基于LTE的智慧高速公路無線專網規劃

陳秀娟

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基于LTE的智慧高速公路無線專網規劃

陳秀娟

廣東省電信規劃設計院有限公司電信咨詢設計院，廣東 廣州 510630

公眾對高速出行需求日益多樣化、個性化，且隨著車聯網、智能駕駛等出現，需要進行更多的車路協同及車車通信，以提升公眾出行的安全水平及更愉悅的體驗。這需要構建一張智慧高速公路無線專網。基于LTE的智慧高速公路無線專網規劃為實現車聯網、車路協同、智能駕駛等新一代信息技術打下堅實的基礎。

智慧高速公路；無線覆蓋；隧道覆蓋

進入21世紀，信息技術發展突飛猛進，黨中央、國務院做出了以信息化帶動工業化、以工業化促進信息化、走新型工業化道路的戰略部署。交通運輸信息化是國家信息化建設的重要組成部分，是促進交通運輸業發展方式轉變、全面提升交通運輸管理能力和服務水平的重要抓手。當前，“智慧高速”也已成為一個國家公路信息化發展的主要特征，此外，“十三五”規劃已將車聯網作為物聯網十大重點部署領域之一，車聯網有關項目已被列為我國重大專項第三專項的重要項目[1]。

近年來，公眾對高速公路出行服務水平的要求也在不斷提高，對運用信息化、智能化手段提升現有高速公路的管理、應急救援和公眾服務水平提出了更高、更迫切的要求。要打造高速公路的專屬智慧網絡，就必須有良好的專用的無線網絡覆蓋作為基礎，首先必須做好智慧高速公路的無線覆蓋專題規劃[2]。

1 總體建設原則

一個無線專網需滿足全國高速公路的覆蓋與業務需求，需要遵循以下總體建設原則[3]：

2.1 安全可靠性

安全是網絡運行的基礎，網絡系統本身要有較高的安全性，關鍵設備和模塊應該有冗余備份；在技術上提供先進的、可靠的、全面的安全認證方案和應急措施，確保系統萬無一失；能夠安全承載主要網絡應用[4]。

網絡設計采用冗余連接，保證重要設備和線路在故障發生時能自動切換。系統結構設計、設備選型、系統建設、網絡管理需要充分考慮網絡整體可靠性、可用性以及可維護性，確保網絡是一個不間斷的運行系統[5]。

2.2 技術先進

網絡規劃著眼長遠發展，要具有科學性、先進性。網絡設備選型應具備先進性，要具有較長的生命周期。系統硬件和軟件平臺要先進，應具有很強的擴展能力。

2.3 技術開放

充分考慮系統中選用的技術和設備的協同運行能力，保護現有資源和系統投資的長期效應以及系統不斷擴展的需要[6]。

2.4 可擴展

由于無線通信技術飛速發展，網絡設計需要保證目前業務需求，也要考慮未來網絡的發展，滿足當前以及未來相當一段時間內的業務需求，便于向新技術的升級和銜接，同時又需要保護原有的投資。系統應具備良好的擴展能力[7]。

2.5 可管理性

在網絡不斷擴展的同時，隨著網絡中的設備越來越多，網絡的復雜性和管理的難度相應的增加。為了方便地對網絡上不同廠商的設備進行集中管理，應采用統一的網管系統進行管理，實時監測網絡運行狀況，具有分析和統計網絡指標以及故障報警功能[8]。

2.6 良好的性價比

整個網絡系統能與現有網絡資源良好融合，需在先進性、安全性、實用性、可靠性和穩定性以及系統投資上進行綜合平衡，要求具有較優的系統性價比[9]。

2 無線網規劃指標

寬帶無線網絡主要提供高速公路運營管理服務、高速公路出行智慧交通等服務，承載移動上網、監測監控、視頻回傳、圖像回傳、信息采集回傳、信息推送等業務，結合網絡業務與覆蓋需求，無線專網需要確定網絡規劃指標：

（1）小區邊緣速率：原則上下行2?Mbps，上行1?Mbps；車流小的地區下行1?Mbps，上行512?kbps；

（2）覆蓋指標：在90%的覆蓋概率下，信號強度RSRP不低于-105?dBm，信號質量RS-SINR不小于-3?dB；

（3）網絡能力：在10?MHz帶寬組網下，上下行時隙配比2：2、基站配置2天線條件下，系統單小區最大上下行吞吐量可達10?Mbps/30?Mbps；

（4）用戶連接建立成功率＞95%，用戶連接建立時延＜80?ms；

（5）尋呼成功率：≥95%；

（6）掉線率：≤4%；

（7）切換成功率：≥95%；

（8）切換時延：控制面切換時延＜100?ms，用戶面切換時延＜50?ms。

3 鏈路預算

鏈路預算通過對無線信號在傳播途徑中各種影響因素的分析，估算系統的覆蓋能力，在保證一定信號質量前提下，獲得鏈路所允許的最大傳播損耗[10]。

最大允許路徑損耗與發射功率和無線傳播損耗密切相關。除傳播損耗外，建筑物所引起的陰影損耗，高建筑物的反射，天線、基站和移動臺的高度以及道路、樹木都將影響路徑損耗的中值和偏差。在傳播路徑確定的情況下，下行最大路徑損耗由基站發射功率以及移動臺接收靈敏度來決定，上行最大路徑損耗由手機發射功率和基站接收靈敏度來決定[11]。

小區覆蓋半徑由計算所得上下行最大允許路徑損耗和覆蓋的區域類型決定，一般上行鏈路預算是覆蓋瓶頸，小區覆蓋半徑由上行鏈路預算決定。

4 高速公路覆蓋技術方案

4.1 基站選址

基于建設成本、建設周期、共建共享等因素，在高速公路基站選址時，盡量利用現有的監控桿、龍門架站址，選擇高速場景沿線滿足覆蓋要求的站點；對于沒有監控桿、龍門架資源需新建桿塔的路段，選擇合理的位置新增站點，并考慮站點覆蓋環境未來變化的因素。基站選址遵循以下原則：

（1）交叉布站：在高速公路兩邊交叉布站，如果多個站點位于公路的一側，這樣如果有建筑物或者樹木遮擋會造成信號覆蓋較差，規劃站址應盡量位于高速線路兩側，以彌補建筑物或者樹木遮擋等其他因素帶來的影響。

（2）S彎道：基站優先選在S型彎道突出的一側，以便對S型彎形成良好的覆蓋。這樣可以方便的使扇區的方位角沿著道路的方向，加強覆蓋效果。同時，如果彎度比較大的話，兩個扇區的夾角可以遠小于180°，這樣如果必須建成三扇區基站，扇區間也不至于引起很大的干擾。

（3）基站高度：充分利用地形，站址選在較高的位置，天線高度應高于目標覆蓋區，保證天線與覆蓋目標區域之間可視；同時為避免相互間的干擾，防止越區覆蓋，應兼顧周邊基站，盡量與周邊基站的天線高度相差不大。

（4）樹木的影響：一般來說樹木對信號的損耗約有10?dB左右，需要綜合考慮不同季度樹木的影響。

（5）兩扇區配置：高速公路是180°的兩扇區兩側覆蓋。

（6）基站選址應避開水澇淹灌、斷層土坡邊緣易塌方的地方。

4.2 小區合并

高速公路覆蓋場景為線性覆蓋，一個站點設置兩個扇區，如下圖所示，采用BBU+RRU 組網方式將多個相鄰站點RRU 合并成一個小區，擴大單個小區覆蓋范圍，增加終端在小區內的駐留時間，減少切換，增加隨機接入成功率，提高承載速率。此外，在小區覆蓋邊緣，還需要增加覆蓋交疊區，有利于切換成功率的提高。采用BBU+RRU 組網方式組網方式，可以在滿足網絡容量的情況下，加大了基站的覆蓋范圍，減少了eUE頻繁切換帶來的掉線問題。

圖1 小區合并組網示意圖

高速公路車輛最高限速為120?km/h，相鄰基站應保證有一定的切換區間，本專網規劃取小區覆蓋半徑的1/4作為切換區間，以保證終端的漫游切換。

高速公路小區合并的RRU數量，應結合業務覆蓋切換需求及設備能力綜合考慮。

4.2.1 RRU級聯限制

根據主設備廠家調研情況，RRU可支持四級級聯，一般應用建議三級級聯，光口支持RRU拉遠10?km。在小區不合并時，通過三級級聯，最遠的RRU距離BBU可達30?km；小區合并時，受傳輸性能限制，最遠的RRU距離BBU不能超過14?km。

在BBU機房選擇時，一般優先共用高速公路現有的收費站機房，在部分高速路段，收費站機房間距超過28?km，單向超過14?km。在高速公路覆蓋中，由于車速較快，若不進行小區合并，會造成終端切換頻繁引起掉話，增大系統開銷，降低承載速率；同時，小區數也會增多，對BBU基帶板需求增大，會增加BBU設備的采購成本。因此，高速覆蓋一般采用小區合并方式。受小區合并下RRU級聯距離不超過14?km的限制，在收費站間距超過28?km，單向超過14?km，中間RRU數量較多時，建議在遠端新增BBU，機房建議采用低成本的一體化戶外柜方式。

4.3 天線選擇

高速公路覆蓋一般采用前后比小的兩單元線陣雙極化定向天線，常用的天線增益為17dBi，水平波瓣角為45°。對于道路彎曲幅度較大，可以采用水平波瓣角度稍大的定向天線覆蓋。

4.4 參數設置

高速公路一般只需要設置左右兩個鄰區，鄰區測量數量較少，有利于提高切換成功率。在設置系統參數時，簡化切換關系，降低切換和重選的啟動門限，減少切換滯后時間，提高切換速度；對于可能發生乒乓切換的區域，開啟定向切換算法或設置為同一小區。應開啟設備廠家頻偏估計和補償算法，滿足高速公路場景下eUE和eNode B的解調性能需求。此外，還需設置鄰區之間合適PCI，避免PCI沖突和混淆引起掉話。

4.5 位置區設置

為了減少終端在位置區間的切換，盡量將高速公路的站點設置為同一個位置區，如需設置多個位置區，可以把位置區設置在服務區、收費站、車站等區域，盡量避免將位置區邊緣設置在高速中間區域的情況。

4.6 高速公路隧道覆蓋

對于高速公路隧道TD-LTE無線網覆蓋，應結合隧道的長度、隧道截面積大小、隧道外部信號的覆蓋等具體情況相關覆蓋解決方案。

短隧道一般采用定向天線進行隧道覆蓋，在隧道口設置基站，用普通的定向天線向隧道里覆蓋。當單根天線不足于覆蓋整個隧道時，可以采用從隧道兩側各用一個天線同時打向隧道覆蓋的方式。

對于較長的隧道，一般有定向天線和泄漏電纜兩種覆蓋方案。

（1）定向天線方案

通常的做法是在隧道口兩側各用一副定向天線打向隧道，在隧道的墻壁上沿每個站點安裝兩副定向天線，覆蓋前后方向。常見的隧道覆蓋可直接選用17dBi增益、尺寸較小的室外天線，以擴大覆蓋范圍。這種覆蓋方案設計比較靈活、價格較低，但覆蓋信號分布不夠均勻，安裝條件有時會受到限制。

圖 2 定向天線隧道覆蓋方案

（2）泄漏電纜方案

信號源通過泄漏電纜把信號傳送到隧道內各個區域，同時通過泄漏電纜外導體上的一系列開口，在外導體上產生表面電流，從而在電纜開口處橫截面上形成電磁場，把信號沿電纜縱向均勻地發發射出去和接收回來。采用泄漏電纜方案，隧道內信號分布比較均勻，但建設成本較高。

圖3 泄漏電纜隧道覆蓋方案

定向天線和泄漏電纜覆蓋方案對比如下表所示。

表1 定向天線與泄漏電纜方案對比

綜合考慮覆蓋需求與投資建設成本，本專網隧道覆蓋建議優先采用定向天線覆蓋方案。本方案在設計時可考慮隧道內進行小區合并，減少隧道內切換，減少干擾；同時應注意隧道內外基站規劃，以保證覆蓋隧道內的小區和隧道外宏站的良好切換。

5 結束語

智慧高速公路是隨著信息時代發展進步的新產物，對智慧高速公路做專題覆蓋，目的是為實現車聯網、智能駕駛等先進技術打下堅實基礎，讓高科技更加安全地為民眾服務。隨著高速公路的互聯網業務需求日益增多，如何完善高速的網絡覆蓋，提升網絡質量，安全性成為重要研究的問題，也是未來5G網絡要考慮的問題。本文通過對闡述基于LTE的智慧高速公路無線專網覆蓋技術方案，從基站選址、小區合并、天線選址、參數和位置區設置以及隧道覆蓋等方面進行介紹，指導智慧高速公路網絡建設。

[1]明政.淺談移動通信無線信號在高速公路隧道覆蓋技術[J].通信世界，2017（5）：135.

[2]鐘如鵬.LTE800M高速公路覆蓋方案[J].信息通信，2017（1）：235-236.

[3]侯宇坤.LTE高速公路覆蓋解決方案[J].電子世界，2016（18）：170-171.

[4]魏小軍.高速公路通信網絡規劃的幾點思考[J].電子測試，2016（5）：69-70.

[5]李威，安朋朋，秦會峰.山東聯通高速公路網絡覆蓋專題研究[J].移動通信，2015（19）：50-56.

[6]王曉凡，修凱斌.隧道內無線信號覆蓋問題研究[J].硅谷，2015（4）：67,79.

[7]付道繁.移動通信無線信號在高速公路隧道覆蓋技術[J].中國新通信，2014（2）；120-122.

[8]楊金素，高博文，徐永軍.高速公路優化解決方案[J].移動通信，2014（6）：14-18.

[9]董睿韜，陳小波.高速公路隧道無線覆蓋規劃設計[J].移動通信，2013（22）：44-48.

[10]龐偉東.TD-SCDMA高速鐵路無線網絡覆蓋方案[J].通信與信息技術，2013（3）：87-91.

[11]張平剛.WCDMA高速公路網絡覆蓋分析與解決[J].科技創新與應用，2013（2）：32-35.

Intelligent Highway Wireless Network Planning Base on LTE

Chen Xiujuan

Guangdong planning and Design Institute Co., Ltd., Telecom consulting and Design Institute, Guangdong Guangzhou 510630

Public demand for high-speed travel increasingly diverse, personalized.And with the advent of car networking, intelligent driving, etc., need to carry out more road vehicle coordination and vehicle communication, in order to improve the safety level of the public travel and more enjoyable experience.This requires the construction of a smart highway wireless network. Intelligent highway wireless network planning base on LTE lay a solid foundation for the realization of the car networking, vehicle road coordination，intelligent driving and other new generation of information technology.

Intelligent highway; wireless coverage; tunnel coverage

U285.21；TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0064-04

陳秀娟：工程師，碩士學位獲取于華南理工大學，學士學位畢業于五邑大學，現任職于廣東省電信規劃設計院有限公司電信咨詢設計院，主要從事無線網絡規劃和咨詢工作。