高鐵沿線LTE FDD網絡覆蓋規劃研究

劉 峰，張國棟

（中國人民大學商學院，北京 100872）

高鐵沿線LTE FDD網絡覆蓋規劃研究

劉 峰，張國棟

（中國人民大學商學院，北京 100872）

為解決高鐵場景下LTE FDD專用移動網絡的覆蓋問題，本文首先分析了穿透損耗、切換頻繁、多普勒頻移等因素對現代高鐵用戶業務影響，其次利用鏈路預算結果對新建站站間距和垂直距離進行優化，然后在實際工程中采用BBU集中放置和同PCI部署方案進行規劃，最后通過拉網測試驗證了該方案可達到良好的覆蓋效果。

LTE FDD；高鐵場景；網絡規劃；PCI

1 引言

2015年2月27日，中國電信和中國聯通正式獲得LTE FDD牌照經營許可，由此我國全面進入LTE規模商用時代。我國還是世界上高速鐵路運營里程最長、在建規模最大的國家。如何保證高鐵上用戶數據業務的連續性和穩定性，成為當前LTE網絡建設亟待解決的技術問題。

2 LTE組網介紹

LTE是3GPP組織牽頭制定的準第四代移動通信技術。為了能和可以支持20MHz的WiMAX技術相抗衡，3GPP為LTE制定了1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz的靈活帶寬配置，采用的同樣是OFDM和MIMO技術[1]。

與3G相比，LTE網絡結構主要產生了以下方面變化：一是控制與承載分離。這便于LTE業務開展與網絡升級，LTE控制面功能由MME實現，承載面功能由S-GW實現，同時核心層去電路域，全面向IP化演進，由IMS承載多種綜合業務。二是網絡架構取消RNC。LTE無線系統更加扁平化，3G RNC移動性管理、呼叫處理、鏈路管理等功能由重新定義的eNodeB、兩個網關（S-GW，P-GW）及MME協同完成，由此，eNodeB可直接接入核心網，有效降低了用戶面網絡延時。三是引入S1，X2兩個接口。S1接口直接連接eNodeB與EPC，主要用于提高網絡冗余性及實現負載均衡，X2接口為相鄰eNodeB之間接口，主要用于移動性管理及CoMP（協作多點傳輸）。LTE核心技術的變化導致了子載波帶寬變窄，容易受多普勒影響。

3 高鐵覆蓋特點及影響因素

高鐵用戶語音、數據業務經常中斷主要受到四個方面的影響：一是列車安全工藝要求使得電磁波穿透損耗加大；二是高鐵高速穿越多個服務小區導致切換頻繁；三是高速環境下多普勒效應明顯；四是專網與公網鄰區配置不合理導致切換失敗。

3.1 車體穿透損耗大

高鐵車廂為了達到隔音降噪減震的目的，大量使用鋁合金、玻璃鋼等材料對廂體進行嚴格密閉處理，因此，相對于普通車輛，高鐵車廂穿透損耗普遍要大5～10dB，靜止時車體穿透損耗最高可達24dB。各類型CHR高鐵車廂靜止時垂直穿透損耗測試結果如表1所示[2-4]。

表1 各類車廂靜止時垂直穿透損耗

實際中高鐵運行速度都在200km/h以上，運行途中基站信號有更大的電磁波衰減，為保證4G用戶數據業務正常使用，車廂內RSRP需大于等于-105dBm，穿透損耗需按列車運行時最大穿透損耗計算（假設為24dB），因此，室外基站信號強度至少應達到-81dBm以上。

3.2 小區間切換頻繁

由于高鐵環境的特殊性，鐵路沿線覆蓋高鐵的基站小區呈鏈狀分布，列車以極快速度穿過這些小區，列車速度達到300km/h時，車上用戶在每個基站小區內的駐留時間僅約數秒，造成終端在這些小區間頻繁切換[5][6]。頻繁切換會嚴重影響系統性能，導致掉話率增加，降低用戶體驗。為在覆蓋范圍內為用戶提供連續不斷的通信服務，保證業務的通信質量（QoS），需要根據實際情況考察目標區域列車運行速度、小區重選和小區切換時間，合理設置相鄰兩個小區切換重疊覆蓋區域大小，保證切換帶大小滿足至少完成2次切換的時間。同時對切換相關參數進行優化，提高切換靈敏度，降低切換時延，保證用戶通過切換區域的時間大于切換的處理時間。

3.3 高速移動帶來的多普勒頻移

移動通信的多普勒頻移是指隨著接收端與基站距離的遠近變化，接收端接收到的信號頻率會在中心頻率產生偏移的現象，這種現象在高速環境下表現的非常明顯。OFDM系統利用相互正交的子載波進行數據傳輸，因此，對多普勒頻移引起的頻偏非常敏感。多普勒頻移可用如下公式1表示[7]式中，fd表示多普勒頻移引起的頻偏；fc表示載波頻率；c表示光速c=3×108m/s；v表示列車運行速度；θ代表列車運行方向與基站信號傳播方向的夾角。假設LTE FDD采用1.8GHz頻段進行室外覆蓋，列車最大運行速度為350km/h，得到的最大多普勒頻移約為600Hz，由于OFDM利用相互正交的子載波傳輸數據，因此，這會對LTE系統性能產生影響。

3.4 高鐵覆蓋需要考慮的其他因素

高鐵覆蓋需要另外考慮的一個重要因素是專網與公網之間的切換[8]。運營商一般建設專網對境內高鐵進行覆蓋，由于鐵路環境的特殊性，鐵路沿線專網會同公網產生重疊覆蓋區域，如果專網與公網之間用戶切換頻繁，會造成系統性能下降。所以應合理設置專網與公網之間鄰區配置，避免兩者間形成覆蓋空洞或越區覆蓋。車站附近要重點考慮專網和公網切換、重選策略和網絡參數值，在站點和候車室設置專網與公網過渡的隔離，相互設置鄰區，使公網用戶順利切入高鐵專網，保證列車離開站臺時不會發生乒乓位置更新。列車行進途中專網小區和鐵路沿線公網小區相互不設置為鄰區，盡量將覆蓋高鐵的專網基站規劃為1個LAC，列車內用戶不允許切換到公網，公網用戶也不能切換到列車內占用專網資源，特別需要避免鐵路一側公網基站越區覆蓋另一側區域的情況發生。

4 高鐵LTE FDD覆蓋方案

4.1 高鐵覆蓋原則

高鐵覆蓋在保證鐵路沿線良好覆蓋效果的情況下應兼顧節約成本，提高共建共享比例，合理規劃新建站站間距及基站與鐵軌間垂直距離，考慮到專網覆蓋獨立于周邊低速區域，可對高速鐵路進行有針對性覆蓋，本期工程組網采用專網覆蓋，設備形態采用成本較低的分布式（BBU+RRU）宏基站。

4.1.1 新建站設置原則

為保證高鐵沿線良好的網絡結構和質量，高速鐵路站址選取需遵循以下原則[9]：

⊙ 鐵路紅色保護區內不可設置基站。

⊙ 鐵路沿線基站選址應交錯均勻呈“之”字狀分布。

⊙ 基站選址與鐵軌保持適當垂直距離，不能太遠也不能太近。網絡規劃時天線主瓣方向應與鐵軌保持一定夾角。

⊙ 帶有一定弧度的鐵軌段，基站選址應設置在軌道內側進行覆蓋。

4.1.2 站間距設置原則

合理的站間距設置可以為高鐵用戶提供更好的服務質量，同時節約成本，本期工程通過鏈路預算計算高速鐵路最大路徑損耗。鏈路預算中CHR1（龐巴迪型列車）車體穿透損耗值設置為24dB，邊緣下載速率設置為電信集團要求下行4Mb/s、上行256kb/s，計算模型為COST231 HATA傳播模型。

通過以上鏈路預算計算得到站點相對高度10米、20米、35米情況下（鐵軌高度10米），基站覆蓋半徑分別為460米、640米、740米。本期京石武高鐵邢臺段工程基站相對高度在20米至35米之間。

高速鐵路為保證無線信號跨小區切換的成功率，需做重疊覆蓋帶設計。目前京石武高鐵運行速度最高為350km/h，高速鐵路LTE FDD網絡重疊區距離需達到238米以上。

根據重疊距離和基站覆蓋半徑計算出站間距S為

式中，S代表基站站間距；r代表覆蓋半徑；θ代表掠射角（假設為10度）；Soverlap代表重疊距離。由鏈路預算所得到的最大覆蓋半徑和最小覆蓋半徑及重疊距離，可得最大站間距為1219米，最小站間距為1022米。本期京石武高鐵邢臺段站間距根據以上計算，規劃站間距在1千米至1.2千米之間。

4.1.3 垂直距離設置原則

站址位置距離高速鐵路的垂直距離對信號的穿透損耗有著重要的影響。當基站的垂直位置距離鐵路較近時，覆蓋區域邊緣信號進入車廂的“掠射角”小，穿透損耗大。“掠射角”就是基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角，根據實測經驗值，“掠射角”小于10度后，車廂穿透損耗值迅速上升，所以需將“掠射角”控制在10度以上[10]。

基站與鐵軌間最小垂直距離dmin可表示為

式中，S代表基站最小站間距；θ代表掠射角（假設為10度）；由此得到最小垂直距離dmin為100米。考慮到天線水平波瓣在90度方向增益約為0dBi，為保證不出現塔下黑，規劃站點離鐵軌最大垂直距離dmax不超過300m。

4.2 建設方案

4.2.1 BBU集中放置方案

LTE基站建設應優先選擇使用BBU集中放置、RRU拉遠方式組網。覆蓋同一業務區域的BBU應集中放置于一個物理站點內，以便于后期組建BBU池控制業務繁忙區域的小區邊緣干擾，提升用戶感知。同時應根據LTE網絡規劃情況，從機房的穩定性、安全性、光纜出入局的便利性以及機房空間等條件，對固網機房和無線網機房進行梳理和篩選，合理規劃BBU集中站點。BBU集中站址的選擇還應考慮GPS天線的安裝便利性，并可通過GPS一分多轉接單元實現多個BBU的GPS信號共享。

4.2.2 同PCI部署方案

由于高鐵的高速移動性，小區間的頻繁切換將嚴重影響網絡指標。本期工程將采用同PCI方式建立超級小區，將不同小區RRU設置相同PCI，小區間不存在切換問題和小區間干擾，可以協同工作，降低掉話和接入失敗，降低網絡優化的難度，提升用戶感知，是高速鐵路覆蓋比較理想的建設方式。本期工程新增77個基站中對75個基站進了同PCI設置，共創建同PCI小區42個。具體如圖1所示。

圖1 京石武高鐵邢臺段同PCI部署方案

5 覆蓋效果

5.1 拉網測試數據

京石武高鐵邢臺段拉網測試指標如表2所示，從測試指標可以看出覆蓋率、下行速率和上行速率達到了初步覆蓋效果。

表2 京石武高鐵邢臺段路測指標

5.2 分析與優化

京石武高鐵邢臺段拉網測試RSRP和SINR渲染圖如圖2所示。由測試圖中可以看出，仍有一些弱覆蓋區域（紅點區域），需要針對測試圖中指標較差的區域進行分析和優化，進一步提升網絡質量，使用戶體驗更加順暢。

經過對61個小區的射頻參數優化和調整，京石武高鐵邢臺段LTE FDD網絡質量得到進一步的提升，具體如表3所示。優化后網絡指標上升了4至10個百分點，覆蓋指標達到了河北電信覆蓋率≥95%的要求。

圖2 拉網測試RSRP和SINR渲染圖

表3 優化后網絡指標

6 結束語

京石武高鐵邢臺段LTE FDD無線網絡工程通過分析高鐵沿線站間距、垂直距離及同PCI設置等無線參數，對境內高鐵工程進行了指導優化，完成了邢臺境內京石武高鐵4G網絡的無縫覆蓋，保障了高速鐵路用戶的流暢體驗，為邢臺電信實現高鐵4G精品網絡覆蓋打下了基礎。

[1] 中國通信建設集團設計院有限公司．LTE組網與工程實踐[M]．北京：人民郵電出版社，2014

[2] 張敏，李毅，舒培煉．高速鐵路列車車廂穿透損耗應用探析[J]．移動通信，2011.2

[3] 王琦．高速移動環境下的無線網絡覆蓋方法研究[D]．上海交通大學，2012年

[4] 張傳福，李夢迪，王剛．高速移動環境下組網方案[J]．電信工程技術與標準化，2009.12

[5] 吳帆．高速鐵路無線通信系統切換優化方案研究[D]．西南交通大學，2012

[6] 蔣新華，朱銓，鄒復民．高速鐵路3G通信的覆蓋與切換技術綜述[J]．計算機應用，2012.09

[7] 陳晨，李長樂．高速鐵路通信系統方案研究綜述[J]．計算機工程與應用，2010.34

[8] 李美艷．基于LTE技術的高鐵無線通信方案[J]．廣東通信技術，2011.07

[9] 郭濤，魏建理．高鐵沿線CDMA無線網覆蓋規劃與研究[J]．移動通信，2012.04

[10] 唐艷超．LTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]．郵電設計技術，2014.12

Research on High-speed Railway Coverage Planning in LTE FDD Network

Liu Feng, Zhang Guodong
(School of business of Renmin University of China, Beijing, 100872)

To solve the coverage problems of high-speed railway based on private LTE FDD network, firstly, this paper analyzed the factors that effect on users’ service such as penetration loss, handoff intensive and Doppler shift, etc. Secondly, the planning base station horizontal and vertical distance is optimized by using link budget. In addition, practical network is constructed by using BBU concentrated and the same PCI setting. Finally, the test result which is verified can achieve a good performance.

LTE FDD; High-speed railway; network planning; PCI

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.005

TN929.5文獻標示碼：B

1672-7274（2015）08-0017-04

劉 峰，男，現任職中國電信邢臺分公司總經理，目前在職就讀于中國人民大學工商管理專業。

張國棟，男，通信工程師，現任職中國電信河北省分公司政企客戶部副主任，目前在職就讀于中國人民大學工商管理專業。