長(zhǎng)期演進(jìn)高鐵覆蓋解決方案

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 孔繁俊 李曉陽(yáng) 周 輝

長(zhǎng)期演進(jìn)高鐵覆蓋解決方案

江蘇省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司 孔繁俊 李曉陽(yáng) 周 輝

由于鐵路場(chǎng)景的特殊性和高速移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，高鐵車體損耗比普通列車增大約11 dB，覆蓋難度大，導(dǎo)致用戶的感知度降低。論述了高速鐵路場(chǎng)景LTE（長(zhǎng)期演進(jìn)）覆蓋的解決方案。研究不同類型的解決方式在實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用案例及實(shí)測(cè)效果，有助于運(yùn)營(yíng)商搭建合理的網(wǎng)絡(luò)，制定合理的高鐵覆蓋建設(shè)方案。

高速鐵路；移動(dòng)通信；覆蓋

隨著鐵路的提速，高速鐵路對(duì)通信網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量要求越來(lái)越高，而由于鐵路場(chǎng)景的特殊性與高速移動(dòng)對(duì)網(wǎng)絡(luò)各個(gè)方面的影響，導(dǎo)致用戶的感知度大大降低，終端高速運(yùn)動(dòng)下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)表現(xiàn)一直是各通信設(shè)備制造商和運(yùn)營(yíng)商努力改善的內(nèi)容之一。

在高速鐵路環(huán)境下，無(wú)線信道的性能發(fā)生急劇的變化，大量的測(cè)試結(jié)果表明，影響網(wǎng)絡(luò)性能的主要因素有：終端移動(dòng)速度、動(dòng)車組列車的穿透損耗、多普勒效應(yīng)、無(wú)線傳播環(huán)境等。

1 高速列車場(chǎng)景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋特點(diǎn)

1.1 車體穿透損耗大

高速列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，增大了車體損耗。各種類型的CRH（中國(guó)高速鐵路）列車具有不同的穿透損耗，見表1。

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車體的損耗越大，在相同車外電平情況下，意味著車內(nèi)覆蓋減小，車內(nèi)電平的下降將會(huì)導(dǎo)致掉話率、切換成功率、接入成功率等KPI（關(guān)鍵績(jī)效指標(biāo)）指標(biāo)發(fā)生變化，網(wǎng)絡(luò)的性能下降，高鐵車體損耗比普通列車增大約11 dB，覆蓋難度大。

1.2 多普勒頻偏

根據(jù)多普勒原理，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)頻率變低。高鐵進(jìn)行時(shí)與基站的相對(duì)位置不同，多普勒頻偏也會(huì)不同，見圖1。表2為不同工作頻率下的多普勒頻偏的統(tǒng)計(jì)。可以看出，在高速運(yùn)動(dòng)的情況下，帶來(lái)的多普勒頻偏影響較大，在車速350 km的情況下，LTE的頻偏達(dá)到了1.2 kHz。

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雖然LTE使用了20 MHz的寬頻帶，但由于子載波都是使用的15 kHz的小帶寬頻率，所以頻偏帶來(lái)接收機(jī)性能下降影響較大。目前華為和中興等廠家采用AFC（自動(dòng)頻率校正）算法對(duì)頻偏進(jìn)行自動(dòng)校正。

1.3 高速影響性能

在UE（用戶設(shè)備）高速場(chǎng)景下，對(duì)切換的性能會(huì)有較大的影響。為保證用戶無(wú)縫移動(dòng)性及QoS（服務(wù)質(zhì)量），最基本的要求就是用戶通過(guò)切換區(qū)域的時(shí)間要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無(wú)法完成，會(huì)造成用戶的QoS下降甚至掉話。在高速場(chǎng)景下，由于UE駐留時(shí)間小于小區(qū)選擇過(guò)程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

相同的覆蓋區(qū)域，速度越高終端穿越覆蓋區(qū)域的時(shí)間越短；當(dāng)終端移動(dòng)速度足夠快，可能導(dǎo)致穿越覆蓋區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)切換處理最小時(shí)延，從而引起切換失敗、產(chǎn)生掉線，需要考慮覆蓋區(qū)域的重疊區(qū)大小。如圖2，相同切換區(qū)大小，速度越高終端穿越切換區(qū)的時(shí)間越小；當(dāng)終端移動(dòng)速度足夠快，可能導(dǎo)致穿越切換區(qū)的時(shí)間小于系統(tǒng)切換處理最小時(shí)延，從而引起切換失敗、產(chǎn)生掉話，因此高鐵需重新考慮切換重疊區(qū)的大小。

1.4 高鐵旅客寬帶上網(wǎng)業(yè)務(wù)需求

對(duì)于高鐵環(huán)境，主要為中、高端用戶聚集場(chǎng)景，應(yīng)重點(diǎn)保證這部分用戶的良好體驗(yàn)，LTE對(duì)傳輸能力有大幅提高，用戶也將更多使用視頻、游戲等高流量業(yè)務(wù)。表3為統(tǒng)計(jì)高鐵主要用戶使用的業(yè)務(wù)，在不同業(yè)務(wù)線的帶寬需求統(tǒng)計(jì)。

采用2T2R（2發(fā)4收）天線，適用于市區(qū)、郊區(qū)，沿途車站，鐵路有弧度的區(qū)域。

2.1.2 主設(shè)備選型

優(yōu)先采用BBU（基帶單元）/RRU級(jí)聯(lián)方式，同PCI碼設(shè)置、優(yōu)化設(shè)備組合，降低切換次數(shù)。

簡(jiǎn)化高鐵小區(qū)切換關(guān)系，明確各路段的主控小區(qū)，使高鐵UE用戶盡量只駐留在高鐵小區(qū)進(jìn)行通信，為減少切換時(shí)延與信號(hào)抖動(dòng)對(duì)高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)可能造成的業(yè)務(wù)性能降級(jí)，可采用RRH（射頻拉遠(yuǎn)頭）級(jí)連（RRH daisy chain）的多小區(qū)合并。

2.2 覆蓋重疊區(qū)及多小區(qū)合并

滿足手持終端上的在線視頻、游戲、電影、IPTV（網(wǎng)絡(luò)電視）等高帶寬業(yè)務(wù)至少滿足邊緣速率上行512 kb/s、下行2 Mb/s的需求。

2.2.1 覆蓋重疊區(qū)

高鐵列車在經(jīng)過(guò)兩個(gè)不同小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)時(shí)，需要進(jìn)行小區(qū)切換。切換的時(shí)延影響重疊覆蓋區(qū)的設(shè)計(jì)。切換時(shí)延是從UE測(cè)量到目標(biāo)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度高于服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度某個(gè)門限開始，到切換完成所需時(shí)間。為減少切換時(shí)延對(duì)網(wǎng)絡(luò)的影響，規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)設(shè)置重疊區(qū)，提升用戶感知。表4為高鐵在不同速率下的基站重疊長(zhǎng)度的要求，為滿足切換時(shí)延要求，一般最低切換重疊長(zhǎng)度要求在222 m以上。

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2 高鐵覆蓋解決思路

根據(jù)LTE的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，覆蓋解決體現(xiàn)如下方面。

2.1 組網(wǎng)策略

2.1.1 天線選型

采用2T4R（2發(fā)4收）天線，基站覆蓋范圍大，適用于周邊用戶比較少的農(nóng)村區(qū)域，鐵路較筆直的區(qū)域。

2.2.2 多小區(qū)合并

為減少切換時(shí)延與信號(hào)抖動(dòng)對(duì)高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)可能造成的業(yè)務(wù)性能降級(jí)，可采用多小區(qū)合并。

2.3 選址原則

站點(diǎn)距鐵軌距離要求，圖3為掠射角的定義，不同的入射角對(duì)應(yīng)的穿透損耗不同，當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)的穿透損耗最小。當(dāng)基站的垂直位置距離鐵道較近時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣信號(hào)進(jìn)入車廂的入射角小，穿透損耗大。實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)入射角小于20°以后，穿透損耗增加的斜率變大。

2.4 站間距要求

在某地市的LTE一期基站中，有部分站點(diǎn)位于高鐵沿線。選取100、200、300、400、500、600 m等不同的站軌距離進(jìn)行了驗(yàn)證測(cè)試。如圖4所示來(lái)確定不同站軌距離的覆蓋規(guī)律。

從圖3可以看出，最合適的站軌距離為250～350 m，此時(shí)單站覆蓋距離為1.6 km，扣除切換帶后單站覆蓋距離為1.4 km。

2.5 其他原則

為了保證在高鐵上的良好覆蓋，在站址規(guī)劃是還需要考慮以下原則，具體如下：

1）對(duì)于直線鐵軌，最佳為“之”字形布站方式；

2）隧道場(chǎng)景，一般采用泄漏電纜進(jìn)行覆蓋，天饋安裝高度一般在車窗上方位置的隧道墻壁；

3）在列車軌道彎曲部分布站時(shí)，站點(diǎn)要選擇在曲線彎曲的內(nèi)側(cè)，減小多普勒頻移的影響，

4）橋梁場(chǎng)景，優(yōu)先建議在橋梁兩側(cè)架設(shè)天線進(jìn)行覆蓋。

3 高鐵組網(wǎng)方案

高鐵組網(wǎng)方案對(duì)高鐵采用專網(wǎng)覆蓋方案，即采用專網(wǎng)對(duì)鐵路沿線進(jìn)行覆蓋的方案，只用于高鐵列車內(nèi)的用戶通信。專網(wǎng)組網(wǎng)除了在車站和列車停留區(qū)域與大網(wǎng)允許切換外，沿線采用鏈形鄰區(qū)設(shè)計(jì)，不與大網(wǎng)發(fā)生切換。可以很好保證高鐵的用戶在高速移動(dòng)時(shí)切換和重選的路徑，提高通信質(zhì)量；有利于應(yīng)用專用于高速場(chǎng)景的無(wú)線資源管理算法、切換和重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，從而更好地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。站臺(tái)高速覆蓋時(shí)，重點(diǎn)還要考慮公網(wǎng)和專網(wǎng)的切換原則和對(duì)應(yīng)關(guān)系，能夠保證公網(wǎng)用戶順利切入高鐵專網(wǎng)用戶，同時(shí)保證離開站臺(tái)時(shí)，拒絕乒乓位置更新，減少公網(wǎng)用戶干擾專網(wǎng)。

測(cè)試情況：京滬高鐵某地市段測(cè)規(guī)劃物理站點(diǎn)61個(gè)，站點(diǎn)分布情況如圖5所示。從圖6可以看出覆蓋強(qiáng)度大于－85 dBm大于95.6%，全程測(cè)試無(wú)掉話，無(wú)切換失敗。

圖5 京滬高鐵某段站點(diǎn)

圖6 京滬高鐵蘇州段

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)LTE的高速鐵路覆蓋，本文提出多普勒頻偏補(bǔ)償、穿透損耗克服、切換和重選優(yōu)化設(shè)置等三種策略，并提供了高鐵沿線各個(gè)特殊場(chǎng)景的站點(diǎn)基本分布原則，通過(guò)詳細(xì)的規(guī)劃設(shè)計(jì)確定了各個(gè)場(chǎng)景的站間距、站點(diǎn)數(shù)量、工程參數(shù)調(diào)整，并通過(guò)實(shí)際測(cè)試對(duì)對(duì)覆蓋性能進(jìn)行了深入的評(píng)估。◆