程楠，王西點，王磊（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

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高鐵環(huán)境下的LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究

程楠，王西點，王磊
（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司，北京 100080）

摘要在高鐵場景下，由于信道變化速度較快，其上行信道先驗估計不是很準確，因此DRX，頻選調(diào)度，半靜態(tài)調(diào)度等功能需要在高速場景關(guān)閉，同時需要對移動性相關(guān)參數(shù)、同步參數(shù)、傳輸模式參數(shù)、前導(dǎo)碼參數(shù)等進行特殊的設(shè)置，并且高鐵場景需要做好專網(wǎng)建設(shè)，有針對性的設(shè)置專網(wǎng)與公網(wǎng)之間的單向鄰區(qū)，以保證用戶的感知。

關(guān)鍵詞高鐵；DRX；TAT；preamble

1　高鐵環(huán)境分析

在高鐵環(huán)境中，由于移動體周圍有許多散射、反射和折射體，引起LTE信號的多徑傳輸，使到達的信號之間相互疊加，合成的信號幅度快速的起伏變化，由于高鐵用戶與基站的相對運動，每個多徑波都會有一個明顯的頻率移動。由運動引起的接收信號頻率的移動稱為多普勒頻移fD，它與移動用戶的運動速度成正比，如下式所示。

其中v為移動臺的運動速度； λ為無線電波長； θ為電波和移動臺運動的夾角。 在F頻段，及D頻段，fD=車速/波長＝車速×fF/D/3。而對于高鐵這種情況，下行頻偏是fd，上行頻偏是2倍的fd頻偏。對于LTE系統(tǒng)，取典型參數(shù)估算如下，可見，在高鐵場景下，符號時長都是小于相干時間，即一個符號時間內(nèi)，沒有經(jīng)歷快衰落，而子幀長度1 ms時間范圍內(nèi)，300 km/h的速度下，就會經(jīng)歷快衰落。如表1所示。

表1　高鐵場景下LTE網(wǎng)絡(luò)是否經(jīng)歷快衰

在高速移動中去跟蹤快衰落是很困難的，這是測量的延遲，系統(tǒng)調(diào)度指令和處理的延遲所致，目前許多廠家都采用了高速頻率估計和補償算法，可以將頻偏帶來的大尺度衰落降至最低，在高速狀態(tài)下頻偏值為1 500 Hz時，性能損失僅為0.2 dB左右，影響較小。

因此，在高速場景下，如果采用了頻偏估計和補充技術(shù)，可以主要關(guān)注上行信道先驗信息不準帶來的問題。

2　LTE參數(shù)設(shè)置研究

高鐵環(huán)境下，由于信道變化速度較快，其上行信道先驗估計不是很準確，因此許多功能需要在高速場景中關(guān)閉，比如：

（1）建議關(guān)閉半靜態(tài)調(diào)度和頻選調(diào)度：高速場景由于信道變化太快，無法保證半靜態(tài)調(diào)度及頻選調(diào)度的性能，需要關(guān)閉。

（2）建議關(guān)閉DRX：由于信道質(zhì)量變化過快，導(dǎo)致基站與UE的DRX狀態(tài)不一致，會對調(diào)度產(chǎn)生影響，建議關(guān)閉DRX。

（3）建議配置CQI和ACK不同時發(fā)送：由于高速小區(qū)信道變化太快，CQI和ACK同時解調(diào)性能較差，建議配置CQI和ACK不同時發(fā)送。

同時，對于高鐵場景，還需要對移動狀態(tài)參數(shù)、重選參數(shù)、切換參數(shù)、傳輸模式、Time Alignment Timer參數(shù)，Preamble隨機接入前導(dǎo)碼的分配等進行特殊配置，下面將進行詳細說明。

2.1移動狀態(tài)參數(shù)設(shè)置分析

對于高鐵的場景，常采用多CP合并的超級小區(qū)技術(shù)，以減少用戶在列車運行過程中的切換和重選次數(shù)，簡化小區(qū)間干擾情況，提升小區(qū)上下行吞吐量，而多CP技術(shù)對移動狀態(tài)參數(shù)有所影響。

按照協(xié)議分析，中速移動狀態(tài)是在持續(xù)時間TCRmax內(nèi)，NCR_M<小區(qū)重選的數(shù)目<=NCR_H，高速移動狀態(tài)是在持續(xù)時間TCRmax內(nèi)，小區(qū)重選的數(shù)目>NCR_H，即NCR_H>NCR_M，而部分廠家實現(xiàn)NCR_H可以等于NCR_M，即不區(qū)分中、高速。

目前京滬高鐵主要采用的是12RRU合并的方式，小區(qū)覆蓋范圍主要為6km左右，主要承載動車和高鐵，除了停站的狀態(tài)，動車的車速是200～250 km/h，高鐵是300 km/h，則在TCRmax時間內(nèi)小區(qū)重選的個數(shù)如表2所示。

表2　移動速度與小區(qū)重選數(shù)目的關(guān)系

在這種情況下，若按照協(xié)議NCR_H> NCR_M的設(shè)置，NCR_M只能設(shè)置為1，NCR_H只能設(shè)置為2，但在TCRmax設(shè)置為180 s時，將會出現(xiàn)其時間范圍內(nèi)小區(qū)重選的個數(shù)為0，將200 km/h的高速移動誤判為靜止或者是中速移動，在TCRmax設(shè)置為240 s時，將會200 km/h的高速移動誤判為中速移動。因此在NCR_H> NCR_M的設(shè)置情況下，建議關(guān)閉速度選擇。

如果按照NCR_H可以等于NCR_M的設(shè)置，則需設(shè)置NCR_H=NCR_M=1，參數(shù)設(shè)置基本固定。

從以上分析可以看出，對于帶有超級小區(qū)的高鐵場景，特別是12RRU合并的這種情況，移動狀態(tài)參數(shù)的設(shè)置比較有限，而協(xié)議規(guī)定SIB3下發(fā)的速度狀態(tài)是可選項，可關(guān)閉速度選擇，如果需要設(shè)置速度狀態(tài)參數(shù)，則建議TCRmax=240 s，在NCR_H必須大于NCR_M的情況下，設(shè)置NCR_H=2，NCR_M=1；在NCR_H可以等于NCR_M的情況下，設(shè)置NCR_H=1，NCR_ M=1。

2.2LTE網(wǎng)絡(luò)隨機接入?yún)?shù)設(shè)置分析

LTE終端根據(jù)網(wǎng)絡(luò)SIB2下發(fā)的根索引序列(rootSequenceIndex，對應(yīng)Nzc）、零相關(guān)配置（zeroCorrelationZoneConfig，對應(yīng)Nzc）和高速標識（High Speed Flag）生成的Preamble序列，Preamble序列生成如下：

xu，v(n) =xu((n+Cv)modNzc）

其中xu是第u個Zadoff-Chu序列的產(chǎn)生算法，Cv是生成Preamble序列的循環(huán)移位，Nzc是隨機接入前導(dǎo)序列長度。

用于生成Preamble序列的循環(huán)移位Cv計算公式如下：

限制集（Restricted Sets）對應(yīng)高速小區(qū)，非限制集（Unrestricted Sets）對應(yīng)非高速小區(qū)，根據(jù)高速標識（High Speed Flag）的不同，Cv的取值不同。

高速場景使用限制集的Cv的計算取決于du的取值，協(xié)議中規(guī)定du有3個取值范圍，在NCS≤du

如果du落入其他取值范圍，限制集Preamble序列生成方式的正確理解應(yīng)為：使用du落在NCS≤du< NZC/3、NZC/3≤du≤(NZC-NCS)/2取值范圍內(nèi)的物理根序號u生成的Preamble序列，如果du落入其他取值范圍，則跳過這個邏輯根序號，順序查找下一個根序號，直到du落入NCS≤du

現(xiàn)階段，建議網(wǎng)絡(luò)側(cè)優(yōu)先考慮參數(shù)配置，如表3所示，以避免落入終端和網(wǎng)絡(luò)對協(xié)議理解不一致而造成隨機接入失敗問題。

為確保網(wǎng)絡(luò)設(shè)備兼容兩種終端，highSpeedFlag 為True的小區(qū)需根據(jù)小區(qū)隨機接入前導(dǎo)格式及小區(qū)半徑選擇合適的rootSequenceIndex（對應(yīng)NZC）和zeroCorrelationZoneConfig（對應(yīng)NZC），并規(guī)避部分邏輯根序列，同時需要保證同頻組網(wǎng)的高鐵網(wǎng)絡(luò)和相鄰公網(wǎng)小區(qū)的邏輯根序列不重疊。

表3　高速場景下隨機接入?yún)?shù)設(shè)置建議

2.3移動性參數(shù)設(shè)置分析

高鐵場景下，由于終端移動速度很快，可達到350 km/h，重選及切換參數(shù)需要進行優(yōu)化，并且需要合理設(shè)置重疊覆蓋區(qū)，加速切換，避免用戶在源小區(qū)因切換不及時而掉線，由于在高鐵場景下，移動方向性相對確定，因此可以采用相對比較激進的時延參數(shù)。但對于站臺等靜止或車速較低的地方，切換參數(shù)不用過于靈敏，以防乒乓切換。

建議鐵路沿線地區(qū)優(yōu)化重選參數(shù)，降低質(zhì)量差（q-Offset+q-Hyst）門限，減小Treselection，合理設(shè)置重疊覆蓋區(qū)，保證小區(qū)重選成功率；同時，鐵路沿線地區(qū)需優(yōu)化切換參數(shù)，降低質(zhì)量差（q-Offset + Hysteresis）門限， 例如達到2 dB或者更小， 就允許切換，縮短切換時延（例如Timertotrigger為128 ms或者更?。?，重疊區(qū)滿足一次切換的需要（例如200 m）；而站臺等靜止或車速較低的地方可與公網(wǎng)保持一致。

2.4 高鐵場景的傳輸模式選擇

由于信道變化太快，估計的波束賦形權(quán)值不能反應(yīng)當時的信道條件，波束賦形性能無增益，不建議支持波束賦形特性。而TM3是比較適合高速場景的傳輸模式，由表4某高鐵沿線的測試數(shù)據(jù)看，TM3的測試結(jié)果要好于TM2，建議采用TM3模式。

表4　高鐵場景TM2和TM3的效果對比

2.5Time Alignment Timer參數(shù)設(shè)置分析

LTE網(wǎng)絡(luò)中，Time Alignment Timer為UE上行時間對齊的定時器長度，用于控制UE認為上行同步的時間長度，LTE中的時間提前量的步長為16個抽樣點，即16個抽樣點帶來的時延誤差可以接受，抽樣點間隔為Ts=1/(15 000×2 048)，對應(yīng)于156 m。

若高鐵速度計算350 km/h，按照TAT可配置數(shù)值，若TAT設(shè)置為sf1280，用戶移動距離124 m，若TAT設(shè)置為sf1920，用戶移動距離187 m，因此，為保證用戶不要超過156 m的時延誤差，保證上行定時性能，網(wǎng)絡(luò)側(cè)假設(shè)UE保持同步的持續(xù)時長不宜超過1 280 ms。

3　異系統(tǒng)互操作建議

由于高鐵用戶移動速度過快，因此LTE公網(wǎng)很難滿足用戶的切換需求，高鐵區(qū)域的重疊覆蓋帶的設(shè)計如圖1所示，高鐵區(qū)域的切換重疊覆蓋帶需要足夠長以滿足高速用戶切換的需求。

圖1　高鐵區(qū)域的重疊覆蓋帶設(shè)計

A區(qū)域為鄰區(qū)強度達到切換門限所需距離，B區(qū)域為滿足切換事件至切換完成所需距離。如果LTE專網(wǎng)與公網(wǎng)采用異頻組網(wǎng)，兩個頻段采用相同的優(yōu)先級，切換采用A3事件，則對于用戶從LTE公網(wǎng)切到LTE高鐵專網(wǎng)的情況，涉及參數(shù)包括A3-Offset，Hysteresis，Time-to-Trigger，OffsetFreq，假設(shè)A3-Offset+Hysteresis=3 dB，Time-to-Trigger=320 ms，OffsetFreq=0（目前的常用設(shè)置）。則切換重疊覆蓋帶的距離如表5所示。

表5　高鐵LTE專網(wǎng)與LTE公網(wǎng)的重疊覆蓋帶距離需求

從表5可以看出，重疊覆蓋帶較長，若加上一定的富裕度，LTE專網(wǎng)與LTE公網(wǎng)的切換帶需達到200～300 m，而LTE公網(wǎng)在郊區(qū)的站間距大概700 m左右（某市統(tǒng)計數(shù)據(jù)），一個小區(qū)的覆蓋半徑350 m左右，因此，公網(wǎng)小區(qū)與公網(wǎng)小區(qū)的切換帶基本上達不到需求，并且由于列車的損耗很高，可達25～30 dB，在公網(wǎng)小區(qū)的設(shè)計需求下，很難達到高鐵的覆蓋需求。

同理，對于TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)，F(xiàn)頻段傳播模型差別不大，而切換遲滯為2 dB～3 dB，Timetotrigger為640 ms或1 280 ms，對于高鐵環(huán)境下，TD-SCDMA公網(wǎng)如要支撐高鐵用戶，TD-SCDMA的切換區(qū)域需要達到300～400 m，目前的TDS網(wǎng)絡(luò)覆蓋也基本上達不到高鐵的需求。

4　高鐵場景鄰區(qū)設(shè)置建議

從以上分析可以看出，高鐵場景首先需要做好專網(wǎng)建設(shè)，同時，還需要解決公網(wǎng)用戶競爭高鐵用戶資源，導(dǎo)致高鐵用戶資源難以保證問題，即需要設(shè)置單向鄰區(qū)。

因此，高鐵場景的互操作場景建議如下：

（1）存在3G專網(wǎng)：農(nóng)村沿線（沿線沒有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與3G專網(wǎng)互配鄰區(qū)；城區(qū)沿線（沿線有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與3G專網(wǎng)互配鄰區(qū)；車站場景下高鐵專網(wǎng)與3G專網(wǎng)互配鄰區(qū)。

（2）存在2G專網(wǎng)：農(nóng)村沿線（沿線沒有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與2G專網(wǎng)互配鄰區(qū)；城區(qū)沿線（沿線有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與2G專網(wǎng)互配鄰區(qū)；車站場景下高鐵專網(wǎng)與2G專網(wǎng)互配鄰區(qū)。

（3）存在2G公網(wǎng)：農(nóng)村沿線（沿線沒有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與2G公網(wǎng)互配鄰區(qū)，保證CSFB；城區(qū)沿線（沿線有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與2G公網(wǎng)互配鄰區(qū)，保證CSFB；車站場景下高鐵專網(wǎng)與2G專網(wǎng)互配鄰區(qū)。

（4）存在3G公網(wǎng)：農(nóng)村沿線（沿線沒有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與3G公網(wǎng)不配鄰區(qū)；城區(qū)沿線（沿線有用戶分布）場景下4G專網(wǎng)配置3G公網(wǎng)的單向鄰區(qū)，切換的觸發(fā)時間盡量長，以防止專網(wǎng)用戶切到公網(wǎng)上，以避免由于切換不及時造成掉線的可能，同時可以讓誤入專網(wǎng)的用戶切出專網(wǎng)。3G公網(wǎng)不用配置4G專網(wǎng)，以防止公網(wǎng)用戶切到專網(wǎng)；車站場景下高鐵專網(wǎng)與3G公網(wǎng)互配鄰區(qū)，4G向3G切換的觸發(fā)時間適當延長，防止不停站的用戶切到公網(wǎng)，以避免由于切換不及時造成掉線的可能。

（5）存在4G公網(wǎng)：農(nóng)村沿線（沿線沒有用戶分布）場景下高鐵專網(wǎng)與4G公網(wǎng)不配鄰區(qū)；城區(qū)沿線（沿線有用戶分布）場景下4G專網(wǎng)配置4G公網(wǎng)的單向鄰區(qū)，切換的觸發(fā)時間盡量長，以防止專網(wǎng)用戶切到公網(wǎng)上，以避免由于切換不及時造成掉線的可能，同時可以讓誤入專網(wǎng)的用戶切出專網(wǎng)。4G公網(wǎng)不用配置4G專網(wǎng)，以防止公網(wǎng)用戶切到專網(wǎng)；車站場景下高鐵專網(wǎng)與4G公網(wǎng)互配鄰區(qū)，4G專向4G公切換的觸發(fā)時間適當延長，防止不停站的用戶切到公網(wǎng)，以避免由于切換不及時造成掉線的可能。

5　總結(jié)

在高鐵場景下，由于信道變化速度較快，其上行信道先驗估計不是很準確，因此DRX，頻選調(diào)度，半靜態(tài)調(diào)度等功能需要在高速場景關(guān)閉，同時需要對移動性相關(guān)參數(shù)，同步參數(shù)，傳輸模式參數(shù)，前導(dǎo)碼參數(shù)等進行特殊的設(shè)置，并且高鐵場景需要做好專網(wǎng)建設(shè)，有針對性的設(shè)置專網(wǎng)與公網(wǎng)之間的單向鄰區(qū)，以保證用戶的感知。

參考文獻

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[4]3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)[S].Physical layer procedures.

Research on LTE network optimization in high-speed rail environment

CHENG Nan, WANG Xi-dian, WANG Lei
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractIn the high-speed rail scenario, due to the fast channel variation speed, the uplink channel evaluation is not very accurate.Therefore, some functions, such as DRX, frequency selective scheduling need to be closed, and mobility related parameters, synchronization parameters, transmission mode parameters and preamble parameters should be set reasonably in high speed environment.Meanwhile, the adjacent cells should be allocated suitably to guarantee the user's perception.

Keywordshigh-speed rail scenario; DRX; TAT; preamble

收稿日期：2015-06-29

中圖分類號TN929.5

文獻標識碼A

文章編號1008-5599（2016）03-0020-05