（2021 年江蘇省通信學會“華蘇杯”論文征集二等獎）淺談LTE 高鐵頻率預糾偏提升用戶感知

彭月朋

中郵建技術有限公司

0 引言

高鐵高端用戶比例高、業務需求量大，全國高鐵加速進入高速模式，高端商旅用戶業務需求也趨于多樣化，高鐵用戶感知會極大影響運營商品牌美譽度。隨著網絡建設的逐步完善，優化措施的逐步落地，以及用戶規模的發展等，加之高鐵自身的特點，高鐵用戶感知的進一步提升遇到了瓶頸。多小區合并（SFN）后SFN 內扇區間的對打疊加覆蓋區域，會帶來嚴重的頻率偏移，影響終端解調性能而導致下行SINR 質量下降，最大降幅超10%；由于高鐵非專網組網，仍會出現高速小區向低速小區發生切換的情況，造成不必要的RRC 重建。

1 問題概述

當前，高鐵用戶感知進一步提升遇到了瓶頸，主要有以下幾個難題：

（1）多小區合并（SFN），緩解了頻繁切換問題，但SFN 內對打小區存在頻率偏移，導致終端解調能力下降，進而影響下行解碼及SINR 質量，最大降幅超10%。頻率偏移原理如圖1 所示。

圖1 頻偏原理

（2）高鐵公網組網下，無線網絡結構復雜，受到周邊低速小區的干擾程度大，容易從高鐵的高速小區切換到公網的低速小區，導致切換過晚引起掉線。

（3）高鐵高速小區RRC 重建比指標明顯差于大網低速小區，傳統的射頻、參數優化等提升有限。

2 解決策略

基于當前的瓶頸及存在的問題，通過“頻率預糾偏”及“同頻重定向”兩大特性解決SFN 內對打小區引入頻率偏移導致解調能力下降的問題，以及高速用戶誤切到低速小區帶來的RRC 重建及掉線問題，改善RRC 重建比，并提高頻譜效率。

2.1 頻率預糾偏整體方案

在高鐵場景下，由于高速移動，單小區覆蓋距離小，導致切換頻繁。通過多小區合并，減少切換頻度。在低速場景下，由于多小區合并，不僅減少切換，同時由于小區合并，減少了鄰區的干擾信號，使得SINR 有所提升；但在高速移動場景下，用戶移動到兩個RRU 對打的區域時，用戶接收到兩個RRU 發射的信號存在一正一負的頻偏，用戶無法合并兩個信號，導致SINR 無提升，降低小區合并的性能提升。

通過下行預糾偏功能，eNB 通過檢測高鐵用戶的上行信號強度，主動識別高鐵到達的區域，判定出高鐵經過的區域是否為對打區域（存在正負頻偏的區域）；當算法認為高鐵經過區域存在正負頻偏的影響時，將會啟動糾偏。通過實時檢測用戶的頻偏，折算到下行的頻偏并進行下行的頻偏補償，從而使得在對打區域，用戶接收到的信號頻偏一致，減少干擾，提升SINR。

2.2 同頻定向切換方案

在實際網絡中，高鐵的運行軌跡都是固定的，對于建成后的高鐵網絡，高鐵用戶經過的小區順序都是統一的，對于某個高速小區而言，大部分場景下，高鐵用戶切換前后僅有一個目標小區，這種公網中的部分小區鏈行組網稱為軟串聯或邏輯串聯，前后的高鐵小區與當前小區稱為軟串聯小區。

由于高鐵與大網共用頻段，所以高鐵用戶有很高概率切換入公網低速越區小區。為規避這種現網，通過對高速小區設置串聯標示，為高速小區設置不同的CIO 及觸發時間遲滯，使高鐵用戶盡可能優先切換到高速小區，保證更好的用戶體驗。

2.2.1 組網與規劃

在開啟同頻定向切換的場景，要求高鐵運行線路與周邊區域的相鄰小區間互配鄰區，并配置軟串聯鄰區，以及專用小區偏置，這樣可以通過本特性的同頻定向切換算法，優先將高鐵用戶切換到高速小區鄰區。

（1）串聯鄰區

在高鐵運行路線上，當前小區的下一個小區或上一個小區為串聯鄰區，需要在鄰區關系配置中標識，用于同頻定向切換功能的參數調整。

（2）多普勒系數

多普勒效應計算如圖2 所示。用戶接入過程中，eNodeB 通過多普勒效應維護用戶的速度屬性，基站能檢測到的多普勒效應程度是多普勒效應的實際量在信號上的分量，為圖2 中θ角度的余弦值與多普勒效應的實際量的乘積，而θ 角與小區的覆蓋距離（Z）與站軌距（Y）相關，如果站軌距較大時，需要在eNodeB 配置多普勒系數，以免用戶速度屬性識別受到影響。

圖2 多普勒效應計算示意圖

其中：fd：多普勒系數；f：載波頻率；v：移動臺運動速度；c：電磁波傳播速度，為3×108米/秒；θ：移動臺移動方向和入射波方向的夾角。

2.2.2 方案及設置

高速小區間CIO 配置為2dB，A3 上報觸發時間遲滯改為64ms，盡可能保證高速用戶切換到高速小區。高速小區間形成串聯標示。

3 效果驗證

3.1 預糾偏驗證

3.1.1 特性開通觀測

預糾偏開通后，指標“小區扇區設備的下行預糾偏執行次數”生效，在高鐵經過時間段執行預糾偏后，會產生指標打點，說明高速用戶頻率糾偏識別成功。小區扇區設備的下行預糾偏執行次數如圖3 所示。

圖3 小區扇區設備的下行預糾偏執行次數

3.1.2 糾偏驗證增益

預糾偏打開后，下行SINR 平均提升1.1 dB，MCS 提升0.7階，頻譜效率提升0.11，下行吞吐率在拉齊RB 和調度次數后，提升約3 Mbps。預糾偏前后指標增益如表1 所示。

表1 預糾偏前后指標增益

從RSRP 對比曲線分析，在相同RSRP 點上，預糾偏打開后的指標優于預糾偏關閉時。對比情況如圖4-圖7 所示。

圖4 RSRP、SINR 對比圖

圖7 RSRP、下行吞吐率對比圖

對打區域在預糾偏生效后，終端接收到的兩路信號間頻偏差值變小，解調性能增加，SINR 有所提升。

對打區域在預糾偏生效后，終端接收到的兩路信號間頻偏差值變小，解調性能增加，頻譜效率提高，下行吞吐率有所提升。

因此，在多小區合并組網下，可減少切換，提升性能。同時配合下行預糾偏使用，可提升下行SINR、路測吞吐率等指標。

3.2 定向切換驗證

改造前后同期對比分析，改造前（4 小區SFN+特性關閉）與改造后（4小區SFN+特性開通）重建比指標有0.32%的下降。定向切換開通前后RRC 重建比例對比情況如圖8 所示。

圖8 定向切換開通前后RRC 重建比例對比

由此可以看出，在進行4 小區SFN 合并及開通同頻定向切換后，重建比指標有所提升，從3.66%下降到3.34%。

4 結束語

圖5 RSRP、MCS 對比圖

圖6 RSRP、頻譜效率對比圖

通過高鐵預糾偏及同頻定向切換，終端側智能識別高鐵到達，并進行頻偏補償，提升用戶感知；通過SFN 組網減少切換、采用同頻定向切換避免高鐵用戶切換至低速小區，提升網絡重建等指標。下行SINR 改善10%（約1.2dB），DL MCS 提升0.7階，頻譜效率提升10%，提升效果顯著。通過頻偏補償，高鐵小區同頻的定向切換，有效提升高鐵用戶SINR，降低RRC 重建比例，實現網絡質量及用戶感知的再提升。