（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

高鐵TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋研究

呂晨光，郭建光，王宇欣

（中國移動通信集團(tuán)設(shè)計院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

對高鐵TD-LTE覆蓋時遇到的車廂穿透損耗、多普勒頻移、頻繁小區(qū)切換等問題進(jìn)行分析，總結(jié)出了在工程實施中規(guī)避上述問題方法，希望能夠為實際工程建設(shè)提供參考。

TD-LTE；損耗；高速；切換

1 前言

高鐵及通信已經(jīng)成為現(xiàn)代生活中不可或缺的兩個部分，如何在高速的列車上實現(xiàn)高速的數(shù)據(jù)通信已成為亟待解決的熱點(diǎn)。高鐵有著客戶資源優(yōu)質(zhì)、多普勒頻移明顯、車體穿損較大等特點(diǎn)，TD-LTE有著速率高、時延小等優(yōu)點(diǎn)，兩者的特點(diǎn)要求在規(guī)劃建設(shè)中采用新技術(shù)新方法才能將4G技術(shù)很好的服務(wù)于高鐵場景，滿足用戶乘坐高鐵時的高速數(shù)據(jù)需求。

2 關(guān)鍵問題分析

2.1 穿透損耗大

高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，車箱體為不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的玻璃材料，導(dǎo)室外無線信號在高速列車內(nèi)的穿透損耗較大，給車體內(nèi)的無線覆蓋帶來較大困難，高鐵列車比普通列車高出將近10 dB，而高鐵乘客往往又是業(yè)務(wù)需求強(qiáng)烈，體驗要求較高的用戶群。測試結(jié)果表明，高速鐵路列車穿透損耗可取定為28 dB（F頻段），30 dB（D頻段），從而達(dá)到較優(yōu)的鏈路預(yù)算效果。

實際的測試表明，不同的信號入射角對應(yīng)的穿透損耗值亦不同，實際測試表明隨著入射角變小，穿透損耗不斷增加。在規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中，為了避免過小的入射角，建議基站與軌道間距不小于100 m。

2.2 多普勒頻偏

列車高速運(yùn)動將引起多普勒頻偏，導(dǎo)致接收端接收信號頻率發(fā)生變化，且頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關(guān)。多普勒計算公式如：

fd=(f/c)×v×cosθ其中v為車速，c為光速，f為工作頻率。

在高鐵的規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中需要重點(diǎn)考慮多普勒頻移，可采用無線設(shè)備的高速移動功能，eNode B根據(jù)接收的上行信號頻率進(jìn)行頻偏估計，然后在基帶側(cè)對頻偏進(jìn)行頻率校正，提高上行信號解調(diào)性能。終端側(cè)具備頻偏校正和自動頻偏控制功能，終端側(cè)會按一定周期和步長來調(diào)整頻偏，使終端頻率跟上頻偏變化。

2.3 切換頻繁

由于高鐵列車的穿透損耗，為滿足覆蓋目標(biāo)單RRU覆蓋范圍較小，列車高速移動時將在短時間內(nèi)穿越多個RRU的覆蓋范圍，引起頻繁的切換，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。假設(shè)列車以300 km/h運(yùn)行，則列車每12 s左右將進(jìn)行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡(luò)的性能。在高鐵規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中需要考慮采用多RRU小區(qū)合并技術(shù)來對抗頻繁切換，從而提高高鐵的4G覆蓋性能。小區(qū)合并技術(shù)將部分RRU之間的切換由站間切換變?yōu)檎緝?nèi)協(xié)作，有效減少了切換次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

以京津高鐵為例，高鐵試驗網(wǎng)18 km路段采用6個小區(qū)覆蓋，平均每個小區(qū)覆蓋3 km，非試驗網(wǎng)路段20個小區(qū)覆蓋11 km，平均每個小區(qū)覆蓋550 m，平均車速均接近290 km/h，測試結(jié)果如表1所示。

從表1以及圖1可以發(fā)現(xiàn)非試驗網(wǎng)路段區(qū)域的下載速率低于試驗網(wǎng)路段區(qū)域且存在較多切換失敗，RRC重建等空口異常事件。試驗網(wǎng)路段切換嘗試6次（試驗網(wǎng)內(nèi)5次，向試驗網(wǎng)外切換1次）；非試驗網(wǎng)路段內(nèi)發(fā)生11次切換，切換次數(shù)多且頻繁對平均速率影響很大。非試驗網(wǎng)路段宏站3扇區(qū)組網(wǎng)，面向高鐵的兩個扇區(qū)未做合并，容易出現(xiàn)切換失敗等異常。

表1 高鐵小區(qū)合并與非合并對比測試結(jié)果

3 LTE高鐵無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建議

3.1 天線選型及站點(diǎn)布局建議

3．1．1 天線選型

圖1 高鐵小區(qū)合并與非合并切換對比結(jié)果

鐵路覆蓋為帶狀狹長區(qū)域，智能天線無法發(fā)揮特性。選擇天線選擇應(yīng)考慮高增益、窄波束的雙通道雙極化天線。為增加基站的覆蓋距離，減少切換次數(shù)，高鐵場景建議采用高增益窄波瓣天線對進(jìn)行覆蓋。高增益窄波瓣天線通常可以做到增益18～21 dBi，波瓣寬度約35°。考慮高鐵站點(diǎn)天面受限，若采用多頻合路天線時，天線水平波瓣建議不大于65°，增益18 dBi左右，雙通道并支持F頻段（1880～1920 MHz）、D頻段（2575～2635 MHz）。

3．1．2 站點(diǎn)布局

高鐵站點(diǎn)的選擇應(yīng)盡量左右交錯分布于鐵路兩側(cè)，以助于改善切換區(qū)域，并利于車廂內(nèi)兩側(cè)用戶接收信號質(zhì)量相對均勻。高鐵轉(zhuǎn)彎拐角區(qū)域應(yīng)選擇拐角內(nèi)側(cè)進(jìn)行站點(diǎn)規(guī)劃，有助于減小基站覆蓋方向和軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響。按照入射角10°以上原則，可得站點(diǎn)離鐵路在100 m左右，考慮高鐵網(wǎng)絡(luò)與宏網(wǎng)干擾問題，建議站點(diǎn)離鐵路距離不超過200 m。高鐵基本上都是在高架橋上建設(shè)，考慮到高架橋高約10 m，為保障高鐵線路覆蓋效果，建議站點(diǎn)距離地面高度25～40 m，即天線相對鐵軌高度在15～30 m左右。

但是實際網(wǎng)絡(luò)中，因工期和站址所處環(huán)境的不同，現(xiàn)網(wǎng)已開通的基站站高和站距也不盡相同，在做網(wǎng)絡(luò)工程設(shè)計時，需要對現(xiàn)網(wǎng)基站情況進(jìn)行整理，再規(guī)劃新建基站時，通過調(diào)整新建基站的站高和站距以達(dá)到優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)的目的。站高、站距、基站與高鐵鐵軌距離及高鐵穿越場景之間的關(guān)系如表2所示。

3.2 多RRU共小區(qū)技術(shù)

由于高速鐵路速度較快，且單個基站覆蓋面積有限，使切換頻繁。解決切換頻繁問題，可使用多RRU共小區(qū)技術(shù)減少切換次數(shù)。

多RRU共小區(qū)技術(shù)極大的拓寬了單小區(qū)的覆蓋范圍鐵路沿線的話務(wù)量分布有特殊性，列車相隔距離較遠(yuǎn)，對于一段鐵路線來說，雖然有連續(xù)幾個小區(qū)覆蓋，但是主要話務(wù)量往往集中在一個小區(qū)中。RRU多站點(diǎn)共小區(qū)拉長了小區(qū)的覆蓋長度，很大程度上減少了切換次數(shù)，提高了頻點(diǎn)的利用率，同時減少了相鄰小區(qū)的頻點(diǎn)干擾。

為了獲得良好的切換體驗，還需要設(shè)置好相鄰基站重疊覆蓋區(qū)域的設(shè)置，合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小會導(dǎo)致切換失敗，過大則會導(dǎo)致干擾增加，進(jìn)而影響用戶業(yè)務(wù)感知，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設(shè)計重疊覆蓋區(qū)域。重疊覆蓋帶構(gòu)成如圖2所示。

圖2 小區(qū)合并示意圖

A區(qū)域為過渡區(qū)域，信號到滿足切換電平遲滯（2 dB）需要的距離；B區(qū)域為切換區(qū)域，系統(tǒng)內(nèi)同頻切換即發(fā)生在該切換區(qū)域。A區(qū)域相同大約需要40 m距離，B區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)同頻切換分析如圖3所示。

圖3為系統(tǒng)內(nèi)同頻切換帶示意圖，B區(qū)域由終端測量上報周期距離、切換時間遲滯距離和切換執(zhí)行距離3部分構(gòu)成，終端測量上報周期需要200 ms，切換時間遲滯需要128 ms，切換執(zhí)行時延需要50 ms?？紤]單次切換時，重疊距離= 2×(電平遲滯對應(yīng)距離+終端測量上報周期距離+切換時間遲滯距離+切換執(zhí)行距離)。高鐵專網(wǎng)場景下，考慮適當(dāng)預(yù)留，重疊切換帶按200 m考慮。

表2 高鐵站間距建議

圖3 B區(qū)域系統(tǒng)內(nèi)同頻切換帶示意圖

3.3 隧道的覆蓋建議

對于隧道的覆蓋有兩種方式，定向天線和泄漏電纜進(jìn)行覆蓋，均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實際網(wǎng)絡(luò)中隧道種類繁多，覆蓋方式也不盡相同。按照GSM高鐵的經(jīng)驗以及LTE RRU的覆蓋能力，推薦小于300～400 m的沒有彎曲的隧道，可以采用定向天線。更長的隧道或者有彎曲的短隧道，建設(shè)中建議隧道進(jìn)出口采用定向天線，而隧道內(nèi)部采用泄漏電纜的方式進(jìn)行覆蓋。

定向天線覆蓋的特點(diǎn)有：隧道內(nèi)天線架設(shè)難度大，適合短隧道覆蓋場景；直線傳播，對于彎曲的隧道場景效果相對較差；隧道信號填充效果明顯，信號覆蓋效果不佳。泄露電纜特點(diǎn)有：布放簡單、難度小，適用多種隧道場景；損耗較大，成本較高。

隧道規(guī)劃指標(biāo)要求隧道（泄露電纜）覆蓋指標(biāo)(95%概率)RSRP要求為-113 dBm，RS-SINR要求為-3 dB。經(jīng)過鏈路預(yù)算計算，泄露電纜的估算覆蓋距離為353 m，隧道內(nèi)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域約200 m左右。采用泄露電纜F頻段覆蓋時，小區(qū)內(nèi)RRU間距不需要預(yù)留切換重疊帶，建議為0.7 km；小區(qū)間RRU間距需要預(yù)留200m切換重疊帶，建議為0.5 km，實際設(shè)置應(yīng)綜合傳播特性，基站設(shè)置以及工程實施條件等因素綜合考慮調(diào)整。

4 總結(jié)

在國內(nèi)，TD-LTE已經(jīng)開始商用的今天，高速鐵路也在迅猛發(fā)展，如何使4G信號更好的對高鐵進(jìn)行覆蓋，滿足乘客日益增長的對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求，是一個急迫的需求。本文通過對TD-LTE在高鐵覆蓋時的遇到的幾個關(guān)鍵問題進(jìn)行分析和探討，得到了一些結(jié)論，對高鐵沿線進(jìn)行覆蓋時，提出了一些要求，希望可以對TD-LTE高鐵專網(wǎng)建設(shè)具有一定的指導(dǎo)意義。

[1] 沈嘉，索士強(qiáng)，全海洋． 3GPP長期演進(jìn)(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M]． 北京：人民郵電出版社，2008．

[2] 蔣遠(yuǎn)，湯利民． TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計[M]． 北京：人民郵電出版社，2012．

Research of TD-LTE network coverage of high speed railway

LV Chen-guang, GAO Jian-guang, WANG Yu-xin
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This thesis aims to analyze the problem of the carriage penetration loss, Doppler shift, frequently cell handover, and summarize some solutions with a purpose of avoiding the problems mentioned and providing references for practices.

TD-LTE; loss; high-speed; handover

TN929.5

A

1008-5599（2014）10-0029-04

2014-05-13