小区平均吞吐率-DL≥25 Mbps;小区平均吞吐率-UL≥10 Mbps,取值均为参考值。

4 高铁LTE整体组网策略及四大重点场景覆盖策略分析

目前高铁LTE组网方式分公网和专网覆盖以及同频和异频组网两大方案。公网覆盖高铁业务与低速业务是同一网络,没有专用频率;专网覆盖高铁,专网与公网重叠覆盖,需要专用频率,领区关系配置及优化是重点。同频组网是传统的覆盖方案,可以很好地利用公网优势兼顾高铁的覆盖。异频组网采用单独的频点覆盖,使用独立的参数配置来保证高铁的覆盖。各地组网方案选择需根据当地各运营商现有移动网络实际情况与运营商的长远发展而定。联通根据呼张高铁目前周边大网覆盖以及VOLTE用户普及率等情况,因大多数4G用户的CS业务还将通过CSFB方式回落到3G网络上去承载语音业务,所以呼张高铁LTE组网建议采用异频组网方案,呼张高铁采用与公网相同的频段(1.8GHz频段)组网,带宽也是20M。且根据地理区域区别,采取了不同的建设覆盖策略,建议分成两区域进行规划;城区部分优先采用异频组网,高铁沿线圈内宏站异频,圈外宏站同频来加强公网频谱利用率;郊区部分降低网络成本的同时要更好发挥频段优势,采用F频段(1840~1860MHz)覆盖。目前3G是专网,LTE建议同样采用专网呈线状延伸态形式去覆盖。个别3G沿线弱覆盖区域采用新增补站方式去覆盖,至此才能达到3/4G同步良好的覆盖效果。

4.1 高铁组网方式分析对比

4.1.1 两种组网方式对比

网络干扰方面:相比异频组网,同频组网存在干扰问题而异频组网无需考虑此问题,同时也避免了覆盖与容量的降低。只需考虑列车用户的需求,话务量低,不存在和周边用户抢夺资源的情况。

位置更新方面:对比同频组网,异频组网采用独立位置区,可大幅减少位置更新,降低因位置更新导致的寻呼失败、接入失败等一系列问题, 同时也避免大量高铁用户集中位置更新给周边用户带来的冲击。

4.1.2 网络性能指标对比

网络性能指标对比情况如表3所示。

表3 两种组网方式性能指标对比表

4.2 高铁沿线场景覆盖策略

4.2.1 高铁沿线场景覆盖策略

高铁沿线场景覆盖策略应该从三个方面考虑,即沿线、单RRU、多RRU。高铁沿线宏站应根据铁路线型特点,以直视径覆盖为主,主要采取链型小区连续覆盖的方案。

单RRU小区分裂,即eNB仅配置一个小区,单个RRU通过功分器引入两副天线,分别覆盖铁路相反的两个方向,即将一个小区分裂为两个扇区。此方案可以借助现网宏站实施密集和一般城区的高铁专网覆盖。对于深度覆盖弱的区域或盲区,除了采用现网分布式基站新增RRU拉远覆盖以外,小区分裂方案效果也会不错。

多RRU共小区,目前华为设备最大可实现六个RRU合并级联为一个小区,每个RRU 与一个双极化的定向高增益天线相连,分别覆盖抱杆两侧铁路。每个抱杆可称为一个子站,子站通过光缆连接到集中放置的BBU处(如图1所示)。建议采用双通道RRU进行覆盖组网,利用MIMO提升数据业务速率,同时采用多RRU小区合并来减少小区间切换提升网络性能。

图1 多RRU背靠背双向覆盖方案图

4.2.2 铁路沿线场景路损模型

铁路沿线场景路损模型(1/2)

传播模型:链路预算中可以借鉴WCDMA高铁设计经验以及具有很广泛适用性2G频段的Cost231-Hata模型来做,Cost231-Hata模型的具体公式和系数取值如下:

Total=Lu-a(Hue)+Cm

其中:

Lu=46.3+33.9×1g(f)-13.82×1g(Hrs)+(44.9-6.55×1g(Hrs))×1g(d)

a(Hue)=(1.1×1g(f)-0.7)×Hue-(1.56×1g(f)-0.8)

Cm场景修正值;密集城区(3)、城区(0)、郊区(-8)、农村(-15)

铁路沿线场景路损模型(2/2)

路径损耗=发射功率-总损耗-热噪声+天线增益-期望接收电平(说明:其中总损耗包括穿透损耗、馈线损耗等。)

计算出路径损耗后,将其代入Cost231-Hata模型公式即可得出覆盖半径。

4.2.3 铁路沿线场景覆盖半径计算

默认站轨距为200m时,站点高度35m的1.9G覆盖半径/km=0.96,2.3G =0.71,2.6G=0.58;站点高度20m的1.9G覆盖半径/km = 0.78,2.3G=0.59,2.6G=0.48;站点高度10m的1.9G覆盖半径/km = 0.61,2.3G =0.47,2.6G=0.39。

4.2.4 铁路沿线场景重叠覆盖区

重叠覆盖区距离的合理规划是完成业务连续性的基础,距离过小导致切换失败,过大增加了站间距。高铁列车经过两个不同小区的重叠覆盖区时,需要进行小区切换。覆盖中采用多小区合并技术时,同一逻辑小区不考虑重叠覆盖区,只在切换时考虑重叠覆盖区。而相邻小区需考虑充足的重叠覆盖区来保证终端在高速中的切换时间要求。规划小区间双向切换时,考虑重叠覆盖距离应为切换距离的2倍以上。切换的时延影响着重叠覆盖区的设计,切换时延是从LTE车载设备测量到目标小区信号强度高于服务小区信号强度某个门限开始,到切换完成所需时间。切换时延由三部分组成:A3切换测量维持时间、切换执行时间、时间余量。

4.3 隧道场景覆盖策略

由于呼张高铁延线的复杂性,隧道居全线占比非常高,其覆盖尤为重要,尤其是长隧道和连续短隧道的覆盖策略更是举足轻重。

隧道场景的特点是空间狭小封闭,存在填充效应,造成无线传播环境相对复杂。同时高铁隧道对设备形态和安装条件要求非常严格。通常的隧道覆盖方案包括RRU+定向天线、RRU+泄漏电缆两种。LTE系统高铁隧道场景建议采用RRU+泄漏电缆的覆盖方案,切换区域控制在隧道内或隧道外,避免在隧道口切换。

4.3.1 短隧道场景覆盖策略

建议隧道出口的基站和隧道内组成一个共小区,如图2所示。

图2 短隧道基站覆盖图

4.3.2 中等隧道场景覆盖策略

隧道长度在一个RRU共小区覆盖长度以内,则小区间切换需在两个隧道口外完成,隧道口外墙安装板状天线进行覆盖,如图3所示。

图3 中等隧道基站覆盖图

4.3.3 长隧道场景覆盖策略

隧道长度大于一个RRU共小区覆盖长度,则需要多个RRU共小区在隧道内进行覆盖,当前一个BBU下仅支持一个RRU共小区,如图4所示。

图4 长隧道基站覆盖图

4.3.4 连续短隧道场景覆盖策略

若隧道间距较小,建议采用泄露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,如图5所示。

图5 连续隧道基站覆盖图

4.3.5 隧道场景漏缆选型

隧道的无线通信环境特点为环境封闭,除了隧道口,外面的信号很难传入,对内部覆盖影响小;隧道内的覆盖规划需要重点考虑切换带的设置,避免因切换带设置不合理导致掉话。

下行隧道场景RSRP分别以-100dBm和-110dBm为目标进行链路估算,方法如下:

Plmax= P RRU-(L pol+P des +L 1 +L 2 +L 3 +L 4)

·P RRU:RRU的输出功率

·L pol:POl系统的插损,一般设计要求POl插损小于6dB,此处取5dB

·P des:接收端的覆盖电平要求,此处为-100dBm或-110dBm

·L 1:泄露电缆95% 2m处的耦合损耗

·L 2:人体损耗,LTE主要为数据业务,暂不考虑人体损耗,默认取0dB

·L 3:宽度因子,L 3 =10lg(d/2),d为移动台距离漏缆的距离,默认4m

·L 4:车体损耗,同链状覆盖场景,1.8G频段24dB

4.4 车站场景覆盖策略

车站场景的覆盖主要采用室内分布系统进行覆盖,但在覆盖策略上要求相对更加合理地去规划设计与实施。

4.4.1 大型车站场景覆盖策略

覆盖涉及车站的RRU共小区覆盖长度控制在3km左右,避免大量非高铁用户的渗透导致整体KPI指标下降。车站作为用户从公网到专网的出入口,对移动性管理要求较高,其中过渡区需要建立双向邻区关系,其他情况只需要单向邻区关系即可。对于大型车站,一般建议车站站台及候车室建设室内分布小区。专网小区(站台)与公网小区(站前广场)之间在火车站须建立切换关系。为控制公网与专网小区之间的切换,需建立过渡切换小区(火车站)。过渡小区(火车站)通过在火车站建立室内分布系统实现。

4.4.2 小型车站场景覆盖策略

小型车站无法建设室分系统,站台规模较小,站台区与候车区处于同一平层,车辆停车时间在3分钟以内。站台主要依靠高铁专网小区覆盖。小型站台避免出现在RRU共小区的边缘,导致后期优化困难。入口小区选择站台上的主导覆盖公网小区,为避免大量非高铁用户进入高铁专网,入口小区只能选择1个。

4.5 桥梁场景覆盖策略

根据呼张高铁特大桥(赛罕塔拉大桥13.8km)的覆盖需求,对于特殊场景桥梁的覆盖项目规划与实施是一个全新的挑战。采用桥上架设天线难度较大,需按照桥梁长度和现场环境合理选择覆盖方案。具体覆盖大策略是:短距离桥梁采用宏站+RRU拉远,长距离桥梁采用宏站+RRU拉远和分布式+RRU级联方式进行线性覆盖。对于桥梁长度不足站距一半的场景,建议选择一端桥头建站。如若桥梁长度与站距相当的场景,建议选择两端桥头建站。对于特大桥无法设站的,可以合理利用桥体电杆架空安装RRU或泄露电缆解决。

4.6 站点布局建议

4.6.1 交错站点布局

对于沿线的直线部分可以采用最佳效果的“之”字型站点布局方案(如图6),高铁站点的选择应尽量交错分布于铁路两侧,以助于改善切换区域,并利于车厢内两侧用户接收信号质量相对均匀。

图6 线状“之”字型交错站点覆盖示意图

4.6.2 拐角站点布局

拐角站点规划中,如果场景是郊区,拐角区域应选择拐角内进行站点规划,有助于减小基站覆盖方向和轨道方向夹角,减小多普勒频移的影响,如果场景是城区,可选在拐角外侧进行站点规划。

4.6.3 站点与轨道距离

运营商不同,站点与轨道之间的规划距离也不同,首先考虑在铁路运营部门红线区域以外规划建站。入射角度制约着穿透损耗,避免“塔下黑”情况,减少多普勒效应等因素,要求必须合理规划基站距轨道之间的距离。站点与轨道距离必须大于铁塔高度。综上所述,站点与轨道距离最好控制在100~500m范围内。

4.6.4 入射角选择

不同车型,入射角也会产生不同的穿透损耗。当信号进入车厢,垂直入射时的穿透损耗最小,反之入射角越小,穿透损耗越大。因此,基站垂直与铁路距离越近时,覆盖区域的边缘信号进入车厢的入射角越小,穿透损耗就越大。实际测试表明,当入射角小于10°以后,穿透损耗增加的斜率变大,呈现快速上升态。只有控制好入射角,才能更好地满足轨道覆盖目标要求。图7是入射角度与列车穿透损耗对应图。

图7 入射角及列车穿透损耗对应图

4.6.5 高铁站间距计算与规划原则

高铁站间距计算:高铁站间距规划各运营商都不同,中国联通也根据不同场景出台设置了本企业的原则。依据前面的最大穿透损耗车型和链路预算方法以及传播模型的测算,可以计算出满足RSRP>-110dBm情况下的覆盖半径。再按切换时延计算出重叠覆盖距高。根据勾股定理可知,高铁的相邻站点之间的距离计算公式应为图8所示。

图8 站间距计算公式图

高铁站间距规划原则:高铁站间距规划更具复杂性,从车体穿透损耗方面应以高穿损车型为参考模型,其中CRH380B、CRH5等车型的穿透损耗都在22~29dB范围内,而列车时速方面应按250~350km/小时范围内考虑,因为时速对多普勒效应和切换成功率两个方面影响极大。对于密集城区场景与郊区场景需要分开考虑站点间距的规划。

5 呼张高铁覆盖实际测试情况分析

呼张高铁在内蒙古境内是211.3km,按照上述LTE规划策略进行了专网物理站点覆盖、平均站间距为1.5km左右、站点与轨道距离平均为200m左右等规划实施后,以呼和浩特东至乌兰察布段(简称呼乌段)126km的DT实测数据为例,其中大小车站共3座,各种隧道19座,各种桥梁74座。呼乌段高铁LTE网络覆盖、路测及指标情况如图9所示。从整体实测数据指标分析来看,RSRP指标≥-100dBM,同时SINR≥-3dB的达标率为97.13%,上/下行平均吞吐率为23.8 Mbps/40.06 Mbps。

图9 呼张(呼乌段)高铁LTE网络覆盖及DT路测图

6 结语

通过呼张高铁(呼乌段)的实测情况,无论连接还是切换成功率方面,整体性能都能达标,也反映出只要合理规划,根据具体实际情况采用正确的覆盖策略去应对,最终是可以在达到良好覆盖的同时满足用户体验感知的,这也是本论文研究的核心目标,希望能给其他高铁LTE网络覆盖规划带去实用的借鉴价值。

猜你喜欢

专网损耗站点
基于Web站点的SQL注入分析与防范
无线专网通信在武汉配电自动化中的应用
定制私家影院系统中的传输损耗(上)
无线通信技术在电力通信专网中的应用
节能评估中变压器损耗的简化计算方法探究
积极开展远程教育示范站点评比活动
首届欧洲自行车共享站点协商会召开
怕被人认出
基于降低损耗和控制投资的变压器容量选择
2015年预测:逐步普及化的私有云