800MLTE高鐵覆蓋解決方案研究

卜 翠

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800MLTE高鐵覆蓋解決方案研究

卜 翠

貴州省郵電規劃設計院有限公司，貴州 貴陽 550003

高鐵覆蓋的困難主要體現在多普勒頻移大、小區重選和切換頻繁以及穿透損耗大3個方面。分別從LTE高鐵覆蓋的組網方式、基站部署、天饋系統建設方面對LTE高鐵覆蓋解決方案進行了研究，通過降低基站站間距和限制掠射角的方式解決穿透損耗大的問題，通過小區合并解決小區重選和切換頻繁的問題。

800M；LTE；組網方案；鏈路預算；天饋系統

1 概述

高速鐵路是當今時代高新技術的集成和鐵路現代化的重要標志，反映了一個國家的綜合國力。未來幾年內高速鐵路將成為我國地面客運的主要力量。高鐵新型車廂采用全封閉式車體結構，損耗較普通列車大很多；高鐵高速運動引起的大頻偏對于接收機解調性能的提升是個大挑戰；由于單站覆蓋范圍有限，列車高速移動時將在短時間內穿過多個小區的覆蓋范圍，引起頻繁的小區切換。

頻繁的小區重選和切換會導致成功率下降，甚至因切換不及時而導致掉話，頻繁的小區重選也將影響PS業務速率等指標；高速列車在給用戶帶來更好的出行體驗時也為移動通信系統的覆蓋帶來了一定的困難。如何做好LTE高鐵覆蓋是亟待解決的問題。本文從LTE高鐵覆蓋頻率選擇，組網方案分析入手，給出高鐵覆蓋組網方案建議，基站部署方案建議，以及天饋線系統建設方案[1]。

2 組網方案

目前LTE FDD分配頻段為1.8G，但對于中國電信來講，2G/3G網絡基于800M 頻段，若采用1.8G實現全覆蓋，必將涉及新建大量的站點，尤其是目前站間距較大的農村區域，增站比例將更高。但是，如果利用CDMA800M頻段建設LTE800M進行覆蓋的話，可以節約大量的建站成本，在郊區農村區域的效益尤為明顯[2]。 CDMA使用頻段為825～835 MHz/870～880 MHz，上下行各10M頻段7個頻點，2G和3G占用不同的頻點。目前城區已經占到了6～7個頻點，而郊區/農村則主要為2～4個頻點。考慮到4G的帶寬設置及速率情況，4G單載波帶寬達到5M及以上能夠給予用戶較好的體驗。目前農村區域多為2載波站，可在該類區域采用夾心方案移出4個載波5M帶寬來承載LTE業務實現廣覆蓋。

為避免列車高速行駛中頻繁地跨越小區，高鐵場景全線采用小區合并技術BBU+RRU分布式基站方式組網。

小區合并技術使多個RRU共小區，從而增加單小區覆蓋范圍，降低高鐵切換次數，提高切換成功率。在城區，對于距離鐵軌距離較近的站點，朝向高鐵線路覆蓋的兩個扇區做小區合并；在郊區及農村場景，對于高鐵覆蓋站點可以做同BBU下的跨物理站址的小區合并，從而降低小區間重選和切換次數。

3 基站部署方案

3.1 站間距

鏈路預算是無線網絡覆蓋規劃的前提，高速鐵路LTE無線網絡鏈路預算的目的是為確定基站覆蓋能力即小區覆蓋半徑提供參考。結合高速鐵路經過的不同場景，通過采用適當的覆蓋預測模型，計算滿足一定數據速率下鏈路允許的最大損耗值就可以得到小區覆蓋半徑。無線鏈路預算分為上行鏈路預算和下行鏈路預算，由于上下行鏈路通信實現原理不同，上下行鏈路預算也不一樣，一般由于基站的發射功率遠遠大于手機的發射功率，下行覆蓋的距離不是問題，基站的覆蓋距離主要受限于上行覆蓋的限制。

鏈路預算主要的參數介紹如下：

小區邊緣速率設定：邊緣用戶下、上行速率滿足4 MB256kb/s。

車體損耗：CHR為全封閉結構，部分采用金屬鍍膜玻璃，車體損耗大，各種車型損耗不一致。另外，還存在掠射角損耗，隨著掠射角的逐漸減小，在10 度以內，車體穿透損耗值迅速增大。綜合以上因素，車體穿透損耗取30 dB。

陰影衰落余量：覆蓋率95%情況下，靠近密集市區、一般市區、郊區陰影衰落余量取8 dB，農村陰影余量取6 dB。

干擾余量：3 dB。

高鐵采用的頻率在COST231-Hata傳播模型的150～2 000 MHz范圍內。高速鐵路FDD-LTE網絡無線傳播模選取COST231-Hata傳播模型。

LTE系統切換時間由三部分構成，測量時間d1、遲滯時間d2和執行時間d3，其中d1=200 ms，d2一般配置為40 ms，d3根據測試經驗不超過250 ms，因此切換時間為500 ms左右，同時預留一次切換失敗重建時延和冗余時延，切換時間考慮1 s的時間，雙向切換考慮2 s的時間。根據列車的運行速度，結合LTE切換所需的時間，可以計算出滿足切換所需要的重疊覆蓋距離。

根據鏈路預算和重疊覆蓋距離估算，在滿足上行256 K的情況下，350 km時速下的LTE基站站間距在郊區場景下為1.6 km，農村場景下為3.5 km。

3.2 基站到鐵軌的垂直距離

基站到鐵軌的垂直距離主要和掠射角有關，掠射角越小，穿透損耗越大，根據經驗，一般掠射角不宜小于10°，但也不能過大，過大將影響覆蓋距離，一般取25°。在郊區1.6～1.8 k站間距的情況下，基站到鐵軌的垂直距離一般取200～500 m。

4 天饋系統建設方案

4.1 天線選型原則

當站點與鐵軌沿線垂直距離較近時，可選用窄波束高增益天線，如33°21 dBi天線，可以保證小區徑向覆蓋能力，避免覆蓋周邊區域，提升覆蓋能力，減少站點數量；當站點與鐵路沿線的垂直距離較大時可選用65°18 dBi天線，有效擴寬高鐵軌道沿線的覆蓋，可兼顧鐵路和周邊區域的覆蓋。

4.2 天線掛高設置原則

天線掛高設置應考慮鐵軌高度，天線掛高需高出軌面15 m以上，應保證天線與軌面視通。

4.3 天線方位角設置原則

天線方位角的設置應該使小區主波瓣更好地沿鐵路方向覆蓋，有效地提高覆蓋距離。方向角的調整與基站與鐵路的垂直距離相關，一般原則是距離越近則方向可越貼近鐵路線方向，距離越遠，則天線方向越朝垂直鐵路方向。由于天線主瓣方向和高鐵列車車廂體形成的夾角小于10°時，車廂體的穿透損耗迅速增加，設置天線方位角的時候應避免掠射角小于10°。

5 總結

本文對高鐵800M LTE網絡覆蓋的站間距、基站到鐵軌的垂直距離進行詳細的分析，得出理論上的合理站間距，然而為了更好地滿足用戶的實際體驗，部分路段站間距將進一步縮小，在靠近密集城區部分，由于用戶量以及無線環境的變化，中心城區的站間距在0.7 km左右。在高鐵覆蓋特性的基礎上，可通過利用大功率2T4R RRU設備解決城郊大站間距問題。通過配置多普勒頻移補償以及高速小區特性等多種手段，全方面優化網絡覆蓋效果，提升網絡性能以及用戶體驗感知。

[1]蔣曉虞，劉遠高.基于800M頻段建設4G網絡的策略[J].電信快報，2014（9）：15-18.

[2]彭鵬，高速鐵路CDMA無線覆蓋研究[D].北京：北京郵電大學，2012.

The Solution 800MLTE High-speed Rail Cover

Bu Cui

Guizhou Provincial Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Limited, Guizhou Guiyang 550003

The difficulty of covering the high-speed rail is mainly reflected in the large Doppler shift, frequent switching and cell reselection and the penetration loss of large three aspects. In this paper, respectively, from high-speed rail covered networking LTE base station deployment, building antenna system for high-speed LTE coverage solution was studied by reducing the distance between base stations and limit grazing angle of penetration loss solution to a big problem, by the combined cell reselection and handover to resolve the frequent problems.

800M; LTE; networking schemes; link budget; antenna system

TN929.5

A

1009-6434（2016）08-0142-02