高速鐵路TD—LTE網絡覆蓋方案研究

楊一帆

針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋展開研究，首先分析在高鐵部署TD-LTE網絡所面臨的問題，然后通過鏈路預算得出在不同服務等級下的建議站間距，最后通過仿真論證覆蓋方案的科學性。事實證明，該方案能有效指導高鐵TD-LTE網絡的規劃與建設。

高鐵覆蓋 TD-LTE 鏈路預算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

經過10多年的高速鐵路建設，我國目前已經擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網，總里程達到10 463公里，“四縱”干線基本成型，運營里程約占世界高鐵運營里程的45%，穩居世界高鐵里程榜首。

伴隨著高鐵的建設，我國通信運營商也積累了較為豐富的高鐵無線網絡建設經驗，在武廣、廣深港等運營鐵路上已有成熟的2G/3G覆蓋運營實例。然而目前方案僅限于2G/3G的應用，仍然存在帶寬不足的問題，未能滿足用戶對高速數據業務的需求。TD-LTE網絡的商用為數據業務的承載提供了一個更寬闊的平臺，高鐵沿線部署TD-LTE網絡將是下一步高鐵無線網建設的必然趨勢。

由表1可見，隨著車速的不斷提高，最大頻偏值越來越大，多普勒頻移的影響也越來越明顯。多普勒頻移的最大影響是造成接收機解調性能的下降，直接影響到小區選擇、小區重選和切換等性能。

對于TD-LTE頻段，由于多普勒頻移較大，一般設備廠商都會有相應的頻偏校正技術。目前業內各廠家TD-LTE設備均支持頻偏校正技術，容忍能力為1 400—2 000Hz，能夠滿足高速鐵路場景下的多普勒頻偏校正需求。而鑒于D頻段頻偏范圍更大，建議采用F頻段進行高速鐵路覆蓋，以降低多普勒頻移對接收機的影響。

2.2 切換影響分析

在高鐵場景下，由于列車運行速度非常快，用戶將快速地從一個小區進入到另一個小區，從而造成頻繁切換，這樣一方面會給網絡資源帶來很大的壓力，另一方面為保證高速運行下的切換成功率帶來了很大難度。

針對頻繁切換的問題，目前主流做法是采用光纖拉遠組網和小區合并技術，將相鄰若干個子小區合并成一個小區，這樣同小區內將不存在切換，從而在整個路段減少切換次數，同時也降低了切換失敗的可能性。

為保證移動終端的切換和通話質量，相鄰小區需要有一定的信號重疊覆蓋區。列車在高速運行情況下，需設計足夠的重疊覆蓋區長度，以確保移動終端有足夠的時間完成切換。切換重疊覆蓋區長度由切換時間和列車運行速度決定。從試驗網的測試來看，TD-LTE系統的切換時延在200ms以內、切換帶的距離控制在100m以內即可，按照現有鐵路覆蓋的重疊接入方式，需保留1個發射點進行雙路饋入。

2.3 車體損耗分析

高速鐵路運行的車輛一般為CRH車型，該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4種。廣東境內鐵路目前行駛的CRH多為CRH1、CRH2和CRH3型列車。

CRH列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。在規劃設計時，為保證有足夠的冗余度，應選取車體損耗最大的CRH1車型（龐巴迪列車）進行考慮，即車體損耗取24dB。

根據中國移動對TD-LTE邊緣速率的規定，TD-LTE網絡需保障為小區邊緣用戶提供最小上行500kbps、下行1Mbps的傳輸速率。根據上述的上下行鏈路預算可以得出，高鐵沿線隧道外TD-LTE基站覆蓋半徑在F頻段組網時應取731m、D頻段組網時應取552m，考慮兩發射點間應有100～150m的信號重疊區，故建議TD-LTE系統隧道外的發射點間距在F頻段組網時應取1 000～1 300m、D頻段組網時應取800～900m。

3.2 隧道內鏈路預算

假定TD-LTE網絡在隧道內仍能提供與隧道外同樣的邊緣服務等級，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外鏈路預算結果可知，TD-LTE網絡應為上行業務受限，故隧道內鏈路預算只需滿足上行512kbps業務即可。

結合隧道外鏈路預算結果，TD-LTE隧道內鏈路預算各參數取值如下：

（1）eUE EIRP為23dBm；

（2）eNodeB接收靈敏度為104.5dBm；

（3）陰影衰落余量為5.9dB；

（4）在2 600MHz頻段2m距離的耦合損耗和主干損耗為70dB；

（5）寬度因子取定為20lg8/2=12dB；

（6）車體損耗取定為10dB（泄漏電纜掛高在與車窗平齊的位置，穿透損耗主要考慮穿透玻璃的情況）；

（7）瑞利衰落余量取定為7dB；

（8）POI插損取定為5.5dB；

（9）功分器插損取定為3dB。

根據以上參數取定進行鏈路預算，得出高鐵沿線隧道中允許的泄漏電纜最大長度建議值如下：

（1）TD-LTE系統（F頻段）：370m；

（2）TD-LTE系統（D頻段）：230m。

3.3 系統仿真

對國內某條高速鐵路的建設方案進行仿真驗證，該鐵路采取專網覆蓋建設，覆蓋發射點間距為500m，天線距鐵軌距離為100m左右。對應以上的鏈路預算結果，此建設方案能滿足TD-LTE的覆蓋需求，并提供邊緣速率上行500kbps、下行1Mbps的服務。

對此專網方案進行TD-LTE網絡覆蓋情況仿真，其結果如圖1所示：

4 結束語

本文主要針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋進行研究，通過鏈路預算提出高速鐵路部署TD-LTE網絡時所需的站間距要求，并通過系統仿真，獲得在此站間距范圍內的鐵路沿線RSRP、服務等級及吞吐量等規劃數據，從而論證站間距建議的正確性。實踐證明，本文提出的站間距要求以及仿真結果對高速鐵路的TD-LTE網絡規劃建設具有指導意義。

參考文獻：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移動通信系統高速鐵路場景共存研究[J]. 廣東通信技術， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網絡規劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.endprint

針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋展開研究，首先分析在高鐵部署TD-LTE網絡所面臨的問題，然后通過鏈路預算得出在不同服務等級下的建議站間距，最后通過仿真論證覆蓋方案的科學性。事實證明，該方案能有效指導高鐵TD-LTE網絡的規劃與建設。

高鐵覆蓋 TD-LTE 鏈路預算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

經過10多年的高速鐵路建設，我國目前已經擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網，總里程達到10 463公里，“四縱”干線基本成型，運營里程約占世界高鐵運營里程的45%，穩居世界高鐵里程榜首。

伴隨著高鐵的建設，我國通信運營商也積累了較為豐富的高鐵無線網絡建設經驗，在武廣、廣深港等運營鐵路上已有成熟的2G/3G覆蓋運營實例。然而目前方案僅限于2G/3G的應用，仍然存在帶寬不足的問題，未能滿足用戶對高速數據業務的需求。TD-LTE網絡的商用為數據業務的承載提供了一個更寬闊的平臺，高鐵沿線部署TD-LTE網絡將是下一步高鐵無線網建設的必然趨勢。

由表1可見，隨著車速的不斷提高，最大頻偏值越來越大，多普勒頻移的影響也越來越明顯。多普勒頻移的最大影響是造成接收機解調性能的下降，直接影響到小區選擇、小區重選和切換等性能。

對于TD-LTE頻段，由于多普勒頻移較大，一般設備廠商都會有相應的頻偏校正技術。目前業內各廠家TD-LTE設備均支持頻偏校正技術，容忍能力為1 400—2 000Hz，能夠滿足高速鐵路場景下的多普勒頻偏校正需求。而鑒于D頻段頻偏范圍更大，建議采用F頻段進行高速鐵路覆蓋，以降低多普勒頻移對接收機的影響。

2.2 切換影響分析

在高鐵場景下，由于列車運行速度非常快，用戶將快速地從一個小區進入到另一個小區，從而造成頻繁切換，這樣一方面會給網絡資源帶來很大的壓力，另一方面為保證高速運行下的切換成功率帶來了很大難度。

針對頻繁切換的問題，目前主流做法是采用光纖拉遠組網和小區合并技術，將相鄰若干個子小區合并成一個小區，這樣同小區內將不存在切換，從而在整個路段減少切換次數，同時也降低了切換失敗的可能性。

為保證移動終端的切換和通話質量，相鄰小區需要有一定的信號重疊覆蓋區。列車在高速運行情況下，需設計足夠的重疊覆蓋區長度，以確保移動終端有足夠的時間完成切換。切換重疊覆蓋區長度由切換時間和列車運行速度決定。從試驗網的測試來看，TD-LTE系統的切換時延在200ms以內、切換帶的距離控制在100m以內即可，按照現有鐵路覆蓋的重疊接入方式，需保留1個發射點進行雙路饋入。

2.3 車體損耗分析

高速鐵路運行的車輛一般為CRH車型，該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4種。廣東境內鐵路目前行駛的CRH多為CRH1、CRH2和CRH3型列車。

CRH列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。在規劃設計時，為保證有足夠的冗余度，應選取車體損耗最大的CRH1車型（龐巴迪列車）進行考慮，即車體損耗取24dB。

根據中國移動對TD-LTE邊緣速率的規定，TD-LTE網絡需保障為小區邊緣用戶提供最小上行500kbps、下行1Mbps的傳輸速率。根據上述的上下行鏈路預算可以得出，高鐵沿線隧道外TD-LTE基站覆蓋半徑在F頻段組網時應取731m、D頻段組網時應取552m，考慮兩發射點間應有100～150m的信號重疊區，故建議TD-LTE系統隧道外的發射點間距在F頻段組網時應取1 000～1 300m、D頻段組網時應取800～900m。

3.2 隧道內鏈路預算

假定TD-LTE網絡在隧道內仍能提供與隧道外同樣的邊緣服務等級，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外鏈路預算結果可知，TD-LTE網絡應為上行業務受限，故隧道內鏈路預算只需滿足上行512kbps業務即可。

結合隧道外鏈路預算結果，TD-LTE隧道內鏈路預算各參數取值如下：

（1）eUE EIRP為23dBm；

（2）eNodeB接收靈敏度為104.5dBm；

（3）陰影衰落余量為5.9dB；

（4）在2 600MHz頻段2m距離的耦合損耗和主干損耗為70dB；

（5）寬度因子取定為20lg8/2=12dB；

（6）車體損耗取定為10dB（泄漏電纜掛高在與車窗平齊的位置，穿透損耗主要考慮穿透玻璃的情況）；

（7）瑞利衰落余量取定為7dB；

（8）POI插損取定為5.5dB；

（9）功分器插損取定為3dB。

根據以上參數取定進行鏈路預算，得出高鐵沿線隧道中允許的泄漏電纜最大長度建議值如下：

（1）TD-LTE系統（F頻段）：370m；

（2）TD-LTE系統（D頻段）：230m。

3.3 系統仿真

對國內某條高速鐵路的建設方案進行仿真驗證，該鐵路采取專網覆蓋建設，覆蓋發射點間距為500m，天線距鐵軌距離為100m左右。對應以上的鏈路預算結果，此建設方案能滿足TD-LTE的覆蓋需求，并提供邊緣速率上行500kbps、下行1Mbps的服務。

對此專網方案進行TD-LTE網絡覆蓋情況仿真，其結果如圖1所示：

4 結束語

本文主要針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋進行研究，通過鏈路預算提出高速鐵路部署TD-LTE網絡時所需的站間距要求，并通過系統仿真，獲得在此站間距范圍內的鐵路沿線RSRP、服務等級及吞吐量等規劃數據，從而論證站間距建議的正確性。實踐證明，本文提出的站間距要求以及仿真結果對高速鐵路的TD-LTE網絡規劃建設具有指導意義。

參考文獻：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移動通信系統高速鐵路場景共存研究[J]. 廣東通信技術， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網絡規劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.endprint

針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋展開研究，首先分析在高鐵部署TD-LTE網絡所面臨的問題，然后通過鏈路預算得出在不同服務等級下的建議站間距，最后通過仿真論證覆蓋方案的科學性。事實證明，該方案能有效指導高鐵TD-LTE網絡的規劃與建設。

高鐵覆蓋 TD-LTE 鏈路預算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

經過10多年的高速鐵路建設，我國目前已經擁有全世界最大規模以及最高運營速度的高速鐵路網，總里程達到10 463公里，“四縱”干線基本成型，運營里程約占世界高鐵運營里程的45%，穩居世界高鐵里程榜首。

伴隨著高鐵的建設，我國通信運營商也積累了較為豐富的高鐵無線網絡建設經驗，在武廣、廣深港等運營鐵路上已有成熟的2G/3G覆蓋運營實例。然而目前方案僅限于2G/3G的應用，仍然存在帶寬不足的問題，未能滿足用戶對高速數據業務的需求。TD-LTE網絡的商用為數據業務的承載提供了一個更寬闊的平臺，高鐵沿線部署TD-LTE網絡將是下一步高鐵無線網建設的必然趨勢。

由表1可見，隨著車速的不斷提高，最大頻偏值越來越大，多普勒頻移的影響也越來越明顯。多普勒頻移的最大影響是造成接收機解調性能的下降，直接影響到小區選擇、小區重選和切換等性能。

對于TD-LTE頻段，由于多普勒頻移較大，一般設備廠商都會有相應的頻偏校正技術。目前業內各廠家TD-LTE設備均支持頻偏校正技術，容忍能力為1 400—2 000Hz，能夠滿足高速鐵路場景下的多普勒頻偏校正需求。而鑒于D頻段頻偏范圍更大，建議采用F頻段進行高速鐵路覆蓋，以降低多普勒頻移對接收機的影響。

2.2 切換影響分析

在高鐵場景下，由于列車運行速度非常快，用戶將快速地從一個小區進入到另一個小區，從而造成頻繁切換，這樣一方面會給網絡資源帶來很大的壓力，另一方面為保證高速運行下的切換成功率帶來了很大難度。

針對頻繁切換的問題，目前主流做法是采用光纖拉遠組網和小區合并技術，將相鄰若干個子小區合并成一個小區，這樣同小區內將不存在切換，從而在整個路段減少切換次數，同時也降低了切換失敗的可能性。

為保證移動終端的切換和通話質量，相鄰小區需要有一定的信號重疊覆蓋區。列車在高速運行情況下，需設計足夠的重疊覆蓋區長度，以確保移動終端有足夠的時間完成切換。切換重疊覆蓋區長度由切換時間和列車運行速度決定。從試驗網的測試來看，TD-LTE系統的切換時延在200ms以內、切換帶的距離控制在100m以內即可，按照現有鐵路覆蓋的重疊接入方式，需保留1個發射點進行雙路饋入。

2.3 車體損耗分析

高速鐵路運行的車輛一般為CRH車型，該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4種。廣東境內鐵路目前行駛的CRH多為CRH1、CRH2和CRH3型列車。

CRH列車采用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。在規劃設計時，為保證有足夠的冗余度，應選取車體損耗最大的CRH1車型（龐巴迪列車）進行考慮，即車體損耗取24dB。

根據中國移動對TD-LTE邊緣速率的規定，TD-LTE網絡需保障為小區邊緣用戶提供最小上行500kbps、下行1Mbps的傳輸速率。根據上述的上下行鏈路預算可以得出，高鐵沿線隧道外TD-LTE基站覆蓋半徑在F頻段組網時應取731m、D頻段組網時應取552m，考慮兩發射點間應有100～150m的信號重疊區，故建議TD-LTE系統隧道外的發射點間距在F頻段組網時應取1 000～1 300m、D頻段組網時應取800～900m。

3.2 隧道內鏈路預算

假定TD-LTE網絡在隧道內仍能提供與隧道外同樣的邊緣服務等級，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外鏈路預算結果可知，TD-LTE網絡應為上行業務受限，故隧道內鏈路預算只需滿足上行512kbps業務即可。

結合隧道外鏈路預算結果，TD-LTE隧道內鏈路預算各參數取值如下：

（1）eUE EIRP為23dBm；

（2）eNodeB接收靈敏度為104.5dBm；

（3）陰影衰落余量為5.9dB；

（4）在2 600MHz頻段2m距離的耦合損耗和主干損耗為70dB；

（5）寬度因子取定為20lg8/2=12dB；

（6）車體損耗取定為10dB（泄漏電纜掛高在與車窗平齊的位置，穿透損耗主要考慮穿透玻璃的情況）；

（7）瑞利衰落余量取定為7dB；

（8）POI插損取定為5.5dB；

（9）功分器插損取定為3dB。

根據以上參數取定進行鏈路預算，得出高鐵沿線隧道中允許的泄漏電纜最大長度建議值如下：

（1）TD-LTE系統（F頻段）：370m；

（2）TD-LTE系統（D頻段）：230m。

3.3 系統仿真

對國內某條高速鐵路的建設方案進行仿真驗證，該鐵路采取專網覆蓋建設，覆蓋發射點間距為500m，天線距鐵軌距離為100m左右。對應以上的鏈路預算結果，此建設方案能滿足TD-LTE的覆蓋需求，并提供邊緣速率上行500kbps、下行1Mbps的服務。

對此專網方案進行TD-LTE網絡覆蓋情況仿真，其結果如圖1所示：

4 結束語

本文主要針對高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋進行研究，通過鏈路預算提出高速鐵路部署TD-LTE網絡時所需的站間距要求，并通過系統仿真，獲得在此站間距范圍內的鐵路沿線RSRP、服務等級及吞吐量等規劃數據，從而論證站間距建議的正確性。實踐證明，本文提出的站間距要求以及仿真結果對高速鐵路的TD-LTE網絡規劃建設具有指導意義。

參考文獻：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移動通信系統高速鐵路場景共存研究[J]. 廣東通信技術， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 蔣遠，湯利民. TD-LTE原理與網絡規劃設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2012.

[5] 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術原理與系統設計[M]. 北京： 人民郵電出版社， 2010.endprint