高铁场景网络质量和用户感知提升方法

梁松柏，郭颖悟，李新卫

（中国联合网络通信有限公司河南省分公司，河南 郑州 450008）

1 引言

高铁已成为我国最大规模的人口流动承载工具，最大限度提升高铁用户业务体验和感知成为运营商塑造网络口碑的一大挑战。中部某省为“米”字型高铁汇集区。该省成立专项组，每完成一条高铁专网覆盖，都按照集团技术规范和标准要求，采用路测加后台分析方法发现问题，以及采取多RRU小区合并解决频繁切换、多载波加低速用户迁出解决容量等一系列高铁网络特性功能提升用户感知。自京广高铁开通至今，6年时间下发14 000条问题调整工单，累计投入优化费用1 200多万元，京广等关键线路SINR≥0的比例仅为83.9%左右，无法从根本上解决SINR差、VoLTE掉话、上网慢、用户体验差、投诉多等问题。

本文以高铁用户质量和业务感知提升为目标，旨在构建一套干线优化理论体系，并提出与该理论匹配的、可变现的简单操作方法，解决现有干线质量提升无系统性解决方案以及效果有限的困境，供运营商在所有交通干线场景快速复制和推广。

2 优化原理

2.1 理论分析

造成高铁SINR差、VoLTE掉话多、感知频繁被人诟病的原因有很多，排除故障告警、断站等运维因素，现有方法仅着眼于掉话、切换失败、单个SINR差等表象问题；或依赖加载某项功能特性改善一类的问题；实际效果事倍功半。其根本原因是，问题根因定位不准，缺乏基于根因的体系化方法，具体为覆盖控制不合理、干扰导致数据无法正常解调、容量厚度不够。要彻底解决以上问题，需从其原理着手，并解决实施顺序。

高铁网络和大网类似，需要优化解决覆盖、质量和容量问题，最终实现用户感知提升。

（1）移动网覆盖，指终端接收到的网络信号电平值高于某种基本业务的信号解调门限，是为终端提供基本网络质量的第一位因素。反之则为弱覆盖或无覆盖。

（2）移动网质量，主要针对网络或终端的接收机灵敏，接收机灵敏度包含接收信号的解调门限SNR，是指定的误码率下的信噪比。

其中，K是玻尔兹曼常数，T是绝对温度，B是带宽，NF是系统噪声系数（一般为常数3～4 dB）。KT=-174 dBm；解调门限是基带最低解调信噪比，是第二位的因素。

对于4G和5G网络，主要通过信号与干扰加噪声比（signal to interference plus noise ratio，SINR）衡量网络质量高低，并可与解调门限进行比较。

其中，Signal为测量到的有用信号功率，主要测量的信号和信道包括RS、PDSCH；Noise为底噪，与具体测量带宽和接收机噪声系数有关，为式（1）中的10lg(KTB)+NF；Interference为测量到的干扰信号的功率，包括本系统其他小区的干扰以及异系统的干扰：对于同频组网的4G和5G网络，Interference信号可以简写为：

其中，RSRPn表示所有与服务小区同频的、邻区的信号强度之和。有用信号Signal为-80 dBm，所有邻区信号和为80 dBm时，若不考虑本小区底噪，则该终端计算的小区SINR为0；可见，邻区信号越与服务小区信号接近，影响越大。若SINR小于解调门限SNR，则数据无法解调。

（3）移动网容量，受频率复用和同频干扰控制等因素影响较大，需要在网络覆盖和质量的基础上考虑。比如在4G和5G中，网络或终端采用MCS方式，与SINR映射的CQI密切相关。

CQI、MCS与编码效率关系见表1，同样采用64QAM调度，CQI=10和CQI=12编码效率提升43%左右，以现网20 MHz带宽的L1800网络来说，CQI从10提升至12，容量提升幅度相当于建设一个10 MHz带宽的基站。质量控制是用户感知速率的保障基础。

覆盖电平高低影响业务基本保障门限；邻区信号控制影响服务小区的SINR；而SINR高低又影响网络容量；以上因素最终影响用户感知。

2.2 优化理论及实现方法

基于以上分析，为控制手机在空闲态和连接态行为，确保手机和基站能够正确解调出有用信号，提出了交通干线“覆盖有主、重选合理、切换有序”的“切换链”优化理念。当网络信号在接收机最低接收门限之上时，称为有效覆盖，而一个基站覆盖范围与其规划设计目标相符，称为覆盖有主；重选合理，确保移动用户在最合适的小区发起业务接入；切换有序，保障移动用户正在使用的业务在最合适的小区顺畅迁移。

为实现这个目标，又提出3种交通干线的优化方法，即“先覆盖控制提质量，再参数优化稳质量，再特性加载保感知”的三层实践优化模型，并匹配如下实际操作方法，实现高铁网络质量和用户感知稳步快速提升。

2.2.1 第一步：覆盖控制提质量

网络覆盖不合理、越区覆盖或覆盖不足，都与覆盖有主相悖，会导致终端在空闲态选择、重选以及接入网络时出现问题；在业务态则会造成终端频繁切换或乒乓切换、切换不及时、切换过早等问题。为实现覆盖有主，解决办法如下。

（1）空闲态、业务态DT，采集重选、切换数据，或采集MDT数据获取空闲态和业务态网络信息。

· 多终端多轮空闲态和业务态拉网测试获取数据。规避单一终端、单次拉网数据带来的随机性和突变性。

· 基于MDT的数据采集方式，采集一定时间周期内，该线路所经终端上报的MR数据，反映网络性能。

（2）基于拉线图的覆盖分析，发现覆盖、重选、切换问题

借助路测分析软件，拉线关联分析功能，将空闲态和链接态数据关联服务小区，快速发现网络覆盖问题。如图1（b）所示，非专网基站南曹站越过其周边第一圈邻区，成为覆盖该高铁路段的大网小区，南曹基站为越区覆盖。

表1 CQI、MCS与编码效率关系

图1 不同线型场景网络覆盖拉线图举例

同理，基于MDT数据的分析软件也支持以上空闲态和链接态的覆盖分析。但需注意选取具有高精度经纬度的MRO数据。

通过多终端测试数据的经纬度偏移设置对比分析，可快速发现空闲态和业务态的网络覆盖不一致问题。4个终端拉网测试数据在经纬度一定偏移的基础上形成的采样点覆盖图如图2所示。

在永城芒山赵楼东电信（高铁）F388附近，几乎4个终端在该路段出现相邻两个小区互相深度交叉覆盖的问题，说明该路段铁定存在问题。同时不同终端在该路段两个小区间存在4次切换问题，是典型的覆盖不合理导致的频繁切换和乒乓切换问题。

越区覆盖的标准在业内暂无定论。但如果以移动无线网络规划建设为目的，就能得到很好的标准。做网络规划时，经常会对网络进行补盲；基于视距传播原理，补盲站一定要建设在补盲中心区域高点，解决该区域网络覆盖问题。其核心思想是：补盲站是解决该盲区的覆盖问题。反之，若该补盲站覆盖至其他非规划区域，即意味其对该区域原有基站造成干扰。

图2 4个终端高铁同一路段覆盖情况

因此，一般以目标基站与其周边第一圈非共站邻区覆盖范围为基准，合理覆盖范围应该为目标基站覆盖距离不超过与其第一圈邻区的2/3的距离为好。但无线电磁波传播存在波动性，实际上这个标准比较苛刻且难以实现。因此可以定义为目标基站覆盖范围不能超过其非共站第一圈邻区为优。这也就是拉线图发现网络覆盖问题的理论依据。

以上问题的解决手段：建议天馈调整控制覆盖。降功率、优参数等手段都是治标不治本的权宜之计。通过天馈调整，确保网络有比较好的覆盖结构，为网络质量的保障打下基础。

优化前后的覆盖情况对比如图3所示，小毛庄西南（高铁）F附近与葛埠口乡徐庄村（高铁）北小区覆盖不合理导致重叠交叉覆盖，电平值相差2 dB内，引起同频强干扰质差，SINR为3.299 dB，无法保证业务质量。通过天馈调整覆盖后，SINR提升至9.899 dB，SINR提升近13 dB。

2.2.2 第二步：参数优化稳质量

（1）常规参数优化

覆盖控制到位后，还需根据交通线快速移动特性对重选、切换、邻区参数以及定时器等做有别于大网的调整和优化，进一步保障覆盖控制效果，确保终端按照网络策略在既定基站或小区之间有序移动，实现重选合理和切换有序的目的。高铁场景部分可优化参数见表2。

图3 优化前后的覆盖情况对比

表2 高铁场景部分可优化参数

高铁场景与大网部分参数对比实例见表3。

（2）载波功率调整

下行功率富余能给单用户提供更多的功率资源，支撑更高的速率。因此20 MHz带宽载波功率可由20 W调整为30 W或者更高，主要用于解决100 m内弱覆盖或小区功率拥塞问题。

该策略执行后，某高铁路段实地验证，整体下行感知速率由16.98 Mbit/s提升至18.99 Mbit/s，低于10 MHz带宽小区占比由于12.76%下降至1.85%。20 MHz带宽载波下行感知速率由22 Mbit/s提升至27 Mbit/s。

2.2.3 第三步：特性加载保感知

终端移动速度快产生的多普勒频偏，可以采用纠偏技术降低频偏影响；因公网用户占用专网小区，影响小区承载容量，应用低速用户迁出功能将公网用户迁出高铁专网；在低速小区开启高速返回功能，可将高铁用户迁回至专网小区。120 km下非高铁其他干线场景，因用户高速移动特性、用户集中度不明显，则可忽略此步骤。

（1）多普勒频移补偿

当列车驶向基站，合成频率增加，波长变短；当列车驶出基站时，合成频率减小，波长变长；以列车经过基站轴线频偏为0，可计算得出具体频偏，见表4。

开启频率补偿功能，修正上行频率偏移，确保基站接收机具有更好的解调性能，实地验证上行用户速率提升6%左右。下行频率纠偏补偿，主要靠终端支持能力实现，目前，高通芯片终端对频移补偿纠错能力为-1 000～500 Hz，500～1 000 Hz。另外，部分设备厂商可根据上行频偏反馈，进行下行预纠偏补偿，实地验证用户速率增益为6%～8%。

（2）高速用户优先调度

算法实现的原理：首先，对高铁专网终端，通过基带测速功能判决高低速用户，并在速度状态跳变时上报给高层。高层对速度状态发生跳变的NGBR业务进行QoS优先级的重配置，完成重配之后将重配信息下发给基带执行。其次，基带实时按照业务的QoS配置，进行QoS排序，当出现高速终端时，高速终端的NGBR业务承载调度优先级会比低速驻留用户要高，调度的流量以及RB数明显高于低速终端。

算法实现的前提：在保证高速用户和低速用户最低QoS需求的基础上（即满足GBR业务承载的GBR速率和Non-GBR承载的MinBR（下行）/PBR（上行）要求），将剩余资源绝对优先分配给高速用户。

表3 高铁场景与大网部分参数对比实例

表4 高铁场景不同时速下的频偏情况

由于要求保障低速用户最低QoS需求，意味着不能采取ARP中的强制方式。即不能使能抢占能力（pre-emptioncapability）和被抢占能力（pre-emptionvulnerability）两个参数。

（3）低速用户迁出

原理为列车高速运动会导致接收端接收的信号频率发生变化，根据多普勒频移，反向求出列车速度，做低速用户判决，然后通过切换手段将低速公网用户“赶出”高铁专网。

假设高铁由1 650和375频点双频组网，由1 506频点（与高铁专网共站址）桥接公网1 650和375频点，如图4所示。

相关策略举例如下。

· 高铁专网，高铁375载波和1 650载波采用平行组网，切换启动门限-114 dBm，重选启动门限-116 dBm。

· 低迁策略：高铁375载波和1650载波单向低迁至1506大网载波，设置1 506载波为低优先级，高铁375载波和1 650载波内部为同优先级。低速用户低迁至1 506载波，高速用户驻留在1 650载波或375载波，当覆盖和质量不满足需求时，高速用户优先驻留高铁1 650载波或375载波。1506载波不配置通往共站的高铁1 650载波和375载波邻区。

· 低迁载波出口：异频切换启动门限设置为-109 dBm，重选启动门限设置为-116 dBm，与大网1 650载波和375载波做双向重选和切换。

综上所述，执行以上3步举措，即可实现“覆盖有主、重选合理、切换有序”的优化目标。

3 应用效果

该系统方法论先后在郑徐高铁开封段、京广高铁新乡段进行全面推广应用。徐兰高铁开封段里程60 km，4G专网小区66个。京广高铁新乡段里程80 km，4G专网小区119个。累计调整大、专网4G小区天线289个，完成覆盖及切换带优化，实现公专网覆盖分离，半年时间内高铁网络质量稳步快速提升。

（1）覆盖控制优化网络结构，提升网络质量，SINR＞0的比例由83.89%提升至92.90%，提升绝对值达10%。与之匹配的CQI质差小区从最初的33%降低至3.35%，如图5所示。

（2）参数功能适配最优，挖掘网络潜能。通过参数核查和最优适配，20 MHz带宽载波的功率由20 W提升至30 W，下行感知速率提升7 Mbit/s。前台测试指标MOS均值由3.37提升至3.87，MOS＞3.0的占比由73.74%提升至93.33%。

（3）用户感知速率提升明显。用户速率从最初的10 Mbit/s提升至20 Mbit/s以上，低于5 Mbit/s小区占比由24.76%下降至0，处于全省前列，如图6所示。

该系统方法论（前两步）还成功应用于某省18个地市城区120 km以下慢速道路场景，取得良好效果。经过优化，4G用户感知速率均值提升7 Mbit/s，SINR均值从15 dB提升至17 dB，远超集团达标线。

图4 公网、高铁专网组网

图5 SINR改善趋势（SNR≥0 dB的比例）

图6 高铁小区用户感知速率及低速小区占比

4 结束语

本文针对现有高铁网络质量提升存在的问题，探索并提出了以“覆盖有主、重选合理、切换有序”为核心思想的切换链优化理论，并匹配了“先覆盖控制、后参数优化，再特性加载”的三层优化实践模型，形成了高铁网络质量提升系统方法。该方法体系在郑徐、京广高铁进行实际应用，取得理想效果。该方法简单易学，可“标本兼治”解决交通干线网络质量问题，且易于快速推广和复制至全国所有交通道路场景。