胡東

（廣州杰賽科技股份有限公司，重慶 400000）

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)丘陵地帶高速鐵路覆蓋研究

胡東

（廣州杰賽科技股份有限公司，重慶 400000）

通過研究TD-LTE的組網(wǎng)方式、高速移動(dòng)、鏈路預(yù)算、切換重疊帶預(yù)算、小區(qū)合并等因素對(duì)設(shè)計(jì)的影響，從而制定出組網(wǎng)方式、站間距設(shè)置、站址設(shè)置、設(shè)備配置等相關(guān)方案并實(shí)踐。研究表明，盡管各系統(tǒng)整體思路會(huì)有相近之處，但TD-LTE網(wǎng)絡(luò)丘陵地帶高速鐵路覆蓋對(duì)各項(xiàng)條件要求更高。

TD-LTE 丘陵地帶 高速鐵路覆蓋

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.20.005

1 引言

TD-LTE作為我國(guó)主導(dǎo)的新一代移動(dòng)通信國(guó)際技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，是TD-SCDMA標(biāo)準(zhǔn)的繼承和發(fā)展演進(jìn)。隨著高鐵近年來(lái)迅猛發(fā)展，高速鐵路用戶的業(yè)務(wù)需求將會(huì)不斷增強(qiáng)，同時(shí)高速鐵路覆蓋具備顯著的技術(shù)特性，因此有必要針對(duì)高速鐵路進(jìn)行專項(xiàng)覆蓋，以提升4G網(wǎng)絡(luò)的用戶體驗(yàn)。

2 設(shè)計(jì)分析

2.1 組網(wǎng)方式

組網(wǎng)方式分為公網(wǎng)組網(wǎng)和專網(wǎng)組網(wǎng)，具體如表1所示。

2.2 高速移動(dòng)對(duì)性能影響

高速鐵路運(yùn)行時(shí)速都在200km以上。而高速移動(dòng)引起的最顯著的效應(yīng)就是多普勒頻移及頻繁切換，這對(duì)于高鐵網(wǎng)絡(luò)建設(shè)是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

所謂多普勒效應(yīng)，就是列車高速運(yùn)動(dòng)將會(huì)導(dǎo)致接收端的接收信號(hào)頻率發(fā)生變化。頻率的變化將降低接收機(jī)的解調(diào)性能，解調(diào)效果與系統(tǒng)及終端側(cè)設(shè)備性能有關(guān)。

表1 組網(wǎng)方式對(duì)比

2.3 高鐵車體損耗

高速鐵路列車穿透損耗約為28dB（F頻段），遠(yuǎn)高于普通列車損耗。不同的入射角對(duì)穿透損耗也會(huì)產(chǎn)生影響，建議高速鐵路列車穿透損耗取值為28dB（F頻段）和30dB（D頻段）。具體如表2所示：

表2 高鐵車廂2GHz下的損耗值

據(jù)測(cè)試，隨著入射角變小，穿透損耗會(huì)不斷增加。為避免過小的入射角，基站與軌道距離建議不小于100m。入射角與穿透損耗關(guān)系示意圖如圖1所示：

圖1 入射角與穿透損耗關(guān)系示意圖

2.4 鏈路預(yù)算

對(duì)于宏基站，鏈路預(yù)算如表3所示：

表3 典型場(chǎng)景及頻段鏈路預(yù)算

對(duì)于隧道覆蓋，鏈路預(yù)算如表4所示：

表4 泄漏電纜鏈路預(yù)算

2.5 切換重疊帶預(yù)算

合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小則會(huì)導(dǎo)致切換失敗，過大則會(huì)增加站間距，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設(shè)計(jì)重疊覆蓋區(qū)域。重疊距離計(jì)算公式如下：

其中，各設(shè)備廠家切換相關(guān)時(shí)間參數(shù)略有不同。

切換示意圖如圖2所示：

圖2 切換示意圖

時(shí)速與切換距離對(duì)應(yīng)表如表5所示：

表5 時(shí)速與切換距離對(duì)應(yīng)表

2.6 小區(qū)合并

從高鐵相關(guān)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)看，在小區(qū)切換位置流量有明顯下降，影響整體吞吐量，可采用小區(qū)合并技術(shù)來(lái)有效減少切換，以降低同頻干擾。

2.7 頻率配置

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；高鐵專網(wǎng)頻段應(yīng)盡量與高鐵沿線公網(wǎng)異頻組網(wǎng)，尤其是在干擾復(fù)雜的城區(qū)。

2.8 TA設(shè)置原則

（1）高鐵路線上應(yīng)盡量擴(kuò)大TA（Tracking Area，跟蹤區(qū)）范圍，減少大量用戶跨TA帶來(lái)的TAU（Tracking Area Update，跟蹤區(qū)更新）信令沖擊；

（2）TA邊界應(yīng)規(guī)劃于低速地帶，延長(zhǎng)預(yù)留給系統(tǒng)處理TAU的時(shí)間；

（3）為保證CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）性能，TA劃分應(yīng)與GSM高鐵專網(wǎng)的LA劃分協(xié)同。

3 建設(shè)方案

3.1 組網(wǎng)方式

通過上文對(duì)2種組網(wǎng)方式的比較分析，采取專網(wǎng)為主、公網(wǎng)為輔的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)高鐵線路區(qū)域的覆蓋，可綜合2種方式的優(yōu)點(diǎn)。專網(wǎng)信號(hào)在高鐵線路區(qū)域的主導(dǎo)覆蓋是專網(wǎng)與公網(wǎng)協(xié)同的基礎(chǔ)要求。利用單雙向鄰區(qū)關(guān)系，過渡帶小區(qū)設(shè)置，基于頻率優(yōu)先級(jí)的重選與切換，區(qū)分高、低速用戶的切換等手段可以實(shí)現(xiàn)良好的專網(wǎng)、公網(wǎng)協(xié)同覆蓋。

3.2 站間距設(shè)置

根據(jù)上文的鏈路預(yù)算，結(jié)合不同場(chǎng)景、不同車型以及不同頻段，可以得出表6所示的站間距：

表6 站間距設(shè)置匯總

3.3 站址設(shè)置

（1）對(duì)于城區(qū)內(nèi)路段，應(yīng)結(jié)合GSM高鐵覆蓋站點(diǎn)情況，采取共用+新建補(bǔ)充站點(diǎn)進(jìn)行建設(shè)；

（2）為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問題，站點(diǎn)離鐵路垂直距離建議為100m~300m；

（3）天線掛高應(yīng)考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10m~20m，保證天線與軌面視通；

（4）應(yīng)結(jié)合工程條件優(yōu)先將站點(diǎn)交錯(cuò)部署在鐵路兩側(cè)，有利于信號(hào)的均勻分布，對(duì)于彎路區(qū)域則優(yōu)先將站點(diǎn)設(shè)置在彎道內(nèi)側(cè)。

3.4 主設(shè)備及天線配置

（1）單小區(qū)配置與站型配置主要受到主設(shè)備支持能力及光纖資源的限制，站型配置應(yīng)優(yōu)先保證多個(gè)RRU小區(qū)合并，從而降低跨小區(qū)切換數(shù)量；

（2）站型配置應(yīng)在滿足小區(qū)合并要求的基礎(chǔ)上，優(yōu)先采用高集成度的配置方案；

（3）軟件要求支持雙通道RRU級(jí)聯(lián)、6個(gè)RRU的小區(qū)合并、高速移動(dòng)功能；

（4）天線原則上使用高增益窄波瓣雙通道天線（支持F頻段、D頻段）。

3.5 宏蜂窩基站站型配置

本期工程以覆蓋為主，宏基站配置以S1、S11為主，單載波帶寬建議為20MHz。

3.6 頻率配置

（1）市區(qū)內(nèi)高鐵路段：根據(jù)區(qū)域內(nèi)頻率整體策略選用F或D頻段組網(wǎng)，優(yōu)先與區(qū)域內(nèi)公網(wǎng)采用異頻組網(wǎng)方式；

（2）郊區(qū)、農(nóng)村高鐵路段：使用F頻段組網(wǎng)；

（3）隧道場(chǎng)景：采用泄漏電纜或室內(nèi)分布系統(tǒng)方式覆蓋，使用F頻段組網(wǎng)；

（4）車站覆蓋：優(yōu)先使用E頻段組網(wǎng)。

3.7 TA設(shè)置方案

（1）以地市為單位劃分高鐵專網(wǎng)TA；

（2）TA邊界盡量設(shè)置在車站附近等低速運(yùn)行地帶；

（3）參照高鐵GSM專網(wǎng)的LA進(jìn)行TA劃分，TA邊界不能跨MSC POOL；

（4）在MSC POOL邊界，應(yīng)嚴(yán)格保證TA和LA在同區(qū)域的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而保證無(wú)線邊緣對(duì)齊，避免尋呼失?。?/p>

（5）為便于網(wǎng)絡(luò)管理，應(yīng)避免TA跨廠家設(shè)置。

3.8 隧道覆蓋

火車隧道相對(duì)于高速公路隧道，當(dāng)列車通過時(shí)內(nèi)部空隙狹小，若采用天線覆蓋，則入射角小，列車填充效應(yīng)明顯，列車穿透損耗增大，從而影響覆蓋效果，并且隧道內(nèi)部環(huán)境實(shí)施環(huán)境差，安裝天線比較困難。而若采用泄漏電纜，由于整條電纜平行于隧道，且信號(hào)饋口可以處于列車窗口高度，信號(hào)可均勻覆蓋整條隧道，入射角大，因此可以有效避免使用天線覆蓋時(shí)產(chǎn)生的問題。綜上所述，隧道內(nèi)部采用泄漏電纜更加理想。

為保證隧道與室外信號(hào)平滑過渡，一般在隧道口安裝RRU搭配高增益窄波瓣板狀天線對(duì)隧道口外進(jìn)行覆蓋。

4 實(shí)際應(yīng)用

4.1 高鐵概況

遂渝鐵路是中國(guó)西部首條高速鐵路，設(shè)計(jì)時(shí)速250km，全長(zhǎng)190km，其中重慶境內(nèi)約148km，隧道長(zhǎng)度約72km，隧洞82個(gè)，最長(zhǎng)隧洞約5km。遂渝線隧洞總體較多，長(zhǎng)隧道占較大比例，隧道對(duì)整個(gè)鐵路覆蓋效果的影響較大。

4.2 工程規(guī)模

本工程共包括宏蜂窩基站141個(gè)，其中利舊2G站址基站45個(gè)，新選站址96個(gè)，共站率為31.91%，隧道覆蓋共使用259個(gè)RRU。本工程宏站及隧道分布系統(tǒng)共配置S1站點(diǎn)28個(gè)，S11站點(diǎn)49個(gè)，新增載波126個(gè)。

4.3 典型場(chǎng)景

圖3為一段完整的鐵路覆蓋示意圖，其中包含了連續(xù)宏站覆蓋、跨江覆蓋、隧道口覆蓋、短隧道覆蓋、短隧道群覆蓋以及長(zhǎng)隧道多種典型場(chǎng)景示例。

（1）連續(xù)宏站覆蓋

該項(xiàng)目規(guī)劃時(shí)，主設(shè)備支持能力較弱。對(duì)于宏站，為盡量減少切換次數(shù)，按照BBU+RRU的典型組網(wǎng)單元為1個(gè)BBU+4個(gè)雙通道RRU進(jìn)行組網(wǎng)，“北碚先鋒村”與“先鋒村拉遠(yuǎn)二”這2個(gè)站點(diǎn)合并為同一小區(qū)，上端機(jī)房為先鋒村，兩站站間距約為500m。

（2）隧道口覆蓋

為使隧道口與隧道外信號(hào)平滑過渡，專門設(shè)計(jì)了高增益的室外覆蓋板狀天線安裝于隧道口附近，并且盡量與隧道口附近宏站合并小區(qū)，以避免隧道口發(fā)生切換。如圖3所示，LTE127與干壩子隧道口，LTE127站的2個(gè)RRU與干壩子隧道中左側(cè)4個(gè)RRU同屬一個(gè)小區(qū)，干壩子隧道中右側(cè)1個(gè)RRU與LTE126站單扇區(qū)等同屬另一個(gè)小區(qū)；兩小區(qū)切換帶設(shè)置于干壩子隧道內(nèi)。

（3）跨江覆蓋

由于江面信號(hào)一般比較雜亂，也是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難點(diǎn)，所以在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡量避免切換發(fā)生在過江帶。為此，干壩子隧道右側(cè)隧道口與桐子浩隧道左側(cè)隧道口合并為同一小區(qū)。兩隧道口之間江面寬度約為1km，兩隧道口RRU因站軌距較小，覆蓋1km預(yù)計(jì)比較困難，故在桐子浩隧道口附近、站軌距約100m之處增加LTE126單扇區(qū)，增加桐子浩隧道口一側(cè)覆蓋距離，以提高江面覆蓋的連續(xù)性。

（4）短隧道覆蓋

為保證隧道覆蓋，避免列車隧道內(nèi)的填充效應(yīng)，未采用隧道天線或者室外信號(hào)進(jìn)行覆蓋，本項(xiàng)目隧道覆蓋全部采用泄漏電纜覆蓋。隧道口一般專門采用室外窄波瓣高增益天線與RRU搭配的方式對(duì)隧道口外進(jìn)行覆蓋，以增加隧道口信號(hào)的連續(xù)性。如桐子浩隧道長(zhǎng)約233m，單小區(qū)即可完成該隧道覆蓋。

（5）隧道群覆蓋

圖3 遂渝鐵路組網(wǎng)示意圖

對(duì)于隧道口間距為500m以內(nèi)的連續(xù)隧道群，在短隧道覆蓋的基礎(chǔ)上，需考慮單小區(qū)容納RRU數(shù)量，超過單小區(qū)容納RRU數(shù)量之處則需設(shè)置切換點(diǎn)。因隧道口隧道內(nèi)信號(hào)相對(duì)純凈，又垂直于窗口進(jìn)入列車，輻射夾角最大，更加利于不同小區(qū)信號(hào)的切換穩(wěn)定，故切換點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置于隧道內(nèi)而避免在隧道口。如圖3中的劉家溝隧道與西山坪隧道（多于2個(gè)隧道的連續(xù)隧道群同理，以此類推），隧道口間距只有120m，在保證兩隧道口同一小區(qū)后，隧道內(nèi)還有其它RRU因同小區(qū)只能容納6個(gè)單通道RRU的設(shè)備能力，無(wú)法與隧道口RRU共小區(qū)，所以在西山坪隧道內(nèi)設(shè)置切換區(qū)。

（6）長(zhǎng)隧道覆蓋

隧道內(nèi)RRU安裝間距約為500m，且兩個(gè)RRU之間通過泄漏電纜連通，即不同小區(qū)的兩個(gè)信號(hào)可以在同一根泄漏電纜中同時(shí)傳播，從而實(shí)現(xiàn)了重疊覆蓋區(qū)。根據(jù)上文關(guān)于泄漏電纜傳播模型的論述可知，間距500m的RRU的分布距離可以滿足單邊覆蓋距離以及重疊覆蓋區(qū)的要求，而且隧道內(nèi)信號(hào)相對(duì)純凈，又垂直于窗口進(jìn)入列車，輻射夾角最大，更加利于不同小區(qū)信號(hào)的切換穩(wěn)定。對(duì)于長(zhǎng)度超過單小區(qū)6個(gè)單通道RRU覆蓋的長(zhǎng)隧道，隧道內(nèi)切換則不可避免，如新西山坪隧道。在滿足兩側(cè)隧道口覆蓋要求后，隧道內(nèi)剩余RRU組成同一小區(qū)，在隧道內(nèi)將發(fā)生兩次切換。需要特別說明的是，西山坪隧道和新西山坪隧道為遂渝鐵路雙向單軌的運(yùn)行隧道，且同側(cè)的兩隧道口相距約為10m，為保證兩隧道口信號(hào)的純凈，故兩隧道口RRU設(shè)計(jì)為同一小區(qū)。

（7）設(shè)備配置

從圖3中可以發(fā)現(xiàn)，標(biāo)注“上端：先鋒村”的小區(qū)有5個(gè)，即有5個(gè)小區(qū)的設(shè)備安裝于基站“先鋒村”機(jī)房?jī)?nèi)。由于本項(xiàng)目采用的是S1和S11這2種BBU，因此在先鋒村基站機(jī)房?jī)?nèi)將安裝3臺(tái)BBU，即1臺(tái)配置為S1和2臺(tái)配置為S11的BBU，從而節(jié)省了因BBU安裝于不同機(jī)房的相關(guān)資源。

5 結(jié)束語(yǔ)

隨著技術(shù)的更新?lián)Q代，主設(shè)備單小區(qū)支持RRU數(shù)量將大幅增加，從而切換帶會(huì)大大減少，但同時(shí)從安全角度考慮，若同一機(jī)房拉遠(yuǎn)過多設(shè)備，一旦發(fā)生事故，影響也會(huì)過大，所以切換和安全兩者需綜合考慮。目前鐵路覆蓋，特別是丘陵地帶TD-LTE系統(tǒng)鐵路覆蓋還是一個(gè)新課題，需在實(shí)踐中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)和不足，本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)為我國(guó)山地高速鐵路覆蓋提供了參考。

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Researches on TD-LTE High-Speed Railway Coverage in Hilly Area

HU Dong

(GCI Science & Technology Co., Ltd., Chongqing 400000, China)

Impacts of TD-LTE’s networking mode, high-speed movement, link budget, handover overlapped zone budget and cell combination on design were researched and corresponding solutions to networking mode, inter-site spacing and equipment configuration were drawn up and practiced. Research demonstrates that albeit similarity being common to variant systems, TD-LTE high-speed railway coverage in hilly area requires highly strict conditions.

TD-LTE hilly area high-speed railway coverage

TN929.5

A

1006-1010(2015)20-0024-06

胡東. TD-LTE網(wǎng)絡(luò)丘陵地帶高速鐵路覆蓋研究[J]. 移動(dòng)通信, 2015,39(20): 24-29.

2015-10-10

袁婷 yuanting@mbcom.cn

胡東：中級(jí)工程師，學(xué)士畢業(yè)于北京廣播學(xué)院（現(xiàn)中國(guó)傳媒大學(xué)），現(xiàn)任廣州杰賽科技股份有限公司通信規(guī)劃設(shè)計(jì)院西南分院無(wú)線單項(xiàng)負(fù)責(zé)人，從事無(wú)線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計(jì)工作。