（2021 年江苏省通信学会“华苏杯”论文征集二等奖）浅谈LTE 高铁频率预纠偏提升用户感知

彭月朋

中邮建技术有限公司

0 引言

高铁高端用户比例高、业务需求量大，全国高铁加速进入高速模式，高端商旅用户业务需求也趋于多样化，高铁用户感知会极大影响运营商品牌美誉度。随着网络建设的逐步完善，优化措施的逐步落地，以及用户规模的发展等，加之高铁自身的特点，高铁用户感知的进一步提升遇到了瓶颈。多小区合并（SFN）后SFN 内扇区间的对打叠加覆盖区域，会带来严重的频率偏移，影响终端解调性能而导致下行SINR 质量下降，最大降幅超10%；由于高铁非专网组网，仍会出现高速小区向低速小区发生切换的情况，造成不必要的RRC 重建。

1 问题概述

当前，高铁用户感知进一步提升遇到了瓶颈，主要有以下几个难题：

（1）多小区合并（SFN），缓解了频繁切换问题，但SFN 内对打小区存在频率偏移，导致终端解调能力下降，进而影响下行解码及SINR 质量，最大降幅超10%。频率偏移原理如图1 所示。

图1 频偏原理

（2）高铁公网组网下，无线网络结构复杂，受到周边低速小区的干扰程度大，容易从高铁的高速小区切换到公网的低速小区，导致切换过晚引起掉线。

（3）高铁高速小区RRC 重建比指标明显差于大网低速小区，传统的射频、参数优化等提升有限。

2 解决策略

基于当前的瓶颈及存在的问题，通过“频率预纠偏”及“同频重定向”两大特性解决SFN 内对打小区引入频率偏移导致解调能力下降的问题，以及高速用户误切到低速小区带来的RRC 重建及掉线问题，改善RRC 重建比，并提高频谱效率。

2.1 频率预纠偏整体方案

在高铁场景下，由于高速移动，单小区覆盖距离小，导致切换频繁。通过多小区合并，减少切换频度。在低速场景下，由于多小区合并，不仅减少切换，同时由于小区合并，减少了邻区的干扰信号，使得SINR 有所提升；但在高速移动场景下，用户移动到两个RRU 对打的区域时，用户接收到两个RRU 发射的信号存在一正一负的频偏，用户无法合并两个信号，导致SINR 无提升，降低小区合并的性能提升。

通过下行预纠偏功能，eNB 通过检测高铁用户的上行信号强度，主动识别高铁到达的区域，判定出高铁经过的区域是否为对打区域（存在正负频偏的区域）；当算法认为高铁经过区域存在正负频偏的影响时，将会启动纠偏。通过实时检测用户的频偏，折算到下行的频偏并进行下行的频偏补偿，从而使得在对打区域，用户接收到的信号频偏一致，减少干扰，提升SINR。

2.2 同频定向切换方案

在实际网络中，高铁的运行轨迹都是固定的，对于建成后的高铁网络，高铁用户经过的小区顺序都是统一的，对于某个高速小区而言，大部分场景下，高铁用户切换前后仅有一个目标小区，这种公网中的部分小区链行组网称为软串联或逻辑串联，前后的高铁小区与当前小区称为软串联小区。

由于高铁与大网共用频段，所以高铁用户有很高概率切换入公网低速越区小区。为规避这种现网，通过对高速小区设置串联标示，为高速小区设置不同的CIO 及触发时间迟滞，使高铁用户尽可能优先切换到高速小区，保证更好的用户体验。

2.2.1 组网与规划

在开启同频定向切换的场景，要求高铁运行线路与周边区域的相邻小区间互配邻区，并配置软串联邻区，以及专用小区偏置，这样可以通过本特性的同频定向切换算法，优先将高铁用户切换到高速小区邻区。

（1）串联邻区

在高铁运行路线上，当前小区的下一个小区或上一个小区为串联邻区，需要在邻区关系配置中标识，用于同频定向切换功能的参数调整。

（2）多普勒系数

多普勒效应计算如图2 所示。用户接入过程中，eNodeB 通过多普勒效应维护用户的速度属性，基站能检测到的多普勒效应程度是多普勒效应的实际量在信号上的分量，为图2 中θ角度的余弦值与多普勒效应的实际量的乘积，而θ 角与小区的覆盖距离（Z）与站轨距（Y）相关，如果站轨距较大时，需要在eNodeB 配置多普勒系数，以免用户速度属性识别受到影响。

图2 多普勒效应计算示意图

其中：fd：多普勒系数；f：载波频率；v：移动台运动速度；c：电磁波传播速度，为3×108米/秒；θ：移动台移动方向和入射波方向的夹角。

2.2.2 方案及设置

高速小区间CIO 配置为2dB，A3 上报触发时间迟滞改为64ms，尽可能保证高速用户切换到高速小区。高速小区间形成串联标示。

3 效果验证

3.1 预纠偏验证

3.1.1 特性开通观测

预纠偏开通后，指标“小区扇区设备的下行预纠偏执行次数”生效，在高铁经过时间段执行预纠偏后，会产生指标打点，说明高速用户频率纠偏识别成功。小区扇区设备的下行预纠偏执行次数如图3 所示。

图3 小区扇区设备的下行预纠偏执行次数

3.1.2 纠偏验证增益

预纠偏打开后，下行SINR 平均提升1.1 dB，MCS 提升0.7阶，频谱效率提升0.11，下行吞吐率在拉齐RB 和调度次数后，提升约3 Mbps。预纠偏前后指标增益如表1 所示。

表1 预纠偏前后指标增益

从RSRP 对比曲线分析，在相同RSRP 点上，预纠偏打开后的指标优于预纠偏关闭时。对比情况如图4-图7 所示。

图4 RSRP、SINR 对比图

图7 RSRP、下行吞吐率对比图

对打区域在预纠偏生效后，终端接收到的两路信号间频偏差值变小，解调性能增加，SINR 有所提升。

对打区域在预纠偏生效后，终端接收到的两路信号间频偏差值变小，解调性能增加，频谱效率提高，下行吞吐率有所提升。

因此，在多小区合并组网下，可减少切换，提升性能。同时配合下行预纠偏使用，可提升下行SINR、路测吞吐率等指标。

3.2 定向切换验证

改造前后同期对比分析，改造前（4 小区SFN+特性关闭）与改造后（4小区SFN+特性开通）重建比指标有0.32%的下降。定向切换开通前后RRC 重建比例对比情况如图8 所示。

图8 定向切换开通前后RRC 重建比例对比

由此可以看出，在进行4 小区SFN 合并及开通同频定向切换后，重建比指标有所提升，从3.66%下降到3.34%。

4 结束语

图5 RSRP、MCS 对比图

图6 RSRP、频谱效率对比图

通过高铁预纠偏及同频定向切换，终端侧智能识别高铁到达，并进行频偏补偿，提升用户感知；通过SFN 组网减少切换、采用同频定向切换避免高铁用户切换至低速小区，提升网络重建等指标。下行SINR 改善10%（约1.2dB），DL MCS 提升0.7阶，频谱效率提升10%，提升效果显著。通过频偏补偿，高铁小区同频的定向切换，有效提升高铁用户SINR，降低RRC 重建比例，实现网络质量及用户感知的再提升。