高速鐵路場景下TD—SCDMA和TD—LTE的聯合覆蓋技術研究

肖飛　郎琪　劉佳奇

【摘要】 本文結合TD-SCDMA和TD-LTE技術，分析了2種制式在高速鐵路場景下的特點及相應的覆蓋技術，同時深入探討了高速鐵路場景下列車的多普勒頻移和鏈路預算的特點，針對性的提出了可能的頻率補償技術和穿透損耗準確數值，為高速鐵路TD-SCDMA和TD-LTE的聯合覆蓋找到了理論計算依據。

【關鍵詞】 多普勒頻移 小區合并 鏈路預算 高鐵列車穿透損耗

我國鐵路經過幾次大幅度的提速后，列車運行速度越來越快。目前正在運行的高速鐵路包括武廣高鐵、鄭西高鐵、京津高鐵、京滬高鐵以及京石高鐵列車速度已經達到了350km/h，這標志著我國高速鐵路已經達到了世界先進水平。列車速度的提升和新型車廂的出現帶來了高效和舒適，同時對高速環境下通信服務的種類和質量的要求也越來越高，這無疑對鐵路無線通信提出了更為苛刻的要求。

高速鐵路的無線通信環境包羅萬象，除了城市和平原，還有高山、丘陵、戈壁、沙漠、橋梁和隧道。可以說涵蓋了幾乎所有的無線通信場景。所以，如何在高速移動環境下保持好的網絡覆蓋和通信質量，是對目前TDS&TD-LTE技術的挑戰。

一、覆蓋關鍵技術

對于移動通信系統而言，當移動終端速度達到350km/h以后，則需要考慮以下關鍵技術。

第一，高速列車使用的傳播模型；第二，列車的高速移動使得多普勒頻移效應明顯；第三，列車的高速移動使得終端頻繁的切換；第四，高速列車強度的加大使得電波的穿透損耗也進一步增加；第五，高鐵覆蓋網絡和公網之間的相互影響。

（1）傳播模型。在無線網絡規劃中，通常使用經驗的傳播模型預測路徑損耗中值，目的是得到規劃區域的無線傳播特性。高鐵使用的傳播模型，在整個網絡規劃中具有非常重要的作用。傳播模型在具體應用時，必須對模型中各系數進行必要的修正，它的準確度直接影響無線網絡規劃的規模、覆蓋預測的準確度，以及基站的布局情況。（2）多普勒頻移效應。高速覆蓋場景對LTE系統性能影響最大的效應是多普勒效應。當電磁波發射源與接收器發生相對運動的時候，會導致所接收到的傳播頻率發生改變。當運動速度達到一定閥值時，將會引起傳輸頻率的明顯改變，這稱之為多普勒頻移。多普勒頻移將使接收機和發射機之間產生頻率偏差，而且多普勒頻移會影響上行接入成功率、切換成功率還會對系統的容量和覆蓋產生影響。（3）小區切換。對于高速移動的終端而言。高速移動會造成終端在小區之間的快速切換。而高速移動的終端頻繁的切換會對系統的性能產生較大的影響，因此必須解決在高鐵通信建設中的小區切換問題。為保證用戶無縫移動性及QoS要求：最基本的要求就是需要保證用戶通過切換區域的時間一定要大于切換的處理時間，否則切換流程無法完成，會造成用戶因切換不及時而導致掉話，影響用戶的正常使用。（4）穿透損耗。高速鐵路列車采用密閉箱體設計，車體對無線信號的穿透損耗較高。不同車型的火車車廂穿透損耗差異很大，全封閉的新型列車比普通列車穿透損耗大5-10dB。高鐵覆蓋鏈路預算的取值應按未來可能采用的車體類型的損耗考慮以滿足、兼容對全系列高速列車的覆蓋要求。（5）公網和高鐵覆蓋。若在現網上采用小區分裂方式來覆蓋高鐵，則資源利用率較高，成本相對較低，但是現網很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求。對于網優部門來說，優化難度非常大。而當使用專網覆蓋高速鐵路時，有利于切換帶的設計，可以很好提高通信質量，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絡參數值，從而更好地提高整個網絡的質量。

二、高速鐵路覆蓋方法

（1）無線傳播模型

在無線網絡規劃中不同的傳播模型可應用于不同的無線場景。在這些模型中，影響電波傳播的一些主要因素，如收發天線距離、天線相對高度和地型地貌因子等，都作為路徑損耗預測公式的變量或函數。

（2）多普勒效應

TD-SCDMA頻段范圍內典型的多普勒頻偏如圖1所示：

列車高速運動將引起多普勒頻偏，導致接收端接收信號頻率發生變化，且頻率變化的大小和快慢與車速相關，高速引起的大頻偏將導致接收機解調性能大幅下降。

從前面描述可知，對于高速移動的用戶，多普勒頻偏往往非常大，對于基站接收機來說，估計和發射機之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是接收機必須完成的功能，否則將對鏈路性能造成很大影響；另外：基站接收機還需要應對頻偏快速變化的問題，即保證能夠迅速跟上頻偏變化速度并進行有效的補償。適應頻偏校正算法，能在基帶層面實時地檢測出當前子幀頻率偏移的相關信息，然后對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶性解調能。具體實現方法是基站根據接收到的上行信號的頻偏，調整收信機接收頻率，抵消多普勒效應導致的上行頻率偏移，同時對下行發信頻率置相同的偏移量，保證同手機的正常通信。

當基站處于普通模式下，下行速率“掉坑”現象明顯，波動很大；改成高速模式頻率補償技術后，掉坑現象改善明顯。

試驗網區域基站模式由普通模式改為高速頻率補償模式后，F頻段平均下載速率別由16M提升到24M，提升約50%。D頻段平均下載速率由6M提升到20M。D頻段受多普勒頻偏影響更大，因此平均速率的改善更加明顯！

（3）小區切換

對于高速移動物體而言，高速的移動會造成小區之間的快速切換。350km/h的最大列車運行速度就是每秒移動97m，以目前高鐵沿線的基站密度來說，高速列車經過沿途幾百米覆蓋范圍的小區就只有短短數秒。在這種高速場景下，容易出現脫網、小區選擇失敗等網絡問題。主要原因是：①UE移動速度越大，在一個小區中駐留的時間越短，造成UE駐留小區時間小于小區選擇過程；②UE移動速度越快，在相同小區重選時延情況下，小區間需要設置越長的重疊區；③UE移動速度越快，相同切換時延情況下，小區間需要設置越長的切換重疊區小區切換帶的設置主要和列車運行速度、小區重選與小區切換時間有關。兩個相鄰小區之間必須保證足夠的重疊覆蓋區域，以滿足終端在高速移動過程中對切換的時間要求。

因此，鐵路專網建議采用小區合并技術進行覆蓋規劃，以避免頻繁小區間的切換帶來的諸多問題。

小區合并技術是指，將多個RRU接于同一BBU，并設置為同一邏輯小區，BBU根據各天線的用戶上行信號接收質量，選擇下行發送的RRU。小區合并技術具有覆蓋強、信號質量高的優勢，可將地理位置完全不同的RRU設置為同一邏輯小區，穿過不同位置區可不發生切換，大大減少切換次數，保證高鐵沿線網絡覆蓋質量。如圖4所示：

從LTE高鐵覆蓋特點來看：為了保證小區間的可靠切換，需要增加小區的覆蓋范圍，減小小區切換次數。為了擴大小區覆蓋范圍，可采用基帶池+RRU，射頻拉遠單元，的網絡覆蓋方案，可以將多個RRU組網，利用基帶合并技術組合到一個小區內。屬于同一小區的RRU沿高速鐵路部署，從而減少切換頻率以提高網絡性能。在下行方向，基站相當于多個站點同頻分集發射，每個RRU的發射信號是相同的，手機可以在多RRU的覆蓋重疊區得到接收增益，增強了下行信號的接收效果。

上行方向，基站相當于多路接收，處于多個RRU覆蓋重疊區手機的上行信號，由多個RRU的天線同時接收到，接收數據通過光纖傳遞到基帶池之后，基帶處理板實現多路合并分集接收，提高了上行接收靈敏度和抗干擾能力。

高鐵列車車體有較強的屏蔽效果，需要足夠的覆蓋信號強度，這樣便限制了覆蓋區域的不能太大。當屬于同一邏輯小區的多個RRU，覆蓋區域部分重疊連環相連之后，構成一個狹長地帶的高信號強度的適合鐵路沿線的小區覆蓋方案，有利于增加覆蓋信號強度。

（4）穿透損耗

高速列車采用密閉式廂體設計，車體對無線信號的穿透損耗較高。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。全封閉的新型CRH列車比普通列車穿透損耗大5-10dB，穿透損耗最高可達26dB，因此專網設計中，高鐵覆蓋鏈路預算的取值應按未來可能采用的車體類型的損耗考慮，以滿足、兼容對全系列高速列車的覆蓋要求。假如要求車廂內提供用戶通信的電平值要達到-86dB以上，則列車車廂外的覆蓋電平需達到-60dB。

（5）公網和高鐵覆蓋

為了保證列車用戶順利進入專網，在專網起點處要設置與北京南站室內覆蓋的鄰區關系，通過站臺的室內分布系統進出鐵路的專網。建設時，北京南站的室內覆蓋天線向室外延伸部分覆蓋，專網覆蓋天線向室內延伸部分覆蓋。保證切換重疊區域，確保進站時列車用戶通過站臺的室內覆蓋系統選到專網小區，出站時列車用戶通過站臺的室內覆蓋系統過渡到大網的覆蓋。為了保證列車用戶能夠進入專網，需要調整周邊基站的天線，適當減弱其對鐵路沿線的覆蓋強度，進出專網設置示意圖如圖5所示。

三、總結

我國高速鐵路的飛速發展是日新月異，隨著信息化時代的到來，鐵路旅客乘車時信息傳輸的暢通與否，關系到移動運營商的服務質量及鐵路旅客乘車環境的好壞，因此公眾移動通信系統在鐵路范圍內的無線覆蓋更加突出。通過使用專用網絡的LTE高鐵覆蓋方案，有針對性的進行高鐵場景網絡覆蓋，能夠幫助運營商打造出優質的LTE高鐵覆蓋網絡。