周鐵建，常賀

（1中國移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司嘉興分公司，嘉興 314000；2中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司浙江分公司，杭州 310000）

TD-LTE高鐵覆蓋優(yōu)化方法探討

周鐵建1，常賀2

（1中國移動(dòng)通信集團(tuán)浙江有限公司嘉興分公司，嘉興 314000；2中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司浙江分公司，杭州 310000）

主要介紹高速鐵路場景下基于TD-LTE的專用移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的相關(guān)問題及實(shí)現(xiàn)?；贐BU(Base Band Unit)和RRU(Remote Radio Unit)的專用網(wǎng)絡(luò)拓?fù)淠Ｐ停?lián)合使用多種關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)高速鐵路場景下宏蜂窩專網(wǎng)覆蓋及性能進(jìn)行了深入研究。

TD-LTE；高速鐵路；切換；優(yōu)化；測試

隨著高速鐵路（簡稱高鐵）通車?yán)锍讨鹉晟仙?，電信運(yùn)營商高度重視無線通信在高鐵上的覆蓋與性能問題，投入大量人力物力進(jìn)行專項(xiàng)研究。通過成立高鐵的專項(xiàng)工作組、建設(shè)高速專網(wǎng)、提升覆蓋與性能指標(biāo)等方式，極大地改善了高鐵上的用戶感知。

經(jīng)過幾年的努力，2G/3G無線網(wǎng)絡(luò)在高速鐵路的網(wǎng)絡(luò)性能已經(jīng)得到大幅提升，業(yè)務(wù)量遞增明顯。由此可見，高鐵的覆蓋與性能，已經(jīng)成為衡量運(yùn)營商運(yùn)營能力的一個(gè)重要指標(biāo)。

1 專網(wǎng)關(guān)鍵技術(shù)

對(duì)于移動(dòng)通信系統(tǒng)而言， 當(dāng)移動(dòng)終端速度超過300 km/h以后，則需要考慮以下關(guān)鍵技術(shù)。

1.1 傳播模型

在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，通常使用經(jīng)驗(yàn)的傳播模型預(yù)測路徑損耗中值，目的是得到規(guī)劃區(qū)域的無線傳播特性。高鐵使用的傳播模型，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中具有非常重要的作用。傳播模型在具體應(yīng)用時(shí)，必須對(duì)模型中各系數(shù)進(jìn)行必要的修正，它的準(zhǔn)確度直接影響無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的規(guī)模、覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確度，以及基站的布局情況。

1.2 多普勒頻偏抑制

高速覆蓋場景對(duì)LTE系統(tǒng)性能影響最大的效應(yīng)是多普勒效應(yīng)。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定閥值時(shí)，將會(huì)引起傳輸頻率的明顯改變，這稱之為多普勒頻移。在高速場景下，當(dāng)終端高速移動(dòng)速度達(dá)到250～350 km/h且頻點(diǎn)為2.6 GHz時(shí)，多普勒頻移將會(huì)超過800 Hz。會(huì)影響上行接入成功率、切換成功率，還會(huì)對(duì)系統(tǒng)的容量和覆蓋產(chǎn)生影響。因此在高鐵場景下，無論是基站側(cè)還是終端側(cè)頻偏估計(jì)和補(bǔ)償都是一個(gè)至關(guān)重要的過程。

1.3 小區(qū)切換技術(shù)

對(duì)于高速移動(dòng)的終端而言，高速移動(dòng)會(huì)造成終端在小區(qū)之間的快速切換。而高速移動(dòng)的終端頻繁的切換會(huì)對(duì)系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響，因此必須解決在高鐵通信建設(shè)中的小區(qū)切換問題。為保證用戶無縫移動(dòng)性及QoS要求，最基本的要求就是需要保證用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間一定要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無法完成，會(huì)造成用戶因切換不及時(shí)而導(dǎo)致掉話，影響用戶的正常使用。

1.4 多天線技術(shù)

針對(duì)高速終端，LTE系統(tǒng)中應(yīng)用較多的MIMO模式有SFBC和CDD空間復(fù)用兩類。在小區(qū)邊緣，采用SFBC模式，通過空間時(shí)間分集獲得傳輸增益；在小區(qū)中心，采用CDD模式，通過各發(fā)射端口循環(huán)延遲發(fā)送不同數(shù)據(jù)獲得高速數(shù)據(jù)傳輸。

1.5 波束成形技術(shù)

波束成形主要是利用上下行信道的互異性，根據(jù)上行信道估計(jì)計(jì)算出下行各天線權(quán)值，用獲得的下行成形權(quán)值調(diào)整各天線的加權(quán)系數(shù)，將發(fā)送數(shù)據(jù)與權(quán)值相乘，使信號(hào)在有用方向上形成主波束，提高接收信號(hào)信噪比，在接收端獲得成形增益，使接收性能提高。

1.6 公網(wǎng)和高鐵覆蓋

若在現(xiàn)網(wǎng)上采用小區(qū)分裂方式來覆蓋高鐵，則資源利用率較高，成本相對(duì)較低，但是現(xiàn)網(wǎng)很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求，優(yōu)化難度非常大。當(dāng)使用專網(wǎng)覆蓋高速鐵路時(shí)，有利于切換鏈的設(shè)計(jì)，可以很好提高通信質(zhì)量；有利于應(yīng)用專用于高速場景的無線資源管理算法、切換和重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，從而更好地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。但專網(wǎng)和大網(wǎng)的融合問題是必須解決的難題。

2 高鐵覆蓋分析

2.1 無線傳播模型分析

COST231-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ涂捎糜趂(頻率)在 1 500～2 000 MHz之間；適用于小區(qū)半徑大于1 km的宏蜂窩系統(tǒng)；ht(發(fā)射有效天線高度)在30～200 m之間；hr(接收有效天線高度)在1～10 m之間；d的范圍在1～20 km之間。 高鐵覆蓋的傳播模型以COST231-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛鶞?zhǔn)，作為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型工具，具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。數(shù)學(xué)表達(dá)形式是：

L(dB)=46.3+33.9lg(fc)-13.82lg(ht)-a(hr)+ (44.9-6.55lght)×lg(d)+CM

CM為大城市中心校正因子，高鐵場景下取值0 dB。邊緣場強(qiáng)計(jì)算公式：TX+G-L-Cs-Rs≤Rx

式中：TX(dBm)：天線口功率；G(dB)：天線增益；L(dB)：路徑損耗；Cs(dB)：車體損耗；Rs(dB)：人體損耗；Rx(dBm)：邊緣場強(qiáng)。

2.2 穿透損耗

高速列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，車體對(duì)無線信號(hào)的穿透損耗較高。穿透損耗最高的龐巴迪列車可達(dá)24dB，因此專網(wǎng)設(shè)計(jì)中，高鐵覆蓋鏈路預(yù)算的取值應(yīng)按未來可能采用的車體類型的損耗考慮，以滿足、兼容對(duì)全系列高速列車的覆蓋要求。

3 高鐵覆蓋解決方案

為了滿足高鐵覆蓋和用戶感知的需求，需要針對(duì)高速鐵路提供特殊的解決方案。方案首先解決高鐵車廂的覆蓋問題，其次解決用戶感知的問題。

目前，較為成熟的高鐵建網(wǎng)的方案共有以下兩種：專網(wǎng)覆蓋與車廂分布覆蓋。

3.1 專網(wǎng)覆蓋策略

該方案使用高鐵專網(wǎng)覆蓋方案，在高鐵沿線建設(shè)傳統(tǒng)的不同制式的網(wǎng)絡(luò)，由于是沿高鐵進(jìn)行覆蓋，無線信號(hào)質(zhì)量有保證，但由于規(guī)避不了車體的穿透損耗，因此車廂內(nèi)信號(hào)仍然會(huì)出現(xiàn)衰落。

該方案的優(yōu)點(diǎn)是實(shí)施相對(duì)簡單，不會(huì)對(duì)車體做任何改造，由于有豐富的建網(wǎng)經(jīng)驗(yàn)，因此網(wǎng)絡(luò)成熟度比較高，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)積累相對(duì)較多。這也是現(xiàn)階段高鐵覆蓋常用的方案。

3.2 車廂分布策略

第二種方案是對(duì)車廂做改造，引入車內(nèi)直放站，直放站通過車體外天線進(jìn)行信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)和頻偏的糾正來確保車內(nèi)信號(hào)的覆蓋。該方案的好處是：

無需對(duì)覆蓋專網(wǎng)做改造，保留原來的覆蓋專網(wǎng)；車廂內(nèi)用戶信號(hào)質(zhì)量得以保證；直放站可采用糾偏技術(shù)，一定程度上抑制頻偏。

其缺點(diǎn)在于：

需要對(duì)車廂做大量改造，一方面車體外需要增設(shè)直放站天線，車體內(nèi)需要放置直放站機(jī)箱和配套設(shè)備。為了保證車廂內(nèi)的覆蓋，車體內(nèi)需要增設(shè)泄漏電纜等車內(nèi)分布系統(tǒng)。車體改造成本較高。無法解決多種制式多個(gè)運(yùn)營商建網(wǎng)時(shí)產(chǎn)生的重復(fù)投資，重復(fù)建設(shè)問題。

由于具有特殊的純平原地型特點(diǎn)，站址資源豐富。綜合考慮兩種建網(wǎng)方案，滬杭高鐵嘉興段采用與公網(wǎng)宏站共址實(shí)現(xiàn)宏專網(wǎng)覆蓋的方式，多快好省直接實(shí)現(xiàn)了TD-SCDMA/TD-LTE雙模覆蓋。

4 滬杭高鐵組網(wǎng)方案及性能對(duì)比

4.1 場景分析

目前，滬杭高鐵LTE專網(wǎng)嘉興段北起嘉興南，南至海寧與余杭交界處，沿線均為平原開闊地，全程約60 km左右，最高時(shí)速達(dá)到306 km/h。

4.2 方案分析

根據(jù)滬杭高鐵沿線的無線環(huán)境情況，結(jié)合現(xiàn)有組網(wǎng)方案實(shí)施可行性，滬杭高鐵TD-LTE專網(wǎng)采用與TDSCDMA共宏專網(wǎng)的方式進(jìn)行站點(diǎn)部署，TD-LTE采用F頻段組網(wǎng)，TD-SCDMA采用A頻段組網(wǎng)。為避免重復(fù)建設(shè)，降低建設(shè)成本，全線部分站點(diǎn)采用共建共享模式。具體站點(diǎn)工程規(guī)劃建設(shè)方案如圖1所示。

滬杭高鐵TD-LTE專網(wǎng)嘉興段共分布物理站點(diǎn)59個(gè)，涉及RRU118個(gè)。

全網(wǎng)平均站間距為1.10 km，最大站間距為1.63 km，最小站間距為0.66 km。

全網(wǎng)天線平均高度為34.5 m，鐵軌高度平均為15 m。

考慮到高速移動(dòng)下的小區(qū)切換及性能影響，采用2個(gè)雙通道RRU合并超級(jí)小區(qū)模式進(jìn)行組網(wǎng)。因此嘉興段TD-SCDMA/TD-LTE全網(wǎng)118個(gè)RRU劃分為59個(gè)小區(qū)、18個(gè)BBU。

圖1 高鐵宏專網(wǎng)組網(wǎng)示意圖

為應(yīng)對(duì)宏專網(wǎng)建設(shè)過程中出現(xiàn)的覆蓋控制難的情況，以及傳統(tǒng)方案建設(shè)下高鐵車廂信號(hào)弱的可能。在高鐵建設(shè)過程中對(duì)于設(shè)備選型也提出了特殊要求：

選擇大功率的雙通道RRU進(jìn)行組網(wǎng)；

選擇21 dBi增益、30°波瓣寬度的高增益、窄波瓣天線進(jìn)行覆蓋；

為應(yīng)對(duì)高速移動(dòng)時(shí)的切換及重選的合理連貫，在切換及重選等參數(shù)規(guī)劃上做了合理設(shè)置：

切換參數(shù)：A3事件門限：3 dB；觸發(fā)時(shí)間：128 ms；

重選參數(shù)：重選事件門限：1 dB；觸發(fā)時(shí)間：1 s。

4.3 LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化情況

4.3.1 覆蓋優(yōu)化策略

滬杭高鐵TD-LTE網(wǎng)絡(luò)不同于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，為同頻組網(wǎng)，因此覆蓋控制要求更為嚴(yán)苛。通過測試分析過覆蓋嚴(yán)重、乒乓切換頻繁、站間距過小的站點(diǎn)，采用調(diào)整天線方向角、下傾角等手段，抑制過覆蓋現(xiàn)象、降低鄰區(qū)干擾、減少乒乓切換，同時(shí)對(duì)站間距過小的站點(diǎn)予以閉塞。

4.3.2 覆蓋優(yōu)化效果

RSRP/SINR分布如圖2所示，覆蓋優(yōu)化后，RSRP分布區(qū)間更加合理，SINR大于等于0 dB以上占比由97.76%提升至99.14%。覆蓋優(yōu)化后，全程下行平均吞吐量提升2.9 Mbit/s。

圖2 覆蓋優(yōu)化前后RSRP/SINR分布統(tǒng)計(jì)圖

4.3.3 下行優(yōu)化策略

在覆蓋優(yōu)化基本完成后，影響下行吞吐量的因素主要集中在AMC、HARQ、傳輸模式切換等算法性能方面。

考慮到高鐵場景下，信道狀況變化比一般密集城區(qū)場景劇烈，主要從算法調(diào)整周期、執(zhí)行頻度等角度進(jìn)行參數(shù)對(duì)比，可調(diào)整參數(shù)如下：

AMC類參數(shù)：CQI上報(bào)周期、外環(huán)AMC調(diào)整周期、外環(huán)AMC BLER目標(biāo)值；

HARQ類參數(shù)：HARQ最大發(fā)送次數(shù)，減少一部分不必要的HARQ重傳；

模式切換參數(shù)：TM3模式內(nèi)切換觸發(fā)門限、TM3模式內(nèi)切換觸發(fā)周期。

4.3.4 下行優(yōu)化效果

經(jīng)過多次對(duì)比測試，參數(shù)優(yōu)化前后下行平均吞吐量由參數(shù)優(yōu)化前的18.9 Mbit/s提升至21.0 Mbit/s，下行吞吐量性能總體提升2.1 Mbit/s。

4.3.5 上行優(yōu)化策略

在覆蓋優(yōu)化基本完成后，影響上行吞吐量性能的因素主要集中在功率控制、AMC、HARQ等算法性能方面。

主要從上行功率控制、算法調(diào)整周期、執(zhí)行頻度等角度進(jìn)行參數(shù)調(diào)整和執(zhí)行，以便更加適合高鐵場景；同時(shí)充分利用終端的發(fā)射功率，進(jìn)一步改善上行吞吐量性能。

4.3.6 上行優(yōu)化效果

分別使用單客戶端及兩客戶端，對(duì)優(yōu)化前后參數(shù)進(jìn)行對(duì)比測試，滬杭高鐵嘉興段單終端上行平均吞吐量對(duì)比如表1所示。

單FTP客戶端，上行平均吞吐量由2.73 Mbit/s提升至3.66 Mbit/s，提升0.93 Mbit/s；

兩FTP客戶端，上行平均吞吐量由3.11 Mbit/s提升至4.44 Mbit/s，提升1.33 Mbit/s。

5 總結(jié)

滬杭高鐵LTE專網(wǎng)技術(shù)的研究結(jié)果表明：TDLTE已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)300 km/h及以上高速場景的有效信號(hào)覆蓋。通過高增益、窄波瓣天線和大功率雙通道RRU的配合使用，可以有效控制覆蓋保障車廂內(nèi)的信號(hào)水平。2個(gè)雙通道RRU合并超級(jí)小區(qū)組成的宏專網(wǎng)規(guī)劃建設(shè)模式，切換和重選參數(shù)的合理設(shè)置，可以有效應(yīng)對(duì)平原開闊環(huán)境下高速移動(dòng)帶來的各項(xiàng)挑戰(zhàn)，順利實(shí)現(xiàn)了高速場景下的TD-LTE信號(hào)覆蓋，單TD-LTE數(shù)據(jù)卡平均下載速率達(dá)到了21 Mbit/s左右，上傳平均速率超過4 Mbit/s，給予用戶良好的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)性能感知，為試商用鋪平了道路。

表1 優(yōu)化前后上行吞吐量對(duì)比

[1] 3GPP TR 36.942V9.0.1. E-UTRA Radio Frequency(RF) systems scenarios(Release9)[S]. 2010,04.

[2] 房秉毅，張?jiān)朴? LTE/LTE-A技術(shù)及標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)展[J]. 電信網(wǎng)技術(shù)，2010(5).

[3] 曾召華. LTE基礎(chǔ)原理與關(guān)鍵技術(shù)[J]. 通信技術(shù)，2010(5).

大唐移動(dòng)率先發(fā)布2.6GHz超寬頻LTE硬件產(chǎn)品

2013年12月26日，大唐移動(dòng)在北京舉行了TD-LTE新產(chǎn)品發(fā)布會(huì)，率先推出了業(yè)界首款支持2.6 GHz全頻段的超寬頻硬件平臺(tái)產(chǎn)品及配套解決方案。

據(jù)了解，大唐移動(dòng)此次推出的2.6 GHz超寬頻硬件平臺(tái)產(chǎn)品不僅代表著無線通信技術(shù)的重要發(fā)展方向，更符合TD-LTE網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營及長期演進(jìn)的需求。該系列產(chǎn)品基于先進(jìn)的超寬頻功放技術(shù)，射頻帶寬涵蓋2.6 GHz (2 500～2 690 MHz) 全頻段，最大支持4個(gè)20 MHz (共80 MHz) 載波。載波間功率共享的功能，可有效應(yīng)對(duì)后續(xù)2.6 GHz剩余TD-LTE頻率分配后的平滑演進(jìn)建設(shè)，對(duì)國內(nèi)三大運(yùn)營商設(shè)備共用，形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模優(yōu)勢、降低建網(wǎng)成本具有深遠(yuǎn)意義。此外，該系列產(chǎn)品高集成度的設(shè)計(jì)和優(yōu)異的性能，還將減少RRU安裝空間需求，運(yùn)營商可根據(jù)自身的需求靈活選擇工作頻點(diǎn)位置和帶寬，真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)營商的小投資、大覆蓋和深穿透。

大唐移動(dòng)此次推出的2.6 GHz超寬頻硬件平臺(tái)產(chǎn)品，在支持高帶寬的同時(shí)，還保持了優(yōu)異的性能。其阻塞抑制功能居于業(yè)界領(lǐng)先水平，可實(shí)現(xiàn)TD-LTE網(wǎng)絡(luò)與2.6 GHz兩側(cè)的北斗頻段和衛(wèi)星通信頻段的共存組網(wǎng)。

Discussion on high-speed railway coverage optimizing method of TD-LTE system

ZHOU Tie- jian1, CHANG He2
(1 China Mobile Group Zhejiang Co., Ltd. Jiaxing Branch, Jiaxing 314000, China; 2 China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Zhejiang Branch, Hangzhou 310000, China)

In this paper,the detailed questions of the high-speed railway communication coverage based on TD-LTE technology were analyzed and discussed. Based on the BBU (Base Band Unit) and RRU (Remote Radio Unit) network topology model, using key technology multiplely, it studied and analysed coverage and performance of macro cellular network in high-speed railway scene.

TD-LTE; high-speed railway; switch; optimization;test

TN929.5

A

1008-5599（2014）01-0016-05

2013-12-06