如何構(gòu)建高鐵場(chǎng)景下最佳TD-LTE組網(wǎng)方案

中國(guó)移動(dòng)設(shè)計(jì)院黑龍江分公司 | 王世魁 杜蔚

如何構(gòu)建高鐵場(chǎng)景下最佳TD-LTE組網(wǎng)方案

中國(guó)移動(dòng)設(shè)計(jì)院黑龍江分公司 | 王世魁 杜蔚

對(duì)于國(guó)內(nèi)高鐵沿線的通信網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，各省運(yùn)營(yíng)商結(jié)合各地的實(shí)際情況，以專網(wǎng)建設(shè)居多，充分滿足高鐵用戶需求，部分采用公網(wǎng)覆蓋，但筆者認(rèn)為不宜一概而論，在高鐵出入的城區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)、在城外的廣大農(nóng)田或農(nóng)村采用專網(wǎng)組網(wǎng)。

隨著現(xiàn)代社會(huì)各個(gè)領(lǐng)域的快速發(fā)展，全國(guó)各地高鐵線路應(yīng)運(yùn)而生，作為當(dāng)今鐵路技術(shù)的最高水平以及國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要載體之一，高鐵主要面向中高端受眾群體，另一方面，中國(guó)移動(dòng)欲打造一張TDLTE精品網(wǎng)絡(luò)以實(shí)現(xiàn)占領(lǐng)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新高地，而高鐵覆蓋是張形象牌，既能體現(xiàn)4G所有的技術(shù)解決方案，又能贏得大量有價(jià)值客戶。

根據(jù)高鐵設(shè)計(jì)規(guī)范定義時(shí)速達(dá)到250km/h以上的列車稱為高鐵，目前國(guó)內(nèi)高鐵線路長(zhǎng)約2.95萬公里，時(shí)速最高可達(dá)400km/h，其中在建鐵路沿線占很大一部分，在高鐵尚未開通前進(jìn)行LTE覆蓋利于占有高鐵高端市場(chǎng)，同時(shí)在高鐵建設(shè)經(jīng)驗(yàn)還不夠豐富的情況下，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度和高鐵關(guān)鍵技術(shù)還需在前期規(guī)劃充分考慮和深入研究。為滿足高鐵客戶的體驗(yàn)需求，省內(nèi)已建成的高鐵線以及在建的高鐵線均計(jì)劃實(shí)現(xiàn)TD-LTE全程覆蓋，同時(shí)在LTE語(yǔ)音業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)方式過渡時(shí)期，初期建設(shè)考慮采用CSFB方式，鐵路沿線對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行補(bǔ)點(diǎn)或新建。

高鐵覆蓋的特性

高鐵快速移動(dòng)的特點(diǎn)，給高鐵覆蓋帶來諸多與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不同的特性，這些特性給設(shè)備技術(shù)實(shí)現(xiàn)及規(guī)劃方案提出了新的難題，需要提供合理有效的解決方案。

多普勒頻偏

高鐵的快速移動(dòng)會(huì)產(chǎn)生多普勒效應(yīng)，即信號(hào)源與觀察者相對(duì)移動(dòng)時(shí)，觀察者接收到的信號(hào)頻率與信號(hào)源發(fā)出的頻率不一致，例如生活中的切身體會(huì)，當(dāng)遠(yuǎn)方快速駛來的火車的汽笛聲會(huì)變得尖銳，即頻率變大；當(dāng)火車快速駛離時(shí)，汽笛聲會(huì)變得低沉，即頻率變小。列車的高速行駛導(dǎo)致手機(jī)終端下行接收及上行發(fā)射時(shí)頻率發(fā)生偏移，降低接收機(jī)的解調(diào)性能。

圖1 小區(qū)切換帶來的網(wǎng)絡(luò)性能變化

圖2 頻偏校正基本模型

車型 F頻段穿損 D頻段穿損CRH1/3/5 28dB 30dB CRH2 24dB 26dB CRH380 26dB 28dB

頻偏大小與列車速度成正比，高鐵較之普通列車速度成倍增長(zhǎng)，頻偏對(duì)性能的影響不可忽視，高鐵沿線一定距離建設(shè)LTE基站，終端與其服務(wù)基站之間距離頻繁增大減小，頻偏非常嚴(yán)重；頻偏大小與發(fā)射頻率成正比，LTE使用的頻率越大，產(chǎn)生的頻偏就越大，目前分配給中國(guó)移動(dòng)用于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的頻段為band38、band39、band40，適合用于室外宏基站的為band38、band39（2600M、1900M）,高頻段導(dǎo)致頻偏嚴(yán)重，所以盡可能選取低頻段組網(wǎng)；頻偏大小與入射角成反比，頻偏隨列車駛向基站時(shí)入射角的變大而變小，基站垂直列車方向時(shí)頻偏最小；基站解調(diào)上行信號(hào)時(shí)，頻偏是終端解調(diào)下行信號(hào)時(shí)的兩倍，這樣對(duì)基站提出了更高的解調(diào)性能。

高車體功率損耗

不同的入射角對(duì)應(yīng)的穿透損耗不同，當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)的穿透損耗最小。當(dāng)基站的垂直位置距離鐵道較近時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣信號(hào)進(jìn)入車廂的入射角小，穿透損耗大。實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)入射角小于10度以后，穿透損耗增加的斜率變大。

通過試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到不同的高鐵列車車型的穿損也不盡相同，同時(shí)D頻段普遍要比F頻段穿損要大，具體數(shù)據(jù)參照下表。

小區(qū)切換頻繁

高鐵列車高速移動(dòng)，在短時(shí)間內(nèi)會(huì)穿過多個(gè)小區(qū)，相比較而言，若采用傳統(tǒng)的小區(qū)設(shè)置會(huì)頻繁發(fā)生小區(qū)選擇/重選，頻繁的小區(qū)切換將嚴(yán)重降低網(wǎng)絡(luò)性能，測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示，在小區(qū)的邊界處出現(xiàn)明顯的波谷。

比較慢速列車或者普通場(chǎng)景，快速移動(dòng)的終端在小區(qū)駐留時(shí)間內(nèi)無法完成小區(qū)選擇，另外，在相同的重選時(shí)延及切換時(shí)延條件下，終端的移動(dòng)速度越大將設(shè)置越長(zhǎng)的重疊覆蓋區(qū)，當(dāng)頻繁切換發(fā)生在用戶啟用呼叫流程（主叫/被叫）或者發(fā)起數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)請(qǐng)求時(shí)，信令流程時(shí)延會(huì)比普通場(chǎng)景大很多，影響用戶感知。

高鐵覆蓋建設(shè)方案

頻偏校正

高速移動(dòng)導(dǎo)致頻偏，對(duì)接收機(jī)性能的嚴(yán)重影響使得頻偏校正是高鐵覆蓋需要解決的首要問題，eNodeB根據(jù)接收的上行信號(hào)頻率進(jìn)行頻偏估計(jì)，然后在基帶處理單元對(duì)頻偏信號(hào)進(jìn)行頻率校正，提高上行信號(hào)解調(diào)性能，頻偏校正的基本模型如圖2所示。

不同設(shè)備廠家對(duì)頻率估計(jì)及頻率校正有獨(dú)立的頻偏算法，從國(guó)內(nèi)目前的應(yīng)用上看，主流設(shè)備廠家均能滿足時(shí)速大于350km/h以上的校正要求。

小區(qū)合并技術(shù)

由于高鐵列車的穿透損耗大，為滿足覆蓋設(shè)計(jì)目標(biāo)單RRU覆蓋范圍不會(huì)太大，高鐵多為開闊地，遮擋與干擾較少，根據(jù)取定的傳播模型以及車體損耗，按照最小接收RSRP值為-113dBm要求，F(xiàn)頻段合理的小區(qū)覆蓋半徑約600米，D頻段合理的小區(qū)覆蓋半徑約350米。列車高速移動(dòng)將在短時(shí)間內(nèi)穿越多個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)間切換，假設(shè)列車以300km/h運(yùn)行，則列車每10秒左右將進(jìn)行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡(luò)的性能，針對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景引入多RRU小區(qū)合并技術(shù)，不同RRU采用相同的頻率及參數(shù)設(shè)置，在邏輯上設(shè)置為同一小區(qū)，針對(duì)不同廠家的設(shè)備能力合并的小區(qū)數(shù)有所差異，如圖3、4所示，以三個(gè)物理小區(qū)合并為一個(gè)大的邏輯小區(qū)前后為例，合并后的小區(qū)內(nèi)不發(fā)生小區(qū)切換，小區(qū)容量和覆蓋區(qū)域均為原小區(qū)的三倍，就某一固定位置而言，小區(qū)提供的接入能力未發(fā)生變化。

合理重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小會(huì)導(dǎo)致切換失敗，過大則會(huì)增加站間距，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設(shè)計(jì)重疊覆蓋區(qū)域。

由于合并后小區(qū)內(nèi)部不切換，所以不必設(shè)置重疊覆蓋區(qū)，小區(qū)間切換考慮切換遲滯時(shí)間、測(cè)量時(shí)間、執(zhí)行時(shí)間三個(gè)參數(shù)，按遲滯時(shí)間取信號(hào)強(qiáng)度下降1～2dB所需時(shí)間、測(cè)量時(shí)間128ms、執(zhí)行時(shí)間100ms計(jì)

高鐵場(chǎng)景下，考慮一定的預(yù)留，合理重疊覆蓋距離取定為200米，即F頻段小區(qū)間站間距500米，D頻段小區(qū)間站間距1000米，小區(qū)內(nèi)分別為700米和1200米。

組網(wǎng)方式選擇

針對(duì)公鐵路沿線覆蓋目前存在公網(wǎng)覆蓋和專網(wǎng)覆蓋兩種方式，公網(wǎng)覆蓋即普通的大網(wǎng)覆蓋，公網(wǎng)基站不僅僅為周圍鐵路沿線區(qū)域提供服務(wù)，而專網(wǎng)專為高鐵服務(wù)，不吸收周邊的業(yè)務(wù)，兩者的區(qū)別對(duì)比參見表2。

專網(wǎng)小區(qū)只配專網(wǎng)下的鏈型鄰區(qū)，不配置公網(wǎng)鄰區(qū)，公網(wǎng)小區(qū)也不配置專網(wǎng)鄰區(qū)，由于高鐵專網(wǎng)小區(qū)和周邊公網(wǎng)小區(qū)間無相互鄰區(qū)關(guān)系，因此，一般情況下，高鐵專網(wǎng)下的用戶進(jìn)不了公網(wǎng)，公網(wǎng)下的用戶也進(jìn)不了專網(wǎng)。

對(duì)于高鐵專網(wǎng)覆蓋，在車站室分系統(tǒng)或站臺(tái)小區(qū)配置公網(wǎng)和專網(wǎng)相互鄰區(qū)關(guān)系，以讓高鐵用戶從公網(wǎng)進(jìn)入專網(wǎng)或從專網(wǎng)進(jìn)入公網(wǎng)；在位置空曠、公網(wǎng)用戶少的區(qū)域配置開口小區(qū)，即只有公網(wǎng)到專網(wǎng)的單向鄰區(qū)關(guān)系，公網(wǎng)的用戶可以切到專網(wǎng)，但專網(wǎng)切換不到公網(wǎng)。

目前國(guó)內(nèi)高鐵建設(shè)各省運(yùn)營(yíng)商從不同角度考量以專網(wǎng)建設(shè)居多，充分滿足高鐵用戶需求，部分采用公網(wǎng)覆蓋，但筆者認(rèn)為不宜一概而論，在高鐵出入的城區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)、在城外的廣大農(nóng)田或農(nóng)村采用專網(wǎng)組網(wǎng)。城區(qū)業(yè)務(wù)需求量大，公網(wǎng)將占用所有可用的頻段資源，高鐵難以實(shí)現(xiàn)異頻組網(wǎng)，而同頻組網(wǎng)必然存在較大的同頻干擾，這將是影響網(wǎng)絡(luò)性能的最大因素，同時(shí)市區(qū)專網(wǎng)對(duì)于新建選址也提出一定難度；農(nóng)村業(yè)務(wù)需求量較低，容易實(shí)現(xiàn)異頻組網(wǎng)，再者農(nóng)村公網(wǎng)基站以廣覆蓋、低業(yè)務(wù)為主，對(duì)于高鐵場(chǎng)景的瞬時(shí)高業(yè)務(wù)需求恐難以滿足，在高鐵沿線建設(shè)專網(wǎng)是合理的選擇。

天線及頻段的選擇

高鐵覆蓋為帶狀狹長(zhǎng)區(qū)域，智能天線無法發(fā)揮特性。天線選擇應(yīng)考慮高增益、窄波束的雙通道雙極化天線，水平波束寬度為30～40度，增益不低于20dB，同時(shí)為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問題，站點(diǎn)離鐵路垂直距離建議在100～200m，天線掛高應(yīng)考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10～15m以上，保證天線與軌面視通，按照高鐵站高25m，考慮上3dB對(duì)準(zhǔn)邊緣，相應(yīng)的下傾角為5度左右為最佳，后期根據(jù)實(shí)際網(wǎng)絡(luò)情況進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。

考慮F頻段覆蓋能力優(yōu)于D頻段，可降低站址數(shù)量，優(yōu)先采用F頻段部署，市區(qū)采用公網(wǎng)組網(wǎng)，依據(jù)市區(qū)建設(shè)的整體策略選用合適頻段，盡可能選擇F頻段，農(nóng)村采用F頻段專網(wǎng)組網(wǎng)，車站組網(wǎng)選用E頻段場(chǎng)景，隧道采用泄漏電纜或室內(nèi)分布系統(tǒng)方式覆蓋，使用F頻段組網(wǎng)。

站址規(guī)劃

理論上鐵路兩側(cè)站址規(guī)劃以“之”字形排開，即交錯(cuò)部署在鐵路兩側(cè)為最佳，如圖6所示。

但實(shí)際情況往往比較復(fù)雜，為實(shí)現(xiàn)多站點(diǎn)間的小區(qū)合并，需要合并后小區(qū)內(nèi)的站點(diǎn)間布防光纜互通數(shù)據(jù)配置，交錯(cuò)部署站點(diǎn)會(huì)出現(xiàn)多次穿越鐵路施工情況，即便是多小區(qū)統(tǒng)一從鐵路某處互通，距離也不宜太遠(yuǎn)，小區(qū)間的級(jí)聯(lián)距離各廠家指標(biāo)不同且盡量不超過10公里，反復(fù)穿鐵路將造成建設(shè)成本的急劇增加和施工難度加大，很可能出現(xiàn)由于鐵路原因部分點(diǎn)無法打通，基于此，筆者建議采用一個(gè)邏輯小區(qū)站點(diǎn)選在鐵路同側(cè)，同時(shí)邏輯小區(qū)間采用交錯(cuò)部署，結(jié)合實(shí)際建設(shè)情況證明此方案具有實(shí)用性，方案落地較容易。

圖3 多RRU小區(qū)合并前（普通方式）

圖4 多RRU小區(qū)合并后

圖5 公網(wǎng)小區(qū)與專網(wǎng)小區(qū)的對(duì)比

表2 高鐵組網(wǎng)方式性能對(duì)比