TD-LTE在高鐵場景覆蓋下的關鍵性技術和方案分析

鐘志成 宋永勝

（中睿通信規劃設計有限公司，廣東 廣州510630）

0 概述

隨著鐵路業務的不斷增加，以及數字鐵路發展需要，寬帶、高效、可靠的無線通信服務是鐵路公司和鐵路乘客迫切需求。TD-LTE作為3GPP國際組織推出的并擁有中國自主知識產權的LTE長期演進(Long Term Evolution)寬帶無線通信技術，能夠實現更高的數據速率、更短的時延、更低的成本、更好的系統容量和覆蓋質量。TD-LTE作為GSM-R平滑過渡升級的解決方案，符合未來無線通信系統移動化、寬帶化和IP化的趨勢，為鐵路無線通信提供強大的業務承載平臺。而由于高鐵的高速、車體強度大、電氣化程度高等特點使得高鐵的TDLTE覆蓋技術標準高、難度大，需要不斷深化研究覆蓋方案，提升覆蓋效果。

圖1 鐵路TD-LTE網絡組網與拓撲結構

1 TD-LTE在高鐵深度覆蓋和廣度覆蓋上面臨的主要問題

1.1 穿透損耗大

高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結構，車箱體為不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的玻璃材料，導室外無線信號在高速列車內的穿透損耗較大，給車體內的無線覆蓋帶來較大困難。

圖2 不同高鐵列車的穿透損耗

1.2 多普勒頻偏

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列車的速度相關。高速引起的大頻偏對于接收機解調性能提升是一個極大的挑戰。

圖3 多普勒頻移與移動終端距離的關系

1.3 切換頻繁

由于單站覆蓋范圍有限，列車高速移動將在短時間內穿越多個小區的覆蓋范圍，引起頻繁的小區間切換，進而影響網絡的整體性能。

圖4 高鐵小區切換

2 高鐵TD-LTE組網關鍵性技術

2.1 高鐵主干道組網技術

高鐵采用雙通道RRU進行覆蓋組網，體積小，方便部署，同時可結合雙通道天線實現MIMO，可實現多個RRU級聯，降低工程實施難度利用MIMO提升網絡數據業務速率；同時采用多RRU小區合并，減少小區間切換，從而提升網絡性能。

圖5 高鐵主干道TD-LTE覆蓋

2.2 高鐵覆蓋鏈路預算

高鐵覆蓋規劃:考慮終端在車內，即規劃中需要考慮列車車體的穿透損耗。高鐵環境簡單，基站與列車之間無遮擋，屬于直視徑傳輸；因此傳播模型采用Cost231-hata模型，其中高鐵場景Cm修正值：Cm=-20（F）。覆蓋規劃中，考慮列車車體最大損耗（F頻段24dB）,天線增益18dBi；高鐵覆蓋規劃目標基于RSRP＞-110dBm進行鏈路預算；估算主要考慮3種典型站高結構：10m，20m以及35m；出于安全考慮高鐵鐵軌通常比地面高出10米左右，因此該站高均為相對鐵軌的高度。

表1 高鐵F頻段覆蓋距離估算

2.3 高鐵容量規劃

乘客量估算（以CRH3型列車為例），標配8節車廂，通常采用重聯方式，即單列車共16節車廂；列車一等座車2節，二等座車12節、帶廚房的二等座車2節。一等座共160個，二等座共954個，整列車定員數為1114人。

終端用戶量估算，考慮列車滿載情況，分為網絡發展初期及后期兩種情況。初期：按照中國移動用戶滲透率70%，其中LTE終端滲透率30%，則單列車LTE終端用戶數為：234個。 后期：按照中國移動用戶滲透率70%，其中LTE終端滲透率80%，則單列車LTE終端用戶數為：624個。

單列車用戶吞吐量需求考慮每業務用戶下行平均速率1mbps，上下行比例為1:5，用戶激活附著比為60%（即60%用戶處于激活態），用戶業務并發率初期為10%，后期為20%，則單用戶平均速率需求為上行12kbps，下行60kbps（初期）上行24kbps，下行120kbps（后期）基于LTE終端用戶量可得，單列車上下行速率需求為初期：上行：234*12=2.8mbps；下行：234*60=14mbps，后期：上行：624*24=14.9mbps；下行：624*120=74.9mbps，在列車會車時，需求吞吐量將翻倍。

2.4 隧道覆蓋方案

隧道覆蓋方案可分為定向天線隧道覆蓋方案和泄露電纜隧道覆蓋方案。定向天線與泄露電纜覆蓋均有各自的優缺點，實際網絡中隧道種類繁多，建設中建議采用定向天線+泄露電纜的方式進行覆蓋。

隧道傳播模型為：PLmax=PRRU-(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4)；各參數說明如下：

PRRU：RRU的輸出功率

LPOI：POI系統的插損，一般設計要求POI插損小于6dB，此處取5dB

Pdes：接收端的覆蓋電平要求，此處為-110dBm

L1：泄露電纜95%2m處的耦合損耗

L2：人體損耗，LTE主要為數據業務，暫不考慮人體損耗，默認取0dB

L3：寬度因子，L3=10lg(d/2)，d為移動臺距離漏纜的距離，默認取4m

隧道內重疊覆蓋估算方法同宏站，估算結果為300km/h左右時，隧道內小區間重疊覆蓋區域約200米左右。采用泄露電纜覆蓋，F頻段小區邊界RRU間距建議不大于850m，非小區邊界站點間距不大于1.1km；對于中小型隧道，建議隧道覆蓋區域RRU合并為一個小區，以避免隧道內的小區切換。

圖6 兩種高鐵隧道覆蓋方案

3 總結

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，有針對性的進行高鐵場景網絡覆蓋，打造出優質的LTE高鐵覆蓋網絡。不僅僅能提升用戶感知，更能提高運營商的品牌價值，增強產品競爭力，維系高端客戶。

［1］3GPP,Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)；Carrier Aggregation Base Station(BS)Radio transmission and reception,3GPPTR 36.808[Z].

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［6］ITU-R,Unwanted Emissions in the Spurious Domain,Recommendation ITU-R SM.329-10,February 2003[Z].