高鐵LTE覆蓋優化方法研究

2017-09-26 08:33:01陳國平

互聯網天地 2017年6期

關鍵詞：優化

□ 文陳國平

高鐵LTE覆蓋優化方法研究

□ 文陳國平

1. 引言

目前各運營商已經建立高鐵移動通信網絡。隨著TD-LTE技術的發展，TD-LTE高鐵網絡的建設再次成為各運營商關注的重點。

2. 高鐵場景覆蓋特點

2.1 多普勒頻移明顯

高鐵覆蓋場景相較于普通覆蓋場景，主要在于高速移動環境下的多普勒效應。無線信號傳播過程中有各種反射、折射等，到達接收機的是很多個信號的疊加，每個到達信號分量的多普勒頻移不同，到達時延也略有差別，稱作多普勒效應。

多普勒頻移在LTE高鐵覆蓋時的特征如下：

1、用戶移動過程中，多譜勒頻移隨著用戶的位置變化而變化；

2、當列車駛向基站時，波長變短，合成頻率增加；

3、當列車駛出基站時，波長變長，合成頻率減小;

4、當列車正好經過基站軸線時，頻偏為0，但此時，頻偏變化最大；

2.2 高速移動中切換重選頻繁

高速移動的環境主要問題是快速切換。若切換區過小，導致終端在切換未處理完成之前，與原服務小區失去連接，使得業務中斷，需要考慮多普勒頻移和高速切換重選。所以，對于高速鐵路沿線的網絡覆蓋問題，要根據切換啟動門限參數的設計，以及完成切換流程所需時間統計，估算切換區所需的切換帶大小，只有當兩個小區切換區設計得足夠大，才能保證UE將滿足切換條件的測量事件上報之后，有足夠的時間跨越整個切換區，進行正常切換；

2.3 覆蓋場景復雜

高鐵站臺：移動用戶流量較大，用戶通信需求高；并且涉及與公網站點互相切換問題；

密集城區：建設阻擋嚴重，且可能與公網重疊覆蓋，產生與公網互干擾，用戶在公網與專網之間頻繁切換問題；

開闊區：地勢開闊，無線環境良好；傳輸電源配套建設成本高，設備安裝環境差；

高架橋梁：地勢狹窄，橋梁上站站點部困難；傳輸電源配套建設成本高，設備安裝環境差；

隧道：地勢狹窄，隧道內彎道易形成陰影衰落，施工困難，易形成多普勒頻移。

2.4 車廂穿透損耗大

車型不一樣，車廂穿透損耗稍有差別，根據鏈路預算，D頻段車廂穿透損耗為28dB,F頻段穿透損耗為26dB; 根據北京南站車廂內外選點，實際測試結果為D頻段損耗為26dB,F頻段為22dB。

3. 高鐵場景網絡規劃

3.1 組網方案

高鐵鐵路屬于典型的線性高速覆蓋場景，其特點為用戶移動速度高、切換頻繁。在這種場景下，采用超級小區合并技術，把原本多個小區合并成一個超級小區Super Cell，將小區間的切換變為小區內部不同CP（Cell Portion）間的轉換，這樣可以大幅度降低切換次數，提高整體切換成功率。另外采用了小區合并技術，小區內部各CP間還可獲得一定的合并分集增益，對于提高鏈路質量也有一定的好處。

目前高鐵TD-LTE網絡，采用2天線6 CP合并的方案，同一抱桿上的兩個雙通道RRU背靠背放置，組成一個Super Cell，如圖1所示。

3.2 頻段選擇

現在國內高鐵通常選擇F頻段和D頻段，高鐵一般建議跟公網異頻組網，當需要跟公網同頻的時候，建議采用另外一個頻段頻點在郊區與高鐵之間做一個3～4層鄰區的隔離帶；

由于D頻段頻點資源豐富，且穿透損耗大于F頻段（如表1），站間距要求較F頻段更小。所以無論是F頻段覆蓋還是D頻段覆蓋，建議規劃時盡量按照1km以內站間距規劃，以保證后續共站增加D頻段時，站址拓撲不需要變化。

4. 覆蓋優化

4.1 覆蓋優化目標

高鐵專網覆蓋，因網絡結構相對簡單，且采用了CP合并，因此覆蓋指標要求高于公網。

圖1 TD-LTE超級小區合并方案示意圖

表1 F/D頻段站點規劃差異見下：

車廂內座位上指標（考慮車廂穿透損耗22dB，F頻段）；

覆蓋率大于95%（RSRP大于-100dBm，且SINR大于0）；

R SR P均值大于-85d B m，SIN R均值大于17；

重疊覆蓋率：（R SRP＞-110 dBm，差值6dB）小于1%（基于掃頻統計）。

4.2 覆蓋優化要點

1、通過常規方法調整小區發射功率、小區天線方位角、下傾角，解決小區弱覆蓋、越區覆蓋，以達到降低干擾，提升高鐵沿線TD-LTE網絡覆蓋質量；

2、合理規劃D頻段、F頻段PCI，避免出現小區模3干擾及特殊算法要求規劃PCI，降低干擾，提升業務性能；

3、優先在高鐵專線配置2CP的情況下，做好單站點2CP覆蓋優化與切換帶優化之后，再進行更高級別CP合并。如果直接進行多CP合并，超級小區內部覆蓋將很難實施優化；

4、優化切換帶提升性能；采用超級小區降低切換頻次，提升切換性能。

4.3 重疊覆蓋控制

合理重疊覆蓋區域規劃是實現業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小會導致切換失敗，過大則會站間距增加，因此高鐵覆蓋規劃優化中要合理設計重疊覆蓋區域，如圖2。

重疊距離= 2* (切換遲滯對應距離+切換測量距離（128ms）+切換執行時間（100ms）

=2*（40+移動速度*0.228），如下表2

在高鐵專網場景下，考慮適當預留，重疊切換帶按200m預留。

4.4 天線方位角配置

如果站點分布按照高鐵規劃，按照“之”形分布于鐵路兩邊，則建議方位角設置應保證鐵路上有足夠的覆蓋強度，天線方位角與鐵路線路呈一定角度的夾角覆蓋。

方位角可通過地圖測量得到，使用角度測量工具，計算最佳方位角。

最佳方位角計算方法：

1、M為兩個站點之間的距離；取站點之間距離一半，假設兩站點相向小區重疊覆蓋200m（即：L=M/2+200m）；L作為小區的上半功率角覆蓋半徑；

2、通過三角函數計算出小區上波瓣覆蓋半徑落點與高鐵的交匯時的方向角Y（這里是上波瓣的，最終取主波瓣在高鐵線的落點是小區方向角）；可使用下面的角度測量工具完成該操作；

圖2 高鐵切換重疊覆蓋帶示意圖

表2 各種速度場景下重疊覆蓋距離計算

圖3 角度測量工具

圖4 天線下傾角設計示意圖

圖 5D頻段2CP切換

圖6 D頻段4CP切換

圖7 調整前越區嚴重

圖8 調整后覆蓋圖

圖9 越區覆蓋調整

3、為了使小區主波瓣落在高鐵線上，預估小區方向角Y加或者減15度；（考慮天線寬度為33度，取其一半）如圖3。

4.5 天線下傾角優化

高鐵覆蓋對象明確，因此需要合理設置下傾角，確保高鐵軌道面的覆蓋，同時避免越區覆蓋。高鐵下傾角的調整，應優先滿足切換帶的覆蓋強度，之后再嚴格控制越區覆蓋。實際中應盡量下壓天線傾角，以切換帶不出現弱覆蓋為目標。

在實際設計中，基站天線和軌道面之間存在如下圖4的關系。

根據三角函數可以推導天線下傾和小區覆蓋半徑之間的關系如下：

這里的 a 的單位是弧度，需要轉換成角度。轉換成角度后的 a 的關系如下：

簡化公式：天線下傾角 = a r c t a g ( H / D ) +垂直半功率角/2

當我們選用的天線帶有固定電子下傾角時，這時需要下壓的機械下傾角為：

我們知道，調整天線下傾角的工具——水平儀是有一定的精度的，一般能夠精確到1度。因此需要針對計算的 a 角度進行四舍五入。目前常用的LTE天線2通道產品都帶有6度電下傾，實際調整時需核實電子下傾后調整機械下傾。

根據路測，使用路測軟件測量出需要加強覆蓋的區域（或規劃的切換帶的邊緣）距離基站的距離，將要覆蓋的距離、站高、天線增高高度、站點海波高度、覆蓋區域海拔高度、天線垂直波瓣寬度（TD使用7度）、預置電下傾角輸入下面的excel表中，即可得到需要設置的下傾角。

4.6 超級小區合并

京滬高鐵的車速在專網段接近300km/h，平均每秒鐘行車83.3m。如果高鐵小區未進行小區合并，則列車經過一個小區（覆蓋半徑約650m）的時間約為8秒，這樣切換將會非常頻繁，切換過程中也容易出現切換失敗、掉話等異常事件。

采用超級小區合并的方式可切換頻次優化，降低線路上的超級主小區數目，從而提供切換成功率。優先在2CP的情況下，做好單站點2CP覆蓋優化與切換帶優化之后，再進行更多的CP合并。避免直接合并多個CP后，不好進行覆蓋控制的弊端。

高鐵小區進行超級小區合并后，增大了小區的覆蓋范圍，直接減少專網小區間切換次數。以京滬高鐵北京試驗段專網為例，12個物理站點24個小區經過2CP小區合并后為12個小區，高鐵專網內僅需要切換11次，而不進行小區合并時是24個小區，需要切換23次，經過4CP小區合并后為6個小區，僅需切換5次，經過6CP小區合并后為6個小區，需切換5次。

超級小區合并案例如下圖5：

從上圖中可以看出，D頻段覆蓋整體偏弱，切換帶在-105dBm左右。

4CP測試后，如上圖6，整體覆蓋相比2CP差別不大，但大大降低切換次數，帶來提升。