陳秀娟

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基于LTE的智慧高速公路無線專網(wǎng)規(guī)劃

陳秀娟

廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司電信咨詢設(shè)計院，廣東 廣州 510630

公眾對高速出行需求日益多樣化、個性化，且隨著車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛等出現(xiàn)，需要進行更多的車路協(xié)同及車車通信，以提升公眾出行的安全水平及更愉悅的體驗。這需要構(gòu)建一張智慧高速公路無線專網(wǎng)?；贚TE的智慧高速公路無線專網(wǎng)規(guī)劃為實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)、車路協(xié)同、智能駕駛等新一代信息技術(shù)打下堅實的基礎(chǔ)。

智慧高速公路；無線覆蓋；隧道覆蓋

進入21世紀，信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進，黨中央、國務(wù)院做出了以信息化帶動工業(yè)化、以工業(yè)化促進信息化、走新型工業(yè)化道路的戰(zhàn)略部署。交通運輸信息化是國家信息化建設(shè)的重要組成部分，是促進交通運輸業(yè)發(fā)展方式轉(zhuǎn)變、全面提升交通運輸管理能力和服務(wù)水平的重要抓手。當前，“智慧高速”也已成為一個國家公路信息化發(fā)展的主要特征，此外，“十三五”規(guī)劃已將車聯(lián)網(wǎng)作為物聯(lián)網(wǎng)十大重點部署領(lǐng)域之一，車聯(lián)網(wǎng)有關(guān)項目已被列為我國重大專項第三專項的重要項目[1]。

近年來，公眾對高速公路出行服務(wù)水平的要求也在不斷提高，對運用信息化、智能化手段提升現(xiàn)有高速公路的管理、應(yīng)急救援和公眾服務(wù)水平提出了更高、更迫切的要求。要打造高速公路的專屬智慧網(wǎng)絡(luò)，就必須有良好的專用的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋作為基礎(chǔ)，首先必須做好智慧高速公路的無線覆蓋專題規(guī)劃[2]。

1 總體建設(shè)原則

一個無線專網(wǎng)需滿足全國高速公路的覆蓋與業(yè)務(wù)需求，需要遵循以下總體建設(shè)原則[3]：

2.1 安全可靠性

安全是網(wǎng)絡(luò)運行的基礎(chǔ)，網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)本身要有較高的安全性，關(guān)鍵設(shè)備和模塊應(yīng)該有冗余備份；在技術(shù)上提供先進的、可靠的、全面的安全認證方案和應(yīng)急措施，確保系統(tǒng)萬無一失；能夠安全承載主要網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[4]。

網(wǎng)絡(luò)設(shè)計采用冗余連接，保證重要設(shè)備和線路在故障發(fā)生時能自動切換。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計、設(shè)備選型、系統(tǒng)建設(shè)、網(wǎng)絡(luò)管理需要充分考慮網(wǎng)絡(luò)整體可靠性、可用性以及可維護性，確保網(wǎng)絡(luò)是一個不間斷的運行系統(tǒng)[5]。

2.2 技術(shù)先進

網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃著眼長遠發(fā)展，要具有科學(xué)性、先進性。網(wǎng)絡(luò)設(shè)備選型應(yīng)具備先進性，要具有較長的生命周期。系統(tǒng)硬件和軟件平臺要先進，應(yīng)具有很強的擴展能力。

2.3 技術(shù)開放

充分考慮系統(tǒng)中選用的技術(shù)和設(shè)備的協(xié)同運行能力，保護現(xiàn)有資源和系統(tǒng)投資的長期效應(yīng)以及系統(tǒng)不斷擴展的需要[6]。

2.4 可擴展

由于無線通信技術(shù)飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計需要保證目前業(yè)務(wù)需求，也要考慮未來網(wǎng)絡(luò)的發(fā)展，滿足當前以及未來相當一段時間內(nèi)的業(yè)務(wù)需求，便于向新技術(shù)的升級和銜接，同時又需要保護原有的投資。系統(tǒng)應(yīng)具備良好的擴展能力[7]。

2.5 可管理性

在網(wǎng)絡(luò)不斷擴展的同時，隨著網(wǎng)絡(luò)中的設(shè)備越來越多，網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性和管理的難度相應(yīng)的增加。為了方便地對網(wǎng)絡(luò)上不同廠商的設(shè)備進行集中管理，應(yīng)采用統(tǒng)一的網(wǎng)管系統(tǒng)進行管理，實時監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)運行狀況，具有分析和統(tǒng)計網(wǎng)絡(luò)指標以及故障報警功能[8]。

2.6 良好的性價比

整個網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)能與現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)資源良好融合，需在先進性、安全性、實用性、可靠性和穩(wěn)定性以及系統(tǒng)投資上進行綜合平衡，要求具有較優(yōu)的系統(tǒng)性價比[9]。

2 無線網(wǎng)規(guī)劃指標

寬帶無線網(wǎng)絡(luò)主要提供高速公路運營管理服務(wù)、高速公路出行智慧交通等服務(wù)，承載移動上網(wǎng)、監(jiān)測監(jiān)控、視頻回傳、圖像回傳、信息采集回傳、信息推送等業(yè)務(wù)，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)與覆蓋需求，無線專網(wǎng)需要確定網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃指標：

（1）小區(qū)邊緣速率：原則上下行2?Mbps，上行1?Mbps；車流小的地區(qū)下行1?Mbps，上行512?kbps；

（2）覆蓋指標：在90%的覆蓋概率下，信號強度RSRP不低于-105?dBm，信號質(zhì)量RS-SINR不小于-3?dB；

（3）網(wǎng)絡(luò)能力：在10?MHz帶寬組網(wǎng)下，上下行時隙配比2：2、基站配置2天線條件下，系統(tǒng)單小區(qū)最大上下行吞吐量可達10?Mbps/30?Mbps；

（4）用戶連接建立成功率＞95%，用戶連接建立時延＜80?ms；

（5）尋呼成功率：≥95%；

（6）掉線率：≤4%；

（7）切換成功率：≥95%；

（8）切換時延：控制面切換時延＜100?ms，用戶面切換時延＜50?ms。

3 鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算通過對無線信號在傳播途徑中各種影響因素的分析，估算系統(tǒng)的覆蓋能力，在保證一定信號質(zhì)量前提下，獲得鏈路所允許的最大傳播損耗[10]。

最大允許路徑損耗與發(fā)射功率和無線傳播損耗密切相關(guān)。除傳播損耗外，建筑物所引起的陰影損耗，高建筑物的反射，天線、基站和移動臺的高度以及道路、樹木都將影響路徑損耗的中值和偏差。在傳播路徑確定的情況下，下行最大路徑損耗由基站發(fā)射功率以及移動臺接收靈敏度來決定，上行最大路徑損耗由手機發(fā)射功率和基站接收靈敏度來決定[11]。

小區(qū)覆蓋半徑由計算所得上下行最大允許路徑損耗和覆蓋的區(qū)域類型決定，一般上行鏈路預(yù)算是覆蓋瓶頸，小區(qū)覆蓋半徑由上行鏈路預(yù)算決定。

4 高速公路覆蓋技術(shù)方案

4.1 基站選址

基于建設(shè)成本、建設(shè)周期、共建共享等因素，在高速公路基站選址時，盡量利用現(xiàn)有的監(jiān)控桿、龍門架站址，選擇高速場景沿線滿足覆蓋要求的站點；對于沒有監(jiān)控桿、龍門架資源需新建桿塔的路段，選擇合理的位置新增站點，并考慮站點覆蓋環(huán)境未來變化的因素?；具x址遵循以下原則：

（1）交叉布站：在高速公路兩邊交叉布站，如果多個站點位于公路的一側(cè)，這樣如果有建筑物或者樹木遮擋會造成信號覆蓋較差，規(guī)劃站址應(yīng)盡量位于高速線路兩側(cè)，以彌補建筑物或者樹木遮擋等其他因素帶來的影響。

（2）S彎道：基站優(yōu)先選在S型彎道突出的一側(cè)，以便對S型彎形成良好的覆蓋。這樣可以方便的使扇區(qū)的方位角沿著道路的方向，加強覆蓋效果。同時，如果彎度比較大的話，兩個扇區(qū)的夾角可以遠小于180°，這樣如果必須建成三扇區(qū)基站，扇區(qū)間也不至于引起很大的干擾。

（3）基站高度：充分利用地形，站址選在較高的位置，天線高度應(yīng)高于目標覆蓋區(qū)，保證天線與覆蓋目標區(qū)域之間可視；同時為避免相互間的干擾，防止越區(qū)覆蓋，應(yīng)兼顧周邊基站，盡量與周邊基站的天線高度相差不大。

（4）樹木的影響：一般來說樹木對信號的損耗約有10?dB左右，需要綜合考慮不同季度樹木的影響。

（5）兩扇區(qū)配置：高速公路是180°的兩扇區(qū)兩側(cè)覆蓋。

（6）基站選址應(yīng)避開水澇淹灌、斷層土坡邊緣易塌方的地方。

4.2 小區(qū)合并

高速公路覆蓋場景為線性覆蓋，一個站點設(shè)置兩個扇區(qū)，如下圖所示，采用BBU+RRU 組網(wǎng)方式將多個相鄰站點RRU 合并成一個小區(qū)，擴大單個小區(qū)覆蓋范圍，增加終端在小區(qū)內(nèi)的駐留時間，減少切換，增加隨機接入成功率，提高承載速率。此外，在小區(qū)覆蓋邊緣，還需要增加覆蓋交疊區(qū)，有利于切換成功率的提高。采用BBU+RRU 組網(wǎng)方式組網(wǎng)方式，可以在滿足網(wǎng)絡(luò)容量的情況下，加大了基站的覆蓋范圍，減少了eUE頻繁切換帶來的掉線問題。

圖1 小區(qū)合并組網(wǎng)示意圖

高速公路車輛最高限速為120?km/h，相鄰基站應(yīng)保證有一定的切換區(qū)間，本專網(wǎng)規(guī)劃取小區(qū)覆蓋半徑的1/4作為切換區(qū)間，以保證終端的漫游切換。

高速公路小區(qū)合并的RRU數(shù)量，應(yīng)結(jié)合業(yè)務(wù)覆蓋切換需求及設(shè)備能力綜合考慮。

4.2.1 RRU級聯(lián)限制

根據(jù)主設(shè)備廠家調(diào)研情況，RRU可支持四級級聯(lián)，一般應(yīng)用建議三級級聯(lián)，光口支持RRU拉遠10?km。在小區(qū)不合并時，通過三級級聯(lián)，最遠的RRU距離BBU可達30?km；小區(qū)合并時，受傳輸性能限制，最遠的RRU距離BBU不能超過14?km。

在BBU機房選擇時，一般優(yōu)先共用高速公路現(xiàn)有的收費站機房，在部分高速路段，收費站機房間距超過28?km，單向超過14?km。在高速公路覆蓋中，由于車速較快，若不進行小區(qū)合并，會造成終端切換頻繁引起掉話，增大系統(tǒng)開銷，降低承載速率；同時，小區(qū)數(shù)也會增多，對BBU基帶板需求增大，會增加BBU設(shè)備的采購成本。因此，高速覆蓋一般采用小區(qū)合并方式。受小區(qū)合并下RRU級聯(lián)距離不超過14?km的限制，在收費站間距超過28?km，單向超過14?km，中間RRU數(shù)量較多時，建議在遠端新增BBU，機房建議采用低成本的一體化戶外柜方式。

4.3 天線選擇

高速公路覆蓋一般采用前后比小的兩單元線陣雙極化定向天線，常用的天線增益為17dBi，水平波瓣角為45°。對于道路彎曲幅度較大，可以采用水平波瓣角度稍大的定向天線覆蓋。

4.4 參數(shù)設(shè)置

高速公路一般只需要設(shè)置左右兩個鄰區(qū)，鄰區(qū)測量數(shù)量較少，有利于提高切換成功率。在設(shè)置系統(tǒng)參數(shù)時，簡化切換關(guān)系，降低切換和重選的啟動門限，減少切換滯后時間，提高切換速度；對于可能發(fā)生乒乓切換的區(qū)域，開啟定向切換算法或設(shè)置為同一小區(qū)。應(yīng)開啟設(shè)備廠家頻偏估計和補償算法，滿足高速公路場景下eUE和eNode B的解調(diào)性能需求。此外，還需設(shè)置鄰區(qū)之間合適PCI，避免PCI沖突和混淆引起掉話。

4.5 位置區(qū)設(shè)置

為了減少終端在位置區(qū)間的切換，盡量將高速公路的站點設(shè)置為同一個位置區(qū)，如需設(shè)置多個位置區(qū)，可以把位置區(qū)設(shè)置在服務(wù)區(qū)、收費站、車站等區(qū)域，盡量避免將位置區(qū)邊緣設(shè)置在高速中間區(qū)域的情況。

4.6 高速公路隧道覆蓋

對于高速公路隧道TD-LTE無線網(wǎng)覆蓋，應(yīng)結(jié)合隧道的長度、隧道截面積大小、隧道外部信號的覆蓋等具體情況相關(guān)覆蓋解決方案。

短隧道一般采用定向天線進行隧道覆蓋，在隧道口設(shè)置基站，用普通的定向天線向隧道里覆蓋。當單根天線不足于覆蓋整個隧道時，可以采用從隧道兩側(cè)各用一個天線同時打向隧道覆蓋的方式。

對于較長的隧道，一般有定向天線和泄漏電纜兩種覆蓋方案。

（1）定向天線方案

通常的做法是在隧道口兩側(cè)各用一副定向天線打向隧道，在隧道的墻壁上沿每個站點安裝兩副定向天線，覆蓋前后方向。常見的隧道覆蓋可直接選用17dBi增益、尺寸較小的室外天線，以擴大覆蓋范圍。這種覆蓋方案設(shè)計比較靈活、價格較低，但覆蓋信號分布不夠均勻，安裝條件有時會受到限制。

圖 2 定向天線隧道覆蓋方案

（2）泄漏電纜方案

信號源通過泄漏電纜把信號傳送到隧道內(nèi)各個區(qū)域，同時通過泄漏電纜外導(dǎo)體上的一系列開口，在外導(dǎo)體上產(chǎn)生表面電流，從而在電纜開口處橫截面上形成電磁場，把信號沿電纜縱向均勻地發(fā)發(fā)射出去和接收回來。采用泄漏電纜方案，隧道內(nèi)信號分布比較均勻，但建設(shè)成本較高。

圖3 泄漏電纜隧道覆蓋方案

定向天線和泄漏電纜覆蓋方案對比如下表所示。

表1 定向天線與泄漏電纜方案對比

綜合考慮覆蓋需求與投資建設(shè)成本，本專網(wǎng)隧道覆蓋建議優(yōu)先采用定向天線覆蓋方案。本方案在設(shè)計時可考慮隧道內(nèi)進行小區(qū)合并，減少隧道內(nèi)切換，減少干擾；同時應(yīng)注意隧道內(nèi)外基站規(guī)劃，以保證覆蓋隧道內(nèi)的小區(qū)和隧道外宏站的良好切換。

5 結(jié)束語

智慧高速公路是隨著信息時代發(fā)展進步的新產(chǎn)物，對智慧高速公路做專題覆蓋，目的是為實現(xiàn)車聯(lián)網(wǎng)、智能駕駛等先進技術(shù)打下堅實基礎(chǔ)，讓高科技更加安全地為民眾服務(wù)。隨著高速公路的互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)需求日益增多，如何完善高速的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，安全性成為重要研究的問題，也是未來5G網(wǎng)絡(luò)要考慮的問題。本文通過對闡述基于LTE的智慧高速公路無線專網(wǎng)覆蓋技術(shù)方案，從基站選址、小區(qū)合并、天線選址、參數(shù)和位置區(qū)設(shè)置以及隧道覆蓋等方面進行介紹，指導(dǎo)智慧高速公路網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。

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Intelligent Highway Wireless Network Planning Base on LTE

Chen Xiujuan

Guangdong planning and Design Institute Co., Ltd., Telecom consulting and Design Institute, Guangdong Guangzhou 510630

Public demand for high-speed travel increasingly diverse, personalized.And with the advent of car networking, intelligent driving, etc., need to carry out more road vehicle coordination and vehicle communication, in order to improve the safety level of the public travel and more enjoyable experience.This requires the construction of a smart highway wireless network. Intelligent highway wireless network planning base on LTE lay a solid foundation for the realization of the car networking, vehicle road coordination，intelligent driving and other new generation of information technology.

Intelligent highway; wireless coverage; tunnel coverage

U285.21；TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0064-04

陳秀娟：工程師，碩士學(xué)位獲取于華南理工大學(xué)，學(xué)士學(xué)位畢業(yè)于五邑大學(xué)，現(xiàn)任職于廣東省電信規(guī)劃設(shè)計院有限公司電信咨詢設(shè)計院，主要從事無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和咨詢工作。