江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司 孔繁俊 李曉陽 周 輝

長期演進高鐵覆蓋解決方案

江蘇省郵電規(guī)劃設計院有限責任公司 孔繁俊 李曉陽 周 輝

由于鐵路場景的特殊性和高速移動對網(wǎng)絡的影響，高鐵車體損耗比普通列車增大約11 dB，覆蓋難度大，導致用戶的感知度降低。論述了高速鐵路場景LTE（長期演進）覆蓋的解決方案。研究不同類型的解決方式在實際網(wǎng)絡中的應用案例及實測效果，有助于運營商搭建合理的網(wǎng)絡，制定合理的高鐵覆蓋建設方案。

高速鐵路；移動通信；覆蓋

隨著鐵路的提速，高速鐵路對通信網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量要求越來越高，而由于鐵路場景的特殊性與高速移動對網(wǎng)絡各個方面的影響，導致用戶的感知度大大降低，終端高速運動下的無線網(wǎng)絡表現(xiàn)一直是各通信設備制造商和運營商努力改善的內(nèi)容之一。

在高速鐵路環(huán)境下，無線信道的性能發(fā)生急劇的變化，大量的測試結(jié)果表明，影響網(wǎng)絡性能的主要因素有：終端移動速度、動車組列車的穿透損耗、多普勒效應、無線傳播環(huán)境等。

1 高速列車場景的網(wǎng)絡覆蓋特點

1.1 車體穿透損耗大

高速列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH（中國高速鐵路）列車具有不同的穿透損耗，見表1。

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車體的損耗越大，在相同車外電平情況下，意味著車內(nèi)覆蓋減小，車內(nèi)電平的下降將會導致掉話率、切換成功率、接入成功率等KPI（關(guān)鍵績效指標）指標發(fā)生變化，網(wǎng)絡的性能下降，高鐵車體損耗比普通列車增大約11 dB，覆蓋難度大。

1.2 多普勒頻偏

根據(jù)多普勒原理，當移動臺移向基站時頻率變高，遠離基站時頻率變低。高鐵進行時與基站的相對位置不同，多普勒頻偏也會不同，見圖1。表2為不同工作頻率下的多普勒頻偏的統(tǒng)計?？梢钥闯觯诟咚龠\動的情況下，帶來的多普勒頻偏影響較大，在車速350 km的情況下，LTE的頻偏達到了1.2 kHz。

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雖然LTE使用了20 MHz的寬頻帶，但由于子載波都是使用的15 kHz的小帶寬頻率，所以頻偏帶來接收機性能下降影響較大。目前華為和中興等廠家采用AFC（自動頻率校正）算法對頻偏進行自動校正。

1.3 高速影響性能

在UE（用戶設備）高速場景下，對切換的性能會有較大的影響。為保證用戶無縫移動性及QoS（服務質(zhì)量），最基本的要求就是用戶通過切換區(qū)域的時間要大于切換的處理時間，否則切換流程無法完成，會造成用戶的QoS下降甚至掉話。在高速場景下，由于UE駐留時間小于小區(qū)選擇過程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡問題。

相同的覆蓋區(qū)域，速度越高終端穿越覆蓋區(qū)域的時間越短；當終端移動速度足夠快，可能導致穿越覆蓋區(qū)的時間小于系統(tǒng)切換處理最小時延，從而引起切換失敗、產(chǎn)生掉線，需要考慮覆蓋區(qū)域的重疊區(qū)大小。如圖2，相同切換區(qū)大小，速度越高終端穿越切換區(qū)的時間越小；當終端移動速度足夠快，可能導致穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)切換處理最小時延，從而引起切換失敗、產(chǎn)生掉話，因此高鐵需重新考慮切換重疊區(qū)的大小。

1.4 高鐵旅客寬帶上網(wǎng)業(yè)務需求

對于高鐵環(huán)境，主要為中、高端用戶聚集場景，應重點保證這部分用戶的良好體驗，LTE對傳輸能力有大幅提高，用戶也將更多使用視頻、游戲等高流量業(yè)務。表3為統(tǒng)計高鐵主要用戶使用的業(yè)務，在不同業(yè)務線的帶寬需求統(tǒng)計。

采用2T2R（2發(fā)4收）天線，適用于市區(qū)、郊區(qū)，沿途車站，鐵路有弧度的區(qū)域。

2.1.2 主設備選型

優(yōu)先采用BBU（基帶單元）/RRU級聯(lián)方式，同PCI碼設置、優(yōu)化設備組合，降低切換次數(shù)。

簡化高鐵小區(qū)切換關(guān)系，明確各路段的主控小區(qū)，使高鐵UE用戶盡量只駐留在高鐵小區(qū)進行通信，為減少切換時延與信號抖動對高鐵LTE網(wǎng)絡可能造成的業(yè)務性能降級，可采用RRH（射頻拉遠頭）級連（RRH daisy chain）的多小區(qū)合并。

2.2 覆蓋重疊區(qū)及多小區(qū)合并

滿足手持終端上的在線視頻、游戲、電影、IPTV（網(wǎng)絡電視）等高帶寬業(yè)務至少滿足邊緣速率上行512 kb/s、下行2 Mb/s的需求。

2.2.1 覆蓋重疊區(qū)

高鐵列車在經(jīng)過兩個不同小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)時，需要進行小區(qū)切換。切換的時延影響重疊覆蓋區(qū)的設計。切換時延是從UE測量到目標小區(qū)信號強度高于服務小區(qū)信號強度某個門限開始，到切換完成所需時間。為減少切換時延對網(wǎng)絡的影響，規(guī)劃設計時應設置重疊區(qū)，提升用戶感知。表4為高鐵在不同速率下的基站重疊長度的要求，為滿足切換時延要求，一般最低切換重疊長度要求在222 m以上。

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2 高鐵覆蓋解決思路

根據(jù)LTE的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)，覆蓋解決體現(xiàn)如下方面。

2.1 組網(wǎng)策略

2.1.1 天線選型

采用2T4R（2發(fā)4收）天線，基站覆蓋范圍大，適用于周邊用戶比較少的農(nóng)村區(qū)域，鐵路較筆直的區(qū)域。

2.2.2 多小區(qū)合并

為減少切換時延與信號抖動對高鐵LTE網(wǎng)絡可能造成的業(yè)務性能降級，可采用多小區(qū)合并。

2.3 選址原則

站點距鐵軌距離要求，圖3為掠射角的定義，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20°以后，穿透損耗增加的斜率變大。

2.4 站間距要求

在某地市的LTE一期基站中，有部分站點位于高鐵沿線。選取100、200、300、400、500、600 m等不同的站軌距離進行了驗證測試。如圖4所示來確定不同站軌距離的覆蓋規(guī)律。

從圖3可以看出，最合適的站軌距離為250～350 m，此時單站覆蓋距離為1.6 km，扣除切換帶后單站覆蓋距離為1.4 km。

2.5 其他原則

為了保證在高鐵上的良好覆蓋，在站址規(guī)劃是還需要考慮以下原則，具體如下：

1）對于直線鐵軌，最佳為“之”字形布站方式；

2）隧道場景，一般采用泄漏電纜進行覆蓋，天饋安裝高度一般在車窗上方位置的隧道墻壁；

3）在列車軌道彎曲部分布站時，站點要選擇在曲線彎曲的內(nèi)側(cè)，減小多普勒頻移的影響，

4）橋梁場景，優(yōu)先建議在橋梁兩側(cè)架設天線進行覆蓋。

3 高鐵組網(wǎng)方案

高鐵組網(wǎng)方案對高鐵采用專網(wǎng)覆蓋方案，即采用專網(wǎng)對鐵路沿線進行覆蓋的方案，只用于高鐵列車內(nèi)的用戶通信。專網(wǎng)組網(wǎng)除了在車站和列車停留區(qū)域與大網(wǎng)允許切換外，沿線采用鏈形鄰區(qū)設計，不與大網(wǎng)發(fā)生切換。可以很好保證高鐵的用戶在高速移動時切換和重選的路徑，提高通信質(zhì)量；有利于應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)絡參數(shù)值，從而更好地提高整個網(wǎng)絡的質(zhì)量。站臺高速覆蓋時，重點還要考慮公網(wǎng)和專網(wǎng)的切換原則和對應關(guān)系，能夠保證公網(wǎng)用戶順利切入高鐵專網(wǎng)用戶，同時保證離開站臺時，拒絕乒乓位置更新，減少公網(wǎng)用戶干擾專網(wǎng)。

測試情況：京滬高鐵某地市段測規(guī)劃物理站點61個，站點分布情況如圖5所示。從圖6可以看出覆蓋強度大于－85 dBm大于95.6%，全程測試無掉話，無切換失敗。

圖5 京滬高鐵某段站點

圖6 京滬高鐵蘇州段

4 結(jié)束語

針對LTE的高速鐵路覆蓋，本文提出多普勒頻偏補償、穿透損耗克服、切換和重選優(yōu)化設置等三種策略，并提供了高鐵沿線各個特殊場景的站點基本分布原則，通過詳細的規(guī)劃設計確定了各個場景的站間距、站點數(shù)量、工程參數(shù)調(diào)整，并通過實際測試對對覆蓋性能進行了深入的評估?！?/p>