高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化方案研究

陳佳棟 中國(guó)電信股份有限公司無(wú)錫分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部工程師

1 引言

近些年來(lái)我國(guó)高速鐵路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，自我國(guó)第一條高鐵——京津城鐵開(kāi)通以來(lái)，京滬、武廣等一批高鐵陸續(xù)開(kāi)通。截至2014年底，全國(guó)高鐵運(yùn)營(yíng)總里程已突破1.6萬(wàn)公里，占比超世界高鐵運(yùn)營(yíng)總里程的50%。與此同時(shí)，由于高鐵乘坐的舒適性，越來(lái)越多的中高端用戶傾向選擇高鐵出行，因此建設(shè)及優(yōu)化高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)對(duì)提升運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)品牌形象至關(guān)重要。但由于高鐵是一個(gè)復(fù)雜的無(wú)線環(huán)境，高鐵的快速、車(chē)廂的高穿透損耗以及多普勒頻移等特性對(duì)高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量有較大影響，為此如何解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為當(dāng)下各運(yùn)營(yíng)商重點(diǎn)研究的課題之一。

本文重點(diǎn)討論高鐵環(huán)境下影響LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的重要因素，通過(guò)有針對(duì)性的研究、仿真、測(cè)試得出一套相對(duì)切實(shí)可行的高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化方案。

2 高鐵LTE覆蓋特點(diǎn)分析

2.1 多普勒效應(yīng)

當(dāng)移動(dòng)終端在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，尤其是高速運(yùn)動(dòng)的情況下，移動(dòng)終端和基站接收端的信號(hào)會(huì)發(fā)生變化，此為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱(chēng)為多普勒頻移，其計(jì)算公式如下：

其中：θ為移動(dòng)終端移動(dòng)方向和入射波方向的夾角；為移動(dòng)終端的運(yùn)動(dòng)速度；c為光速；f為載波頻率。

根據(jù)公式（1）可知，移動(dòng)終端離基站越遠(yuǎn)，多普勒頻移越大，反之則越小；即高鐵在基站覆蓋小區(qū)邊緣處頻偏最大，在基站與軌道垂直處頻偏最小。為此，LTE網(wǎng)絡(luò)基站選點(diǎn)不易過(guò)分靠近鐵路，以加大終端電磁波的入射角。同時(shí)，不同車(chē)速下的頻偏差距也較大。如表1所示，隨著車(chē)速不斷提高，頻偏也越大，多普勒頻移影響也越明顯。多普勒頻移直接影響接收機(jī)解調(diào)、小區(qū)切換、選擇等性能，導(dǎo)致用戶感知變差。

表1 不同車(chē)速下的最大頻偏

2.2 高鐵車(chē)廂的高穿透損耗

高鐵列車(chē)為全封閉車(chē)廂，車(chē)身由鋁合金和不銹鋼材質(zhì)組成，車(chē)窗采用特種材質(zhì)制成，密封性能明顯好于普通列車(chē)，因此其車(chē)廂信號(hào)的穿透損耗也大幅提高。目前，國(guó)內(nèi)高鐵車(chē)型以CRH1、CRH2、CRH3、CRH5以及CRH380車(chē)型為主，不同車(chē)型之間的車(chē)廂穿透損耗差異較大。

此外，高鐵車(chē)廂的穿透損耗除材質(zhì)的原因造成外，還與車(chē)廂跟基站發(fā)射信號(hào)的入射角有關(guān)，即當(dāng)入射角越小時(shí)，車(chē)廂的穿透損耗越大；當(dāng)入射方向與車(chē)廂垂直時(shí)，此時(shí)車(chē)廂的穿透損耗最小。根據(jù)實(shí)際測(cè)試數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，為簡(jiǎn)化路徑損耗計(jì)算，以30dB作為高鐵車(chē)廂穿透損耗的均值。

2.3 頻繁小區(qū)切換

高鐵在高速運(yùn)行過(guò)程中，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)通過(guò)多個(gè)小區(qū)。若以傳統(tǒng)大網(wǎng)方式設(shè)置小區(qū)切換參數(shù)，則會(huì)頻繁發(fā)生小區(qū)切換/重選，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能及容量，嚴(yán)重者則會(huì)引起切換失敗導(dǎo)致掉話。為此，在進(jìn)行高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃時(shí)，需要同步考慮網(wǎng)絡(luò)切換問(wèn)題，尤其需著重考慮小區(qū)重疊切換帶以及覆蓋半徑的設(shè)置。

3 高鐵LTE覆蓋解決方案

3.1 站間距

LTE高鐵覆蓋的站間距需要綜合考慮基站的覆蓋半徑和重疊覆蓋區(qū)域。簡(jiǎn)單地可以用下列公式表示：

其中：d為站間距；R為基站覆蓋半徑；dr為重疊覆蓋距離。

由公式（2）可以算出手機(jī)與基站間允許的最大路徑損耗，根據(jù)適合的傳播模型可算出覆蓋半徑，然后再根據(jù)切換所需的重疊區(qū)域，最終算出站間距。

此外，在LTE網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算的過(guò)程中，覆蓋一般是上行受限，因此本文暫考慮上行的鏈路預(yù)算，同時(shí)選用COST231-Hata傳播模型，公式如下：

其中：中心頻率f取1870MHz；基站高度Hb為30m；手機(jī)高度Hm為2m。由此可得：

由于高鐵線路所經(jīng)之處多為城郊區(qū)域，a(Hm)為終端天線高度修正因子的表達(dá)式；Cm為城市修正因子，一般取為0dB（城郊區(qū)域）。按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要求，覆蓋小區(qū)邊緣最低上行速率要求256Kbit/s，可得接收機(jī)靈敏度為-112.92dBm。

根據(jù)上述公式可計(jì)算出單站的覆蓋半徑為1.040km。

此外，考慮LTE系統(tǒng)切換時(shí)間，一般分為測(cè)量時(shí)間d1、延遲時(shí)間d2和執(zhí)行時(shí)間d3 3部分。其中，d1為200ms，d2一般配置為40ms，d3一般不超過(guò)250ms，因此切換時(shí)間為500ms左右。同時(shí)，預(yù)留失敗重建時(shí)延及冗余時(shí)延，切換時(shí)間考慮為1s，雙向切換考慮2s時(shí)間。根據(jù)不同車(chē)速下重疊覆蓋距離平均為194m，在這種場(chǎng)景下可以得出合適的站間距為1.88km。

然而，實(shí)際情況下，運(yùn)營(yíng)商為了滿足客戶多種業(yè)務(wù)的需求，尤其是現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)上傳類(lèi)業(yè)務(wù)，對(duì)覆蓋小區(qū)邊緣的最低上行速率遠(yuǎn)大于256Kbit/s。例如，720P單路傳輸?shù)膸捫枨鬄?Mbit/s，根據(jù)計(jì)算可得出，此時(shí)合適的站間距僅為1.52km。目前，京滬高鐵無(wú)錫段實(shí)際的平均站間距為1.04km。

3.2 基站與軌道垂直距離

基站到高鐵軌道的垂直距離（站軌距）主要跟入射角有關(guān)，根據(jù)試驗(yàn)情況可總結(jié)：入射角越小，穿透損耗越大。一般而言，入射角不宜小于10°，但也不能過(guò)大，過(guò)大將影響覆蓋范圍，從而縮小覆蓋半徑，一般最大取25°。從而，根據(jù)入射角可以計(jì)算出不同站間距情況下，站軌距的取值如表2所示。

表2 基站到軌道垂直距離測(cè)算表

因此，在1.5～1.8km站間距的情況下，站軌距一般取為150～480m。

為了驗(yàn)證上述測(cè)算的準(zhǔn)確性以及可行性，可選取部分高鐵路段進(jìn)行DT測(cè)試，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，站軌距在150m左右時(shí)，RSRP覆蓋性能最優(yōu)，SINR值最高，同時(shí)網(wǎng)絡(luò)所能獲得的下行速率也最高。但當(dāng)站軌距超過(guò)400m以后，網(wǎng)絡(luò)各項(xiàng)性能均出現(xiàn)較大幅度的下降，其中用戶體驗(yàn)最明顯的下行速率降為30Mbit/s左右，當(dāng)用戶量多的時(shí)候，體驗(yàn)感知將明顯下降。

3.3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決方案

3.3.1 大功率RRU解決大站間距覆蓋問(wèn)題

上文中提到的站間距是從理論角度結(jié)合實(shí)際車(chē)廂等損耗情況得出的理想經(jīng)驗(yàn)值，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段起到重要作用。然而，在現(xiàn)實(shí)的站址獲取過(guò)程中，由于業(yè)主或者周?chē)鷮?shí)際客觀環(huán)境的制約，基站位置會(huì)出現(xiàn)不同程度的偏差，從而可能出現(xiàn)累計(jì)偏差較大的情況。此時(shí)，通過(guò)一般手段難以有效解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

雖然大站間距將影響基站有效的覆蓋范圍，但如果能通過(guò)增大基站發(fā)射功率，在一定程度上就能彌補(bǔ)由于站間距變大而造成的損失。無(wú)錫在城郊區(qū)域就通過(guò)選用2T4R大功率RRU進(jìn)行試驗(yàn)并取得了明顯的效果。詳情可見(jiàn)圖2、表3。

通過(guò)更換京滬14基站其中一個(gè)扇區(qū)RRU，采用2T4R60W功率的RRU，DT測(cè)試結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)性能各項(xiàng)指標(biāo)提升明顯：該路段平均SINR從7.81dB提升到12.36dB，平均RSRP從-99.7dBm提升到-89.75dBm，下載速率從23.75Mbit/s提升到32.55Mbit/s。

圖1 不同站軌距下LTE網(wǎng)性能差異分析

3.3.2 小區(qū)合并技術(shù)解決頻繁切換問(wèn)題

常規(guī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案下，假設(shè)單小區(qū)覆蓋半徑為1km，時(shí)速200km的動(dòng)車(chē)組每秒行駛56m，每18s進(jìn)行一次小區(qū)切換或者重選；當(dāng)車(chē)速超過(guò)300km/h時(shí)，每12s就會(huì)發(fā)生一次切換或者重選，1min內(nèi)將會(huì)發(fā)生5次左右的切換。如此頻繁的切換和重選，會(huì)降低切換或者重選的成功率，進(jìn)而影響通信質(zhì)量。倘若要有效解決切換問(wèn)題，就需要增大小區(qū)覆蓋范圍，減少切換次數(shù)。然而，這個(gè)方案在上文論述合理站間距過(guò)程中已有論證，基站的覆蓋半徑受到業(yè)務(wù)需求的制約，可調(diào)整的范圍是有限的，同時(shí)還得注意合理規(guī)劃小區(qū)重疊區(qū)域。

根據(jù)上述分析，減少網(wǎng)絡(luò)切換與重選，除了物理手段解決覆蓋問(wèn)題外，在LTE網(wǎng)絡(luò)中，仍然可以通過(guò)采取小區(qū)合并技術(shù)，使得單個(gè)邏輯小區(qū)覆蓋區(qū)域增大，達(dá)到有效減少切換次數(shù)、提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

通過(guò)小區(qū)合并，2個(gè)物理站的2個(gè)物理小區(qū)合并成一個(gè)邏輯小區(qū)，邏輯小區(qū)內(nèi)RRU之間的切換由站間切換變?yōu)檎緝?nèi)協(xié)作，相當(dāng)于單小區(qū)覆蓋半徑翻倍，能有效減少切換次數(shù)。與此同時(shí)，在工程建設(shè)過(guò)程中，考慮到保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋的安全因素，應(yīng)盡量選擇直連RRU，減少級(jí)聯(lián)方式。以無(wú)錫城鐵站臺(tái)附近的優(yōu)化方案為例，通過(guò)小區(qū)合并技術(shù)，無(wú)錫站的進(jìn)出站路測(cè)結(jié)果顯示，信號(hào)覆蓋質(zhì)量答復(fù)提升，下載速率達(dá)到45.3Mbit/s，較工程優(yōu)化前提升70%。圖3及表4為無(wú)錫城際鐵路站臺(tái)通過(guò)小區(qū)合并技術(shù)優(yōu)化前后的對(duì)比情況。

圖2 站址示意圖

表3 優(yōu)化測(cè)試前后網(wǎng)絡(luò)性能對(duì)比情況

表4 無(wú)錫滬寧城鐵站小區(qū)合并前后路測(cè)效果對(duì)比情況

3.3.3 多普勒頻移補(bǔ)償及高速小區(qū)特性提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能

前文提及的多普勒頻移問(wèn)題，在高鐵覆蓋中不可避免，由于對(duì)用戶上行編解碼影響較大，造成網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗(yàn)下降。因此，多普勒頻移補(bǔ)償技術(shù)得到了多家設(shè)備廠商的支持。即在基站側(cè)通過(guò)對(duì)接收的上行信號(hào)頻率進(jìn)行頻偏估計(jì)，在基帶側(cè)進(jìn)行補(bǔ)償校正，以此提高上行信號(hào)的解調(diào)性能。

另外一個(gè)影響高鐵信號(hào)覆蓋的是快衰弱問(wèn)題。在移動(dòng)通信過(guò)程中，由于無(wú)線電波傳輸?shù)奶匦裕?jīng)過(guò)不同路徑最終歸于移動(dòng)終端時(shí)，信號(hào)是有相位特性進(jìn)而疊加的，如果相位相反甚至?xí)霈F(xiàn)“掉零”情況。為了解決這一問(wèn)題，筆者在局部站點(diǎn)開(kāi)通了高速小區(qū)特性模式，通過(guò)多用戶模擬實(shí)際環(huán)境測(cè)試，結(jié)果表明：開(kāi)通高速小區(qū)配置的區(qū)域較普通小區(qū)的覆蓋質(zhì)量有較大幅度提升（見(jiàn)圖4）。

圖3 無(wú)錫滬寧城鐵站小區(qū)合并前后路測(cè)效果示意圖

圖4 開(kāi)通高速小區(qū)特性前后覆蓋質(zhì)量對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

本文通過(guò)利用COST231-Hata傳播模型對(duì)高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的站間距、站軌距進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出理論上的合理站間距為1.5km，然而為了更好地滿足用戶的實(shí)際體驗(yàn)，部分路段站間距將進(jìn)一步縮小，在靠近密集城區(qū)部分，由于用戶量以及無(wú)線環(huán)境的變化，中心城區(qū)的站間距在0.7km左右。

此外，在針對(duì)高鐵覆蓋特性的基礎(chǔ)上，通過(guò)利用大功率2T4R RRU設(shè)備解決城郊大站間距問(wèn)題，利用小區(qū)合并技術(shù)解決多小區(qū)頻繁切換問(wèn)題。此外，通過(guò)配置多普勒頻移補(bǔ)償以及高速小區(qū)特性等多種手段，全方面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，提升網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗(yàn)感知。

1 唐艷超.LTE高鐵覆蓋解決方案研究.郵電設(shè)計(jì)技術(shù).2014,12

2 翟英鴻等.高速鐵路TD-LTE無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的探討.電信網(wǎng)技術(shù).2014,11

3 楊一帆.高速鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究.移動(dòng)通信.2014,8

4 譚路加等.高鐵覆蓋中天線與軌道垂直距離的探討.郵電設(shè)計(jì)技術(shù).2012,6

5 林善亮等.FDD-LTE在高鐵應(yīng)用場(chǎng)景中基站覆蓋半徑的設(shè)計(jì)探討.現(xiàn)代電信