中國移動設計院黑龍江分公司 | 王世魁 杜蔚

如何構建高鐵場景下最佳TD-LTE組網(wǎng)方案

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對于國內高鐵沿線的通信網(wǎng)絡建設，各省運營商結合各地的實際情況，以專網(wǎng)建設居多，充分滿足高鐵用戶需求，部分采用公網(wǎng)覆蓋，但筆者認為不宜一概而論，在高鐵出入的城區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)、在城外的廣大農(nóng)田或農(nóng)村采用專網(wǎng)組網(wǎng)。

隨著現(xiàn)代社會各個領域的快速發(fā)展，全國各地高鐵線路應運而生，作為當今鐵路技術的最高水平以及國民經(jīng)濟的重要載體之一，高鐵主要面向中高端受眾群體，另一方面，中國移動欲打造一張TDLTE精品網(wǎng)絡以實現(xiàn)占領數(shù)據(jù)業(yè)務的新高地，而高鐵覆蓋是張形象牌，既能體現(xiàn)4G所有的技術解決方案，又能贏得大量有價值客戶。

根據(jù)高鐵設計規(guī)范定義時速達到250km/h以上的列車稱為高鐵，目前國內高鐵線路長約2.95萬公里，時速最高可達400km/h，其中在建鐵路沿線占很大一部分，在高鐵尚未開通前進行LTE覆蓋利于占有高鐵高端市場，同時在高鐵建設經(jīng)驗還不夠豐富的情況下，網(wǎng)絡建設難度和高鐵關鍵技術還需在前期規(guī)劃充分考慮和深入研究。為滿足高鐵客戶的體驗需求，省內已建成的高鐵線以及在建的高鐵線均計劃實現(xiàn)TD-LTE全程覆蓋，同時在LTE語音業(yè)務實現(xiàn)方式過渡時期，初期建設考慮采用CSFB方式，鐵路沿線對GSM網(wǎng)絡進行補點或新建。

高鐵覆蓋的特性

高鐵快速移動的特點，給高鐵覆蓋帶來諸多與常規(guī)網(wǎng)絡建設不同的特性，這些特性給設備技術實現(xiàn)及規(guī)劃方案提出了新的難題，需要提供合理有效的解決方案。

多普勒頻偏

高鐵的快速移動會產(chǎn)生多普勒效應，即信號源與觀察者相對移動時，觀察者接收到的信號頻率與信號源發(fā)出的頻率不一致，例如生活中的切身體會，當遠方快速駛來的火車的汽笛聲會變得尖銳，即頻率變大；當火車快速駛離時，汽笛聲會變得低沉，即頻率變小。列車的高速行駛導致手機終端下行接收及上行發(fā)射時頻率發(fā)生偏移，降低接收機的解調性能。

圖1 小區(qū)切換帶來的網(wǎng)絡性能變化

圖2 頻偏校正基本模型

車型 F頻段穿損 D頻段穿損CRH1/3/5 28dB 30dB CRH2 24dB 26dB CRH380 26dB 28dB

頻偏大小與列車速度成正比，高鐵較之普通列車速度成倍增長，頻偏對性能的影響不可忽視，高鐵沿線一定距離建設LTE基站，終端與其服務基站之間距離頻繁增大減小，頻偏非常嚴重；頻偏大小與發(fā)射頻率成正比，LTE使用的頻率越大，產(chǎn)生的頻偏就越大，目前分配給中國移動用于TD-LTE網(wǎng)絡的頻段為band38、band39、band40，適合用于室外宏基站的為band38、band39（2600M、1900M）,高頻段導致頻偏嚴重，所以盡可能選取低頻段組網(wǎng)；頻偏大小與入射角成反比，頻偏隨列車駛向基站時入射角的變大而變小，基站垂直列車方向時頻偏最??；基站解調上行信號時，頻偏是終端解調下行信號時的兩倍，這樣對基站提出了更高的解調性能。

高車體功率損耗

不同的入射角對應的穿透損耗不同，當信號垂直入射時的穿透損耗最小。當基站的垂直位置距離鐵道較近時，覆蓋區(qū)邊緣信號進入車廂的入射角小，穿透損耗大。實際測試表明，當入射角小于10度以后，穿透損耗增加的斜率變大。

通過試驗數(shù)據(jù)得到不同的高鐵列車車型的穿損也不盡相同，同時D頻段普遍要比F頻段穿損要大，具體數(shù)據(jù)參照下表。

小區(qū)切換頻繁

高鐵列車高速移動，在短時間內會穿過多個小區(qū)，相比較而言，若采用傳統(tǒng)的小區(qū)設置會頻繁發(fā)生小區(qū)選擇/重選，頻繁的小區(qū)切換將嚴重降低網(wǎng)絡性能，測試試驗結果如圖1所示，在小區(qū)的邊界處出現(xiàn)明顯的波谷。

比較慢速列車或者普通場景，快速移動的終端在小區(qū)駐留時間內無法完成小區(qū)選擇，另外，在相同的重選時延及切換時延條件下，終端的移動速度越大將設置越長的重疊覆蓋區(qū)，當頻繁切換發(fā)生在用戶啟用呼叫流程（主叫/被叫）或者發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務請求時，信令流程時延會比普通場景大很多，影響用戶感知。

高鐵覆蓋建設方案

頻偏校正

高速移動導致頻偏，對接收機性能的嚴重影響使得頻偏校正是高鐵覆蓋需要解決的首要問題，eNodeB根據(jù)接收的上行信號頻率進行頻偏估計，然后在基帶處理單元對頻偏信號進行頻率校正，提高上行信號解調性能，頻偏校正的基本模型如圖2所示。

不同設備廠家對頻率估計及頻率校正有獨立的頻偏算法，從國內目前的應用上看，主流設備廠家均能滿足時速大于350km/h以上的校正要求。

小區(qū)合并技術

由于高鐵列車的穿透損耗大，為滿足覆蓋設計目標單RRU覆蓋范圍不會太大，高鐵多為開闊地，遮擋與干擾較少，根據(jù)取定的傳播模型以及車體損耗，按照最小接收RSRP值為-113dBm要求，F(xiàn)頻段合理的小區(qū)覆蓋半徑約600米，D頻段合理的小區(qū)覆蓋半徑約350米。列車高速移動將在短時間內穿越多個小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)間切換，假設列車以300km/h運行，則列車每10秒左右將進行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡的性能，針對高速移動場景引入多RRU小區(qū)合并技術，不同RRU采用相同的頻率及參數(shù)設置，在邏輯上設置為同一小區(qū)，針對不同廠家的設備能力合并的小區(qū)數(shù)有所差異，如圖3、4所示，以三個物理小區(qū)合并為一個大的邏輯小區(qū)前后為例，合并后的小區(qū)內不發(fā)生小區(qū)切換，小區(qū)容量和覆蓋區(qū)域均為原小區(qū)的三倍，就某一固定位置而言，小區(qū)提供的接入能力未發(fā)生變化。

合理重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實現(xiàn)業(yè)務連續(xù)的基礎，重疊覆蓋區(qū)域過小會導致切換失敗，過大則會增加站間距，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設計重疊覆蓋區(qū)域。

由于合并后小區(qū)內部不切換，所以不必設置重疊覆蓋區(qū)，小區(qū)間切換考慮切換遲滯時間、測量時間、執(zhí)行時間三個參數(shù)，按遲滯時間取信號強度下降1～2dB所需時間、測量時間128ms、執(zhí)行時間100ms計

高鐵場景下，考慮一定的預留，合理重疊覆蓋距離取定為200米，即F頻段小區(qū)間站間距500米，D頻段小區(qū)間站間距1000米，小區(qū)內分別為700米和1200米。

組網(wǎng)方式選擇

針對公鐵路沿線覆蓋目前存在公網(wǎng)覆蓋和專網(wǎng)覆蓋兩種方式，公網(wǎng)覆蓋即普通的大網(wǎng)覆蓋，公網(wǎng)基站不僅僅為周圍鐵路沿線區(qū)域提供服務，而專網(wǎng)專為高鐵服務，不吸收周邊的業(yè)務，兩者的區(qū)別對比參見表2。

專網(wǎng)小區(qū)只配專網(wǎng)下的鏈型鄰區(qū)，不配置公網(wǎng)鄰區(qū)，公網(wǎng)小區(qū)也不配置專網(wǎng)鄰區(qū)，由于高鐵專網(wǎng)小區(qū)和周邊公網(wǎng)小區(qū)間無相互鄰區(qū)關系，因此，一般情況下，高鐵專網(wǎng)下的用戶進不了公網(wǎng)，公網(wǎng)下的用戶也進不了專網(wǎng)。

對于高鐵專網(wǎng)覆蓋，在車站室分系統(tǒng)或站臺小區(qū)配置公網(wǎng)和專網(wǎng)相互鄰區(qū)關系，以讓高鐵用戶從公網(wǎng)進入專網(wǎng)或從專網(wǎng)進入公網(wǎng)；在位置空曠、公網(wǎng)用戶少的區(qū)域配置開口小區(qū)，即只有公網(wǎng)到專網(wǎng)的單向鄰區(qū)關系，公網(wǎng)的用戶可以切到專網(wǎng)，但專網(wǎng)切換不到公網(wǎng)。

目前國內高鐵建設各省運營商從不同角度考量以專網(wǎng)建設居多，充分滿足高鐵用戶需求，部分采用公網(wǎng)覆蓋，但筆者認為不宜一概而論，在高鐵出入的城區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)、在城外的廣大農(nóng)田或農(nóng)村采用專網(wǎng)組網(wǎng)。城區(qū)業(yè)務需求量大，公網(wǎng)將占用所有可用的頻段資源，高鐵難以實現(xiàn)異頻組網(wǎng)，而同頻組網(wǎng)必然存在較大的同頻干擾，這將是影響網(wǎng)絡性能的最大因素，同時市區(qū)專網(wǎng)對于新建選址也提出一定難度；農(nóng)村業(yè)務需求量較低，容易實現(xiàn)異頻組網(wǎng)，再者農(nóng)村公網(wǎng)基站以廣覆蓋、低業(yè)務為主，對于高鐵場景的瞬時高業(yè)務需求恐難以滿足，在高鐵沿線建設專網(wǎng)是合理的選擇。

天線及頻段的選擇

高鐵覆蓋為帶狀狹長區(qū)域，智能天線無法發(fā)揮特性。天線選擇應考慮高增益、窄波束的雙通道雙極化天線，水平波束寬度為30～40度，增益不低于20dB，同時為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問題，站點離鐵路垂直距離建議在100～200m，天線掛高應考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10～15m以上，保證天線與軌面視通，按照高鐵站高25m，考慮上3dB對準邊緣，相應的下傾角為5度左右為最佳，后期根據(jù)實際網(wǎng)絡情況進行優(yōu)化調整。

考慮F頻段覆蓋能力優(yōu)于D頻段，可降低站址數(shù)量，優(yōu)先采用F頻段部署，市區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)，依據(jù)市區(qū)建設的整體策略選用合適頻段，盡可能選擇F頻段，農(nóng)村采用F頻段專網(wǎng)組網(wǎng)，車站組網(wǎng)選用E頻段場景，隧道采用泄漏電纜或室內分布系統(tǒng)方式覆蓋，使用F頻段組網(wǎng)。

站址規(guī)劃

理論上鐵路兩側站址規(guī)劃以“之”字形排開，即交錯部署在鐵路兩側為最佳，如圖6所示。

但實際情況往往比較復雜，為實現(xiàn)多站點間的小區(qū)合并，需要合并后小區(qū)內的站點間布防光纜互通數(shù)據(jù)配置，交錯部署站點會出現(xiàn)多次穿越鐵路施工情況，即便是多小區(qū)統(tǒng)一從鐵路某處互通，距離也不宜太遠，小區(qū)間的級聯(lián)距離各廠家指標不同且盡量不超過10公里，反復穿鐵路將造成建設成本的急劇增加和施工難度加大，很可能出現(xiàn)由于鐵路原因部分點無法打通，基于此，筆者建議采用一個邏輯小區(qū)站點選在鐵路同側，同時邏輯小區(qū)間采用交錯部署，結合實際建設情況證明此方案具有實用性，方案落地較容易。

圖3 多RRU小區(qū)合并前（普通方式）

圖4 多RRU小區(qū)合并后

圖5 公網(wǎng)小區(qū)與專網(wǎng)小區(qū)的對比

表2 高鐵組網(wǎng)方式性能對比