高鐵LTE—TDD—FDD融合組網應用及研究

梅士華　王廣增

摘要：某峰會期間，為更好滿足國際漫游用戶出行時4G網絡服務需求，同時滿足高鐵不斷增長的容量需求，需進行高鐵4G融合組網試點研究。本次主要驗證LTE-FDD在高鐵場景應用中的設備組網方案及天面設計方案在實際建設應用中的效果，探討高鐵場景下LTE-TDD-FDD融合組網技術方案。

關鍵詞：高鐵；LTE-FDD；TDD-LTE；融合組網；測試

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2018）01-0024-04

1 引用

2016年9月，某高級峰會在城市A舉行，屆時將產生大量國際漫游用戶4G網絡服務需求。此前城市A、城市B烏鎮已啟動4G融合組網試點項目，為城區及景區場景融合覆蓋，提供并驗證了一系列技術指標參數。目前尚缺乏對高鐵場景應用研究，為更好地滿足國際漫游入用戶出行時4G網絡服務需求，需進行某高鐵4G融合組網試點。

某高鐵連接長三角經濟區兩個核心城市，沿線經濟發達，流量需求日益增長，隨著LTE-TDD用戶滲透率不斷提升，LTE-TDD網絡小區負荷較高，影響用戶感知。因此需要進行某高鐵LTE-FDD建設及LTE-TDD-FDD融合組網，滿足某高鐵不斷增長的容量需求，保障高鐵4G用戶業務體驗。

2 技術方案分析

2.1 指標要求分析

以車內接收信號為參考值標準，并要求控制周邊基站信號強度，確保高鐵線路具有主導信號。

4G融合組網在高鐵列車內連續覆蓋標準如表1所示。

公專網設置：本次高鐵的覆蓋沿用高鐵專網覆蓋模式，合理利用單雙向鄰區關系，過渡帶小區設置，基于頻率優先級的重選與切換，區分高、低速用戶的切換等手段實現良好的專網、公網協同覆蓋。

2.2 組網方式分析

融合組網可采用GL升級及TF融合兩種建設方式，如表2所示：

方式一：GL升級（2T2R），現網部分設備射頻部分支持，可利舊原BBU框，增加基帶單元及控制單元直接升級。GL升級（4T4R），利舊原有BBU框，增加基帶單元及控制單元，新增射頻設備（RRU），并更換天線。

方式二：TF融合，利舊原有BBU框，新增基帶板，增加射頻設備（RRU），并新增天線。

某運營商LTE-TDD網絡采用F頻段主覆蓋，D頻段解決容量，采用方式二對LTE-TDD網絡沖擊較大，清頻難度相對高。2015年以來某運營商LTE-TDD網絡流量占全網數據流量不斷提升，截至2016年8月已達到95%以上，LTE-TDD網絡已經成為某地運營商的主要數據承載網絡，G網承載能力得到釋放，客觀上有利采用GL升級。

2.3 頻段選擇分析

現階段高鐵已使用GSM900頻段、TD-LTE F頻段及D頻段實現全路段組網覆蓋，地市間銜接區域采用DCS1800頻段進行容量保障覆蓋，高鐵現網站址布局可滿足各頻段覆蓋距離和切換帶要求，如表3所示：

通過FDD技術特點可以得到：

（1）當帶寬2×5MHz時，平均吞吐率=8/4 Mbps；單用戶最大速率=36/13 Mbps；

（2）當帶寬2×10MHz時，平均吞吐率=18/9 Mbps；單用戶最大速率=73/27 Mbps；

截至2015年7月，全球共3253款LTE終端，手持智能終端的比例在50%以上，達到1783款。其中FDD1.8G終端達到1543款，TDD-LTE終端1210款，絕大部分同時支持FDD1.8G。FDD900M終端迅猛發展，一年內終端數由335增長至668，智能手機由161增長到372，增長超過一倍，較FDD1.8G仍有很大差距。

頻段選擇綜合考慮需現網高鐵覆蓋頻段、頻段資源及終端支持等因素，建議采用DCS1800頻段組網。針對DCS1800頻段已用于公網建設，需對高鐵沿線5KM范圍內進行DCS1800網絡清頻，移出10MHz頻率資源用于高鐵專網。

2.4 GSM&LTE-FDD;頻點配置

GSM&LTE-FDD;頻點配置模式靈活，即可采用邊緣模式，也可采用三明治方式。

采用邊緣模式，包括上邊緣模式和下邊緣模式。若天饋互調性能不好，LTE置于下邊緣，互調信號對接收頻段的影響最小。

采用三明治方式，GSM與LTE的協調為同一運營商內容，避免不同運營商間的相互協調，同時方便未來帶寬擴展（領區配置不變）。

2.5 LTE-TDD/FDD 核心網與傳輸需求

如圖1所示。

核心網：TDD/FDD LTE在核心網層面的接口和協議完全一致，可實現共享核心網、共享用戶數據、共享網絡數據、共享核心網互操作策略。核心網不區分小區是TDD還是FDD模式。

傳輸設置：每個BBU各自接入傳輸環，也可匯聚后共用一個傳輸端口。

傳輸帶寬需求：10M FDD LTE的峰值下載速率可以達到73M，考慮實際網絡單站不同小區的業務波動，單站傳輸需求100M。

QoS要求：FDD LTE采用全IP化傳輸，一般要求空載情況下基站到核心網絡的延遲小于20ms，時延抖動小于7ms，丟包率小于0.05%。

3 工程設計方案

某高鐵起點城市C站，終點城市A東站，設計時速350公里/小時，運行時速300公里/小時，總里程160公里，途徑城市C及某省份，其中城市A境內16公里，城市B境內87公里全程高架，無隧道。

3.1 站址設計方案

考慮到現有TD-LTE某高鐵覆蓋網絡經過多期建設及優化，已經能夠較好的滿足TD-LTE用戶業務感知要求，按照融合組網下各網網絡結構一致的要求，本工程新建FDD-LTE 1800MHz站點全部與現有TD-LTE站點共址建設。

原高鐵覆蓋站址設置原則：

（1）為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問題，宏基站與鐵路垂直距離建議為100米-300米；

（2）宏基站天線掛高應考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10m-20m，保證天線與軌面視通。對于采用微站建設方式的場景天線高度可適當降低；

（3）對于直線軌道，相鄰站點宜交錯分布于鐵路的兩側，形成“之”字型布局，有助于改善切換區域，有利于車廂內兩側信號質量的均衡；

（4）應結合工程條件優先將站點交錯部署在鐵路兩側，有利與信號的均勻分布，對于彎路區域，優先將站點設置在彎道內側。

3.2 設備組網方案

結合現網高鐵沿線的組網方案，即采用共小區方式組網，利舊近端BBU框，新增基帶板，遠端則新增1800射頻單元，連接至原天線或新增天線上。近端至遠端的光纖需進行改造，以便滿足融合網絡的組網纖芯需求。

3.3 天面設計方案

高鐵沿線天面空間資源受限，本次采用合路現有網絡天線方式進行建設，通過對不同制式網絡的天面合路方式對比分析（見表3高鐵天面合路方案優缺點對比表），并結合本次實驗目標，4G融合組網疊加將不影響現網TDD覆蓋，建議本段高鐵采用與GSM900天線合路方式，TDD/FDD共覆蓋優化可通過天饋精細優化來提升FDD分流效果，并可以通過參數極端設置控制，如表4所示。

3.4 天線選型方案

高鐵場景，可根據合路方式進行天線選擇，本次可選擇900/1800高增益天線。本次驗證中，由于僅有1款全頻六口高增益天線（900/1800FA/D 17/21/21dBi 六口 高增益 32°）入圍，所以未做對比，僅對部分站點進行了選型替換。

3.5 建設規模

某高鐵共建設4G融合宏基站物理站點166個，全部為共址已有TD-LTE 4G網絡物理站址。涉及4G邏輯宏站27個、邏輯小區46個，邏輯載頻46個；全線采用1800MHz頻段覆蓋，宏基站物理站點平均站高35米，平均站間距620米，如表5所示。

4 優化測試驗證

本次4G融合網絡開通后，對網絡進行了網絡測試驗證，通過測試數據顯示，本次的高鐵場景4G融合方案有效的增加了網絡流量，提高了高鐵全程的接通率。

4.1 數據業務

在網絡負荷較輕的情況下，達到建網預期目標：下載速率達到22M以上，上傳速率達到15M以上。如表6所示。

4.2 語音業務

全程接通率達到建網目標：90%以上，MOS3.0以上占比達到90%以上。如表7所示：

4.3 流量分流比

城市A數據：高鐵線FDD小區開啟后，FDD小區流量占總吞吐量的32.92%，高鐵線總吞吐量上升26.65%，如圖2、3所示。

城市B數據：高鐵線FDD小區開啟后，FDD小區流量占總吞吐量的35.18%，高鐵線總吞吐量上升3.62%。

5 結語

隨著高鐵近幾年全國范圍的迅速建設和高鐵技術的不斷完善，火車時速由120km提升至300km，越來越多人士選擇高鐵出行，用戶對網絡覆蓋和質量提出了越來越高的要求，用戶容量不斷增長。高鐵場景下LTE-TDD-FDD融合組網應用，可為某運營商LTE-TDD-FDD融合建設與運營積累經驗，建議后期積極開展多場景LTE-TDD-FDD融合組網應用研究。