摘 要：當(dāng)前高速鐵路迅猛發(fā)展，高鐵通信需求日益強烈。然而高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中存在諸多的挑戰(zhàn)，如頻譜偏移大、業(yè)務(wù)需求量集中導(dǎo)致容量受限等，這對LTE高鐵無線方案設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也提出了更嚴(yán)格的要求。本文重點討論如何應(yīng)用低速用戶遷出功能緩解高鐵專網(wǎng)容量壓力，包括如何判定入侵高鐵專網(wǎng)的用戶（即低速用戶）、入侵用戶遷出等技術(shù)方案，并對現(xiàn)網(wǎng)應(yīng)用效果進(jìn)行了分析。

關(guān)鍵詞：高鐵；低速用戶；LTE；用戶遷出；多普勒頻移

Abstract：With the rapid development of highspeed railway （HSR）， the demand for highspeed telecommunication is growing. However， there are many challenges in the optimization of highspeed LTE network， such as large Doppler frequency shift， overload of service request， which require the better design and optimization of highspeed LTE network. This paper focuses on how to alleviate the overload of HSR network by determining and emigrating the intrusion of HSR network users （i.e.， lowspeed users）， and analyzes the performance of living network.

Key words：highspeed railway；lowspeed users；LTE；emigrating users；Doppler frequency shift

1 背景

高速鐵路在我國以及全球范圍內(nèi)迅速發(fā)展，高鐵運營里程已達(dá)到3萬公里以上并呈快速增長的趨勢。伴隨著高端人群大規(guī)模、長時間乘坐高鐵頻繁流動，高鐵車地間的通信需求日益強烈。LTE系統(tǒng)憑借帶寬大、時延短、支持運動速度快等特性，為高鐵寬帶無線通信提供了迄今為止最佳的技術(shù)手段。同時，高鐵又帶來了覆蓋受限、線狀覆蓋、頻率偏移大、業(yè)務(wù)需求量集中導(dǎo)致容量受限等問題，這對LTE高鐵無線方案設(shè)計以及網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化也提出了更嚴(yán)格的要求。

1.1 容量對網(wǎng)絡(luò)感知的影響

HN是中國高鐵大動脈的樞紐省份，高鐵通車?yán)锍涛痪尤珖傲校粘８哞F客流量達(dá)到12萬人次，節(jié)日發(fā)送旅客量超過23萬人次（2017年上半年數(shù)據(jù)）。高頻次、高密度的人群使得高鐵LTE小區(qū)平均RRC連接用戶數(shù)達(dá)到380，其中超400的比例高達(dá)53.23%，全線面臨嚴(yán)重容量壓力，直接影響了客戶滿意度。以HN某高鐵線路為例，隨著用戶數(shù)的上升，綜合覆蓋率下滑6%，下載速率下降3Mbps，隨時隨地5M占比從94.19%下降到77.99%，用戶感知下滑嚴(yán)重。

1.2 高鐵潮汐效應(yīng)明顯

高鐵場景下，鐵路沿線一般情況下話務(wù)量需求接近某一常數(shù)，列車經(jīng)過時話務(wù)量劇增，導(dǎo)致忙時話務(wù)量和閑時話務(wù)量差距明顯，呈現(xiàn)明顯的波動趨勢。由于高鐵場景用戶的瞬發(fā)性，用戶駐留專網(wǎng)小區(qū)存在“潮汐現(xiàn)象”。通過分析高鐵專網(wǎng)某小區(qū)小時級話統(tǒng)數(shù)據(jù)（如圖1），可以看出0點6點期間，依然有用戶駐留至專網(wǎng)小區(qū)，而此類“底噪”用戶皆為公網(wǎng)用戶。

通過對高鐵話務(wù)模型分析，高鐵容量由兩部分組成：一部分是公網(wǎng)用戶駐留專網(wǎng)小區(qū)，消耗專網(wǎng)資源；另外一部分是純專網(wǎng)用戶。欲解決專網(wǎng)容量壓力，須從以上兩個維度入手。由于HN地形復(fù)雜，且站間距不能滿足D頻段部署要求，載波擴容實施難度大，因此可以通過低速用戶遷出方案將入侵的公網(wǎng)用戶遷出專網(wǎng)，在最大程度上緩解專網(wǎng)話務(wù)壓力，基本的思路為通過多普勒頻移反求速度做低速用戶判決，然后通過切換手段將用戶“趕出”高鐵專網(wǎng)。

2 技術(shù)原理

2.1 低速用戶遷出基本思路

高鐵線路穿過城市和郊區(qū)時，部分公網(wǎng)用戶會進(jìn)入公網(wǎng)。為了讓專網(wǎng)資源不被公網(wǎng)用戶占用，需要將進(jìn)入高鐵專網(wǎng)的公網(wǎng)用戶遷出到公網(wǎng)中去，從而保證高鐵專網(wǎng)容量。低速用戶遷出示意圖如圖2。

需要注意的是，由于部分低速用戶所在位置公網(wǎng)覆蓋較弱或者無覆蓋，可能無法保證所有的低速用戶都會被遷出。

2.2 多普勒頻移反向推演車速的原理

列車高速運動會導(dǎo)致接收端接收信號頻率發(fā)生變化，頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關(guān)，車速受客觀條件的限制是時變的，所以Doppler頻率擴展也是時變的。

多普勒頻移計算公式為：

Δf=fd=fc×v×cosθ

其中：

Δf為多普勒頻移，上行多普勒頻移計算時f對應(yīng)上行發(fā)射頻率，下行多普勒頻移計算時f對應(yīng)下行發(fā)射頻率，對于LTE TDD系統(tǒng)來說，上下行頻率是一樣的；

θ為終端移動方向和信號傳播方向的角度；

v是終端運動速度，m/s；

c為電磁波傳播速度，3*10^8m/s；

f為載波頻率。

圖3為高鐵場景通信時多普勒頻移示意圖，假設(shè)頻偏后接收到的頻率為f0，當(dāng)移動臺靠近基站時為f0=f+fd，當(dāng)移動臺遠(yuǎn)離基站時為f0=ffd：

圖3 多普勒頻移示意圖

假設(shè)上下行頻率都為f0，從圖3可以可知，UE遠(yuǎn)離基站時候會產(chǎn)生一個fd的頻偏，即UE的工作頻率為f0fd，因此上行發(fā)射頻率為f0fd。在上行接收端，由于UE遠(yuǎn)離基站帶來fd的頻偏，可知此時基站接收到的頻率為（f0fd）fd=f02fd，上下行多普勒頻移情況見表1。

同理，UE接近基站時候會產(chǎn)生一個fd的頻偏，基站接收到頻率為f0+2fd。

假設(shè)用戶移動方向和基站信號傳播方向的夾角為0或180度，此時為最大頻偏，不同頻段和不同速度時候的最大頻偏計算結(jié)果見表2：

基站側(cè)通過解析UE頻偏值（上行方向），根據(jù)多普勒公式可以反解出當(dāng)前頻偏值下對應(yīng)的車速，但是會存在一定的誤判，誤判的主要是來源于角度對于判決的影響，因此低速遷出在功能設(shè)計上不能以某一時刻作為判決門限，而是對某一時間段綜合評判達(dá)到一定次數(shù)，從而更加準(zhǔn)確地識別車速。

2.3 低速用戶遷出方案流程

通過對頻偏的解析，可以完成對用戶移動速度的反解，從而獲得用戶的移動速度，當(dāng)用戶的移動速度低于一定門限時，則eNodeB認(rèn)為該用戶為低速用戶。在eNodeB側(cè)可以周期性選擇一定量的無QCI1承載（VoLTE語音）的低速用戶，通過定向切換的方式切換到公網(wǎng)中去。當(dāng)eNodeB執(zhí)行低速用戶遷出時，只選擇低速異頻頻點（即宏網(wǎng)異頻頻點）作為測量頻點，如果沒有配置低速異頻頻點，則停止異頻切換?？傮w的方案流程見圖4：

3 方案部署

對于部署低速用戶遷出場景需要做一定的要求，確保功能開啟后，遷出正常，對于符合條件小區(qū)進(jìn)行遴選，建議選擇場景情況如下：

（1）城區(qū)或郊區(qū)場景，周邊存在大量公網(wǎng)用戶進(jìn)入專網(wǎng)小區(qū)；

（2）高鐵車速大于120Km/h以上區(qū)域可以全部開啟，車站與低速運行區(qū)間禁止開啟；

（3）高鐵專網(wǎng)與周邊公網(wǎng)屬于異頻組網(wǎng)場景；

（4）高鐵周邊站點條件要求：

A.低速用戶遷出功能要求公網(wǎng)覆蓋，考慮部分終端的感知，建議公網(wǎng)覆蓋要高于105dbm（若僅考慮遷出效果，可以適當(dāng)降低門限值）；

B.按照105dbm的鏈路預(yù)算，并考慮房屋的穿損9db，周邊公網(wǎng)與專網(wǎng)的垂直距離不宜過大，建議在1.2公里范圍內(nèi)；

C.公網(wǎng)覆蓋空洞區(qū)域無效果，例如橋梁、隧道、大河，或是公網(wǎng)覆蓋明顯無覆蓋的區(qū)域。

4 應(yīng)用效果

4.1 功能生效情況

HN選取符合條件的小區(qū)共計94個，部署低速用戶遷出方案，日均低速用戶異頻切換出執(zhí)行成功次數(shù)達(dá)到68910次，具體數(shù)據(jù)見表3。

以HN省某地市高鐵LTE專網(wǎng)小區(qū)為例，開啟該小區(qū)低速用戶遷出功能后可以看出該小區(qū)各個時段均有遷出（見圖5），可見該功能已經(jīng)生效。

4.2 功能實施效果

對比功能開啟前后，高鐵專網(wǎng)全天平均RRC連接用戶數(shù)下降5.4%，忙時平均下降8.5%，下降最多的小區(qū)可達(dá)325%；全天RRC連接用戶數(shù)遷出比例5%20%之間的小區(qū)占比43.95%，可以看出部署低速用戶遷出方案后，可以有效減少公網(wǎng)用戶占用高鐵專網(wǎng)資源。

5 總結(jié)

高鐵穿過人口密度較高的城區(qū)或區(qū)縣，會存在嚴(yán)重的公網(wǎng)用戶入侵高鐵專網(wǎng)小區(qū)的情況，從而推高高鐵專網(wǎng)小區(qū)負(fù)荷，影響高鐵用戶感知。本文詳細(xì)介紹了如何通過多普勒頻移的計算，反向推演出用戶移動速度，從而判定用戶是否為低速用戶的方法，并論證了低速用戶遷出方案的可行性，能將入侵公網(wǎng)的用戶快速遷出專網(wǎng)小區(qū)，使其駐留在公網(wǎng)小區(qū)上，從而實現(xiàn)了對專網(wǎng)容量壓力的緩解，提升了客戶感知。

參考文獻(xiàn)：

[1]李言兵，石志同，王治國，劉立洋，李宗璋.高鐵4G專網(wǎng)多層組網(wǎng)下用戶分層駐留方案研究[J].電信技術(shù)，2017：79.

[2]蔡澤民，譚 麗.基于車載信息的多普勒頻移估計方法研究[J].計算機工程與應(yīng)用，2017，53（11）：146150.

[3]3GPP TS 36.331，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S].

[4]蘇華鴻.移動通信多普勒頻移與高鐵覆蓋技術(shù)[J].郵電設(shè)計技術(shù)，2009（12）：14.

[5]劉素雅.多普勒效應(yīng)與超聲測速[J].科技經(jīng)濟導(dǎo)刊，2017（01）：138139.

[6]華為技術(shù)有限公司內(nèi)部文檔“LTE高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋組網(wǎng)解決方案”.

[7]中國移動通信集團內(nèi)部資料“高鐵優(yōu)化指導(dǎo)意見”.

作者簡介：吳細(xì)剛（1983），男，湖南岳陽人，中國移動技術(shù)專家，2007年畢業(yè)于北京郵電大學(xué)，主要研究方向為無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)挖掘。