省際首條高鐵聯通LTE網絡覆蓋策略研究

康宏建

中國聯通呼和浩特分公司

0 引言

呼張（呼和浩特—張家口）高鐵作為內蒙古首條高鐵，其意義非凡。它不僅是國家鐵路網通道重要組成部分，還是“三北”地區聯系的重要通道和地區經濟發展的重要象征，更是人們“高速出行+高速上網”當代生活的標配。同時高鐵也成為運營商們的新戰場，尤其是LTE的覆蓋，因為LTE的優質覆蓋滿足用戶數據業務的同時，也為已開通的VOLTE 語音業務和5G建網奠定了良好的網絡基礎。該高鐵途經內蒙古首府呼和浩特市、烏蘭察布市和河北省張家口市，線路全長286.8km，設計時速為350km/h。全線設車站5座。全線隧道長度占全線總長度比例高達62%，其中最長東土村隧道長達4560m，大尖山隧道是5404延長米，共分為4座。全線特大橋6座、大橋12座，沿線最長的賽罕塔拉大橋長達13.8km。如此復雜地形的高鐵線路，同時也給移動網絡覆蓋規劃帶來了全新挑戰，采取什么樣的覆蓋策略去規劃設計與實施全線的LTE覆蓋，將是本文研究的重點內容及方向，最終以呼和浩特市至烏蘭察布市段案例DT路測實際數據來驗證了采用以下覆蓋策略后的優質網絡效果。

1 高鐵LTE覆蓋面臨的挑戰與對抗

呼張高鐵LTE網絡覆蓋同樣面臨著所有高鐵移動網覆蓋規劃建設的三大挑戰與對抗：穿損大、頻偏大、切換頻繁。高鐵全線穿越場景復雜、列車運行速度快、車廂封閉、基站間距較小導致了三大問題：列車高穿損的問題、多普勒頻移問題、高速切換及重選的問題。對抗三大問題的方案是通過多普勒頻移補償算法解決多普勒頻移問題，通過降低基站間距和限制入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。

2 高鐵LTE網絡的業務特征

2.1 話務量突發特性

鐵路沿線一般情況是無列車經過時話務量、流量基本為零，反之當有列車經過時話務量和流量突然劇增，所以會出現忙時與閑時業務量波動較大的趨勢。

2.2 邊緣速率要求高

由于高鐵上移動用戶要比普通低速網絡用戶相對集中，所以在列車高速行駛中經過小區邊緣時，要求的邊緣速率要遠遠高于低速網絡。

2.3 業務時延要求高

高速行駛的高鐵列車，在業務時延方面提出了更高要求，無論在信道質量變化還是小區間不停地切換方面，對數據包轉發的及時性等方面都提出了更高的要求。

3 高鐵LTE網絡質量目標與容量估算規劃模型及覆蓋目標分析

由于高鐵場景的特殊性，業務質量目標要略低于普通低速移動網絡的要求。針對容量規劃估算、覆蓋目標，本文將通過模型表格來加以說明。如表1、表2所示。

3.1 業務質量目標分析

表1 業務質量目標分析對比表

3.2 容量估算模型

表2 容量估算模型表

3.3 覆蓋目標分析

指標名稱：RSRP≥-110dBm的比例≥90%；SINR≥-5dB的比例≥90%；小區邊緣速率-DL≥2.5 Mbps；小區邊緣速率-UL≥0.512 Mbps；小區平均吞吐率-DL≥25 Mbps；小區平均吞吐率-UL≥10 Mbps，取值均為參考值。

4 高鐵LTE整體組網策略及四大重點場景覆蓋策略分析

目前高鐵LTE組網方式分公網和專網覆蓋以及同頻和異頻組網兩大方案。公網覆蓋高鐵業務與低速業務是同一網絡，沒有專用頻率；專網覆蓋高鐵，專網與公網重疊覆蓋，需要專用頻率，領區關系配置及優化是重點。同頻組網是傳統的覆蓋方案，可以很好地利用公網優勢兼顧高鐵的覆蓋。異頻組網采用單獨的頻點覆蓋，使用獨立的參數配置來保證高鐵的覆蓋。各地組網方案選擇需根據當地各運營商現有移動網絡實際情況與運營商的長遠發展而定。聯通根據呼張高鐵目前周邊大網覆蓋以及VOLTE用戶普及率等情況，因大多數4G用戶的CS業務還將通過CSFB方式回落到3G網絡上去承載語音業務，所以呼張高鐵LTE組網建議采用異頻組網方案，呼張高鐵采用與公網相同的頻段（1.8GHz頻段）組網，帶寬也是20M。且根據地理區域區別，采取了不同的建設覆蓋策略，建議分成兩區域進行規劃；城區部分優先采用異頻組網，高鐵沿線圈內宏站異頻，圈外宏站同頻來加強公網頻譜利用率；郊區部分降低網絡成本的同時要更好發揮頻段優勢，采用F頻段（1840～1860MHz）覆蓋。目前3G是專網，LTE建議同樣采用專網呈線狀延伸態形式去覆蓋。個別3G沿線弱覆蓋區域采用新增補站方式去覆蓋，至此才能達到3/4G同步良好的覆蓋效果。

4.1 高鐵組網方式分析對比

4.1.1 兩種組網方式對比

網絡干擾方面：相比異頻組網，同頻組網存在干擾問題而異頻組網無需考慮此問題，同時也避免了覆蓋與容量的降低。只需考慮列車用戶的需求，話務量低，不存在和周邊用戶搶奪資源的情況。

位置更新方面：對比同頻組網，異頻組網采用獨立位置區，可大幅減少位置更新，降低因位置更新導致的尋呼失敗、接入失敗等一系列問題， 同時也避免大量高鐵用戶集中位置更新給周邊用戶帶來的沖擊。

4.1.2 網絡性能指標對比

網絡性能指標對比情況如表3所示。

表3 兩種組網方式性能指標對比表

4.2 高鐵沿線場景覆蓋策略

4.2.1 高鐵沿線場景覆蓋策略

高鐵沿線場景覆蓋策略應該從三個方面考慮，即沿線、單RRU、多RRU。高鐵沿線宏站應根據鐵路線型特點，以直視徑覆蓋為主，主要采取鏈型小區連續覆蓋的方案。

單RRU小區分裂，即eNB僅配置一個小區，單個RRU通過功分器引入兩副天線，分別覆蓋鐵路相反的兩個方向，即將一個小區分裂為兩個扇區。此方案可以借助現網宏站實施密集和一般城區的高鐵專網覆蓋。對于深度覆蓋弱的區域或盲區，除了采用現網分布式基站新增RRU拉遠覆蓋以外，小區分裂方案效果也會不錯。

多RRU共小區，目前華為設備最大可實現六個RRU合并級聯為一個小區，每個RRU 與一個雙極化的定向高增益天線相連，分別覆蓋抱桿兩側鐵路。每個抱桿可稱為一個子站，子站通過光纜連接到集中放置的BBU處（如圖1所示）。建議采用雙通道RRU進行覆蓋組網，利用MIMO提升數據業務速率，同時采用多RRU小區合并來減少小區間切換提升網絡性能。

圖1 多RRU背靠背雙向覆蓋方案圖

4.2.2 鐵路沿線場景路損模型

鐵路沿線場景路損模型（1/2）

傳播模型：鏈路預算中可以借鑒WCDMA高鐵設計經驗以及具有很廣泛適用性2G頻段的Cost231-Hata模型來做，Cost231-Hata模型的具體公式和系數取值如下：

Total=Lu-a（Hue）+Cm

其中：

Lu=46.3+33.9×1g（f）-13.82×1g（Hrs）+（44.9-6.55×1g（Hrs））×1g（d）

a（Hue）=（1.1×1g（f）-0.7）×Hue-（1.56×1g（f）-0.8）

Cm場景修正值；密集城區（3）、城區（0）、郊區（-8）、農村（-15）

鐵路沿線場景路損模型（2/2）

路徑損耗=發射功率-總損耗-熱噪聲+天線增益-期望接收電平（說明：其中總損耗包括穿透損耗、饋線損耗等。）

計算出路徑損耗后，將其代入Cost231-Hata模型公式即可得出覆蓋半徑。

4.2.3 鐵路沿線場景覆蓋半徑計算

默認站軌距為200m時，站點高度35m的1.9G覆蓋半徑/km=0.96，2.3G =0.71，2.6G=0.58；站點高度20m的1.9G覆蓋半徑/km = 0.78，2.3G=0.59，2.6G=0.48；站點高度10m的1.9G覆蓋半徑/km = 0.61，2.3G =0.47，2.6G=0.39。

4.2.4 鐵路沿線場景重疊覆蓋區

重疊覆蓋區距離的合理規劃是完成業務連續性的基礎，距離過小導致切換失敗，過大增加了站間距。高鐵列車經過兩個不同小區的重疊覆蓋區時，需要進行小區切換。覆蓋中采用多小區合并技術時，同一邏輯小區不考慮重疊覆蓋區，只在切換時考慮重疊覆蓋區。而相鄰小區需考慮充足的重疊覆蓋區來保證終端在高速中的切換時間要求。規劃小區間雙向切換時，考慮重疊覆蓋距離應為切換距離的2倍以上。切換的時延影響著重疊覆蓋區的設計，切換時延是從LTE車載設備測量到目標小區信號強度高于服務小區信號強度某個門限開始，到切換完成所需時間。切換時延由三部分組成：A3切換測量維持時間、切換執行時間、時間余量。

4.3 隧道場景覆蓋策略

由于呼張高鐵延線的復雜性，隧道居全線占比非常高，其覆蓋尤為重要，尤其是長隧道和連續短隧道的覆蓋策略更是舉足輕重。

隧道場景的特點是空間狹小封閉，存在填充效應，造成無線傳播環境相對復雜。同時高鐵隧道對設備形態和安裝條件要求非常嚴格。通常的隧道覆蓋方案包括RRU+定向天線、RRU+泄漏電纜兩種。LTE系統高鐵隧道場景建議采用RRU+泄漏電纜的覆蓋方案，切換區域控制在隧道內或隧道外，避免在隧道口切換。

4.3.1 短隧道場景覆蓋策略

建議隧道出口的基站和隧道內組成一個共小區，如圖2所示。

圖2 短隧道基站覆蓋圖

4.3.2 中等隧道場景覆蓋策略

隧道長度在一個RRU共小區覆蓋長度以內，則小區間切換需在兩個隧道口外完成，隧道口外墻安裝板狀天線進行覆蓋，如圖3所示。

圖3 中等隧道基站覆蓋圖

4.3.3 長隧道場景覆蓋策略

隧道長度大于一個RRU共小區覆蓋長度，則需要多個RRU共小區在隧道內進行覆蓋，當前一個BBU下僅支持一個RRU共小區，如圖4所示。

圖4 長隧道基站覆蓋圖

4.3.4 連續短隧道場景覆蓋策略

若隧道間距較小，建議采用泄露電纜覆蓋隧道間空隙段；若連續隧道間距較大，則采用隧道口安裝天線進行覆蓋，如圖5所示。

圖5 連續隧道基站覆蓋圖

4.3.5 隧道場景漏纜選型

隧道的無線通信環境特點為環境封閉，除了隧道口，外面的信號很難傳入，對內部覆蓋影響小；隧道內的覆蓋規劃需要重點考慮切換帶的設置，避免因切換帶設置不合理導致掉話。

下行隧道場景RSRP分別以-100dBm和-110dBm為目標進行鏈路估算，方法如下：

Plmax= P RRU-（L pol+P des +L 1 +L 2 +L 3 +L 4）

·P RRU：RRU的輸出功率

·L pol：POl系統的插損，一般設計要求POl插損小于6dB，此處取5dB

·P des：接收端的覆蓋電平要求，此處為-100dBm或-110dBm

·L 1：泄露電纜95% 2m處的耦合損耗

·L 2：人體損耗，LTE主要為數據業務，暫不考慮人體損耗，默認取0dB

·L 3：寬度因子，L 3 =10lg（d/2），d為移動臺距離漏纜的距離，默認4m

·L 4：車體損耗，同鏈狀覆蓋場景，1.8G頻段24dB

4.4 車站場景覆蓋策略

車站場景的覆蓋主要采用室內分布系統進行覆蓋，但在覆蓋策略上要求相對更加合理地去規劃設計與實施。

4.4.1 大型車站場景覆蓋策略

覆蓋涉及車站的RRU共小區覆蓋長度控制在3km左右，避免大量非高鐵用戶的滲透導致整體KPI指標下降。車站作為用戶從公網到專網的出入口，對移動性管理要求較高，其中過渡區需要建立雙向鄰區關系，其他情況只需要單向鄰區關系即可。對于大型車站，一般建議車站站臺及候車室建設室內分布小區。專網小區（站臺）與公網小區（站前廣場）之間在火車站須建立切換關系。為控制公網與專網小區之間的切換，需建立過渡切換小區（火車站）。過渡小區（火車站）通過在火車站建立室內分布系統實現。

4.4.2 小型車站場景覆蓋策略

小型車站無法建設室分系統，站臺規模較小，站臺區與候車區處于同一平層，車輛停車時間在3分鐘以內。站臺主要依靠高鐵專網小區覆蓋。小型站臺避免出現在RRU共小區的邊緣，導致后期優化困難。入口小區選擇站臺上的主導覆蓋公網小區，為避免大量非高鐵用戶進入高鐵專網，入口小區只能選擇1個。

4.5 橋梁場景覆蓋策略

根據呼張高鐵特大橋（賽罕塔拉大橋13.8km）的覆蓋需求，對于特殊場景橋梁的覆蓋項目規劃與實施是一個全新的挑戰。采用橋上架設天線難度較大，需按照橋梁長度和現場環境合理選擇覆蓋方案。具體覆蓋大策略是：短距離橋梁采用宏站+RRU拉遠，長距離橋梁采用宏站+RRU拉遠和分布式+RRU級聯方式進行線性覆蓋。對于橋梁長度不足站距一半的場景，建議選擇一端橋頭建站。如若橋梁長度與站距相當的場景，建議選擇兩端橋頭建站。對于特大橋無法設站的，可以合理利用橋體電桿架空安裝RRU或泄露電纜解決。

4.6 站點布局建議

4.6.1 交錯站點布局

對于沿線的直線部分可以采用最佳效果的“之”字型站點布局方案（如圖6），高鐵站點的選擇應盡量交錯分布于鐵路兩側，以助于改善切換區域，并利于車廂內兩側用戶接收信號質量相對均勻。

圖6 線狀“之”字型交錯站點覆蓋示意圖

4.6.2 拐角站點布局

拐角站點規劃中，如果場景是郊區，拐角區域應選擇拐角內進行站點規劃，有助于減小基站覆蓋方向和軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響，如果場景是城區，可選在拐角外側進行站點規劃。

4.6.3 站點與軌道距離

運營商不同，站點與軌道之間的規劃距離也不同，首先考慮在鐵路運營部門紅線區域以外規劃建站。入射角度制約著穿透損耗，避免“塔下黑”情況，減少多普勒效應等因素，要求必須合理規劃基站距軌道之間的距離。站點與軌道距離必須大于鐵塔高度。綜上所述，站點與軌道距離最好控制在100～500m范圍內。

4.6.4 入射角選擇

不同車型，入射角也會產生不同的穿透損耗。當信號進入車廂，垂直入射時的穿透損耗最小，反之入射角越小，穿透損耗越大。因此，基站垂直與鐵路距離越近時，覆蓋區域的邊緣信號進入車廂的入射角越小，穿透損耗就越大。實際測試表明，當入射角小于10°以后，穿透損耗增加的斜率變大，呈現快速上升態。只有控制好入射角，才能更好地滿足軌道覆蓋目標要求。圖7是入射角度與列車穿透損耗對應圖。

圖7 入射角及列車穿透損耗對應圖

4.6.5 高鐵站間距計算與規劃原則

高鐵站間距計算：高鐵站間距規劃各運營商都不同，中國聯通也根據不同場景出臺設置了本企業的原則。依據前面的最大穿透損耗車型和鏈路預算方法以及傳播模型的測算，可以計算出滿足RSRP>-110dBm情況下的覆蓋半徑。再按切換時延計算出重疊覆蓋距高。根據勾股定理可知，高鐵的相鄰站點之間的距離計算公式應為圖8所示。

圖8 站間距計算公式圖

高鐵站間距規劃原則：高鐵站間距規劃更具復雜性，從車體穿透損耗方面應以高穿損車型為參考模型，其中CRH380B、CRH5等車型的穿透損耗都在22～29dB范圍內，而列車時速方面應按250～350km/小時范圍內考慮，因為時速對多普勒效應和切換成功率兩個方面影響極大。對于密集城區場景與郊區場景需要分開考慮站點間距的規劃。

5 呼張高鐵覆蓋實際測試情況分析

呼張高鐵在內蒙古境內是211.3km，按照上述LTE規劃策略進行了專網物理站點覆蓋、平均站間距為1.5km左右、站點與軌道距離平均為200m左右等規劃實施后，以呼和浩特東至烏蘭察布段（簡稱呼烏段）126km的DT實測數據為例，其中大小車站共3座，各種隧道19座，各種橋梁74座。呼烏段高鐵LTE網絡覆蓋、路測及指標情況如圖9所示。從整體實測數據指標分析來看，RSRP指標≥-100dBM，同時SINR≥-3dB的達標率為97.13%，上/下行平均吞吐率為23.8 Mbps/40.06 Mbps。

圖9 呼張（呼烏段）高鐵LTE網絡覆蓋及DT路測圖

6 結語

通過呼張高鐵（呼烏段）的實測情況，無論連接還是切換成功率方面，整體性能都能達標，也反映出只要合理規劃，根據具體實際情況采用正確的覆蓋策略去應對，最終是可以在達到良好覆蓋的同時滿足用戶體驗感知的，這也是本論文研究的核心目標，希望能給其他高鐵LTE網絡覆蓋規劃帶去實用的借鑒價值。