高鐵沿線LTE FDD網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃研究

劉 峰，張國(guó)棟

（中國(guó)人民大學(xué)商學(xué)院，北京 100872）

高鐵沿線LTE FDD網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃研究

劉 峰，張國(guó)棟

（中國(guó)人民大學(xué)商學(xué)院，北京 100872）

為解決高鐵場(chǎng)景下LTE FDD專用移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)的覆蓋問題，本文首先分析了穿透損耗、切換頻繁、多普勒頻移等因素對(duì)現(xiàn)代高鐵用戶業(yè)務(wù)影響，其次利用鏈路預(yù)算結(jié)果對(duì)新建站站間距和垂直距離進(jìn)行優(yōu)化，然后在實(shí)際工程中采用BBU集中放置和同PCI部署方案進(jìn)行規(guī)劃，最后通過拉網(wǎng)測(cè)試驗(yàn)證了該方案可達(dá)到良好的覆蓋效果。

LTE FDD；高鐵場(chǎng)景；網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃；PCI

1 引言

2015年2月27日，中國(guó)電信和中國(guó)聯(lián)通正式獲得LTE FDD牌照經(jīng)營(yíng)許可，由此我國(guó)全面進(jìn)入LTE規(guī)模商用時(shí)代。我國(guó)還是世界上高速鐵路運(yùn)營(yíng)里程最長(zhǎng)、在建規(guī)模最大的國(guó)家。如何保證高鐵上用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的連續(xù)性和穩(wěn)定性，成為當(dāng)前LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)亟待解決的技術(shù)問題。

2 LTE組網(wǎng)介紹

LTE是3GPP組織牽頭制定的準(zhǔn)第四代移動(dòng)通信技術(shù)。為了能和可以支持20MHz的WiMAX技術(shù)相抗衡，3GPP為L(zhǎng)TE制定了1.4MHz，3MHz，5MHz，10MHz，15MHz，20MHz的靈活帶寬配置，采用的同樣是OFDM和MIMO技術(shù)[1]。

與3G相比，LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)主要產(chǎn)生了以下方面變化：一是控制與承載分離。這便于LTE業(yè)務(wù)開展與網(wǎng)絡(luò)升級(jí)，LTE控制面功能由MME實(shí)現(xiàn)，承載面功能由S-GW實(shí)現(xiàn)，同時(shí)核心層去電路域，全面向IP化演進(jìn)，由IMS承載多種綜合業(yè)務(wù)。二是網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)取消RNC。LTE無線系統(tǒng)更加扁平化，3G RNC移動(dòng)性管理、呼叫處理、鏈路管理等功能由重新定義的eNodeB、兩個(gè)網(wǎng)關(guān)（S-GW，P-GW）及MME協(xié)同完成，由此，eNodeB可直接接入核心網(wǎng)，有效降低了用戶面網(wǎng)絡(luò)延時(shí)。三是引入S1，X2兩個(gè)接口。S1接口直接連接eNodeB與EPC，主要用于提高網(wǎng)絡(luò)冗余性及實(shí)現(xiàn)負(fù)載均衡，X2接口為相鄰eNodeB之間接口，主要用于移動(dòng)性管理及CoMP（協(xié)作多點(diǎn)傳輸）。LTE核心技術(shù)的變化導(dǎo)致了子載波帶寬變窄，容易受多普勒影響。

3 高鐵覆蓋特點(diǎn)及影響因素

高鐵用戶語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)經(jīng)常中斷主要受到四個(gè)方面的影響：一是列車安全工藝要求使得電磁波穿透損耗加大；二是高鐵高速穿越多個(gè)服務(wù)小區(qū)導(dǎo)致切換頻繁；三是高速環(huán)境下多普勒效應(yīng)明顯；四是專網(wǎng)與公網(wǎng)鄰區(qū)配置不合理導(dǎo)致切換失敗。

3.1 車體穿透損耗大

高鐵車廂為了達(dá)到隔音降噪減震的目的，大量使用鋁合金、玻璃鋼等材料對(duì)廂體進(jìn)行嚴(yán)格密閉處理，因此，相對(duì)于普通車輛，高鐵車廂穿透損耗普遍要大5～10dB，靜止時(shí)車體穿透損耗最高可達(dá)24dB。各類型CHR高鐵車廂靜止時(shí)垂直穿透損耗測(cè)試結(jié)果如表1所示[2-4]。

表1 各類車廂靜止時(shí)垂直穿透損耗

實(shí)際中高鐵運(yùn)行速度都在200km/h以上，運(yùn)行途中基站信號(hào)有更大的電磁波衰減，為保證4G用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)正常使用，車廂內(nèi)RSRP需大于等于-105dBm，穿透損耗需按列車運(yùn)行時(shí)最大穿透損耗計(jì)算（假設(shè)為24dB），因此，室外基站信號(hào)強(qiáng)度至少應(yīng)達(dá)到-81dBm以上。

3.2 小區(qū)間切換頻繁

由于高鐵環(huán)境的特殊性，鐵路沿線覆蓋高鐵的基站小區(qū)呈鏈狀分布，列車以極快速度穿過這些小區(qū)，列車速度達(dá)到300km/h時(shí)，車上用戶在每個(gè)基站小區(qū)內(nèi)的駐留時(shí)間僅約數(shù)秒，造成終端在這些小區(qū)間頻繁切換[5][6]。頻繁切換會(huì)嚴(yán)重影響系統(tǒng)性能，導(dǎo)致掉話率增加，降低用戶體驗(yàn)。為在覆蓋范圍內(nèi)為用戶提供連續(xù)不斷的通信服務(wù)，保證業(yè)務(wù)的通信質(zhì)量（QoS），需要根據(jù)實(shí)際情況考察目標(biāo)區(qū)域列車運(yùn)行速度、小區(qū)重選和小區(qū)切換時(shí)間，合理設(shè)置相鄰兩個(gè)小區(qū)切換重疊覆蓋區(qū)域大小，保證切換帶大小滿足至少完成2次切換的時(shí)間。同時(shí)對(duì)切換相關(guān)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，提高切換靈敏度，降低切換時(shí)延，保證用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間大于切換的處理時(shí)間。

3.3 高速移動(dòng)帶來的多普勒頻移

移動(dòng)通信的多普勒頻移是指隨著接收端與基站距離的遠(yuǎn)近變化，接收端接收到的信號(hào)頻率會(huì)在中心頻率產(chǎn)生偏移的現(xiàn)象，這種現(xiàn)象在高速環(huán)境下表現(xiàn)的非常明顯。OFDM系統(tǒng)利用相互正交的子載波進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，因此，對(duì)多普勒頻移引起的頻偏非常敏感。多普勒頻移可用如下公式1表示[7]式中，fd表示多普勒頻移引起的頻偏；fc表示載波頻率；c表示光速c=3×108m/s；v表示列車運(yùn)行速度；θ代表列車運(yùn)行方向與基站信號(hào)傳播方向的夾角。假設(shè)LTE FDD采用1.8GHz頻段進(jìn)行室外覆蓋，列車最大運(yùn)行速度為350km/h，得到的最大多普勒頻移約為600Hz，由于OFDM利用相互正交的子載波傳輸數(shù)據(jù)，因此，這會(huì)對(duì)LTE系統(tǒng)性能產(chǎn)生影響。

3.4 高鐵覆蓋需要考慮的其他因素

高鐵覆蓋需要另外考慮的一個(gè)重要因素是專網(wǎng)與公網(wǎng)之間的切換[8]。運(yùn)營(yíng)商一般建設(shè)專網(wǎng)對(duì)境內(nèi)高鐵進(jìn)行覆蓋，由于鐵路環(huán)境的特殊性，鐵路沿線專網(wǎng)會(huì)同公網(wǎng)產(chǎn)生重疊覆蓋區(qū)域，如果專網(wǎng)與公網(wǎng)之間用戶切換頻繁，會(huì)造成系統(tǒng)性能下降。所以應(yīng)合理設(shè)置專網(wǎng)與公網(wǎng)之間鄰區(qū)配置，避免兩者間形成覆蓋空洞或越區(qū)覆蓋。車站附近要重點(diǎn)考慮專網(wǎng)和公網(wǎng)切換、重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，在站點(diǎn)和候車室設(shè)置專網(wǎng)與公網(wǎng)過渡的隔離，相互設(shè)置鄰區(qū)，使公網(wǎng)用戶順利切入高鐵專網(wǎng)，保證列車離開站臺(tái)時(shí)不會(huì)發(fā)生乒乓位置更新。列車行進(jìn)途中專網(wǎng)小區(qū)和鐵路沿線公網(wǎng)小區(qū)相互不設(shè)置為鄰區(qū)，盡量將覆蓋高鐵的專網(wǎng)基站規(guī)劃為1個(gè)LAC，列車內(nèi)用戶不允許切換到公網(wǎng)，公網(wǎng)用戶也不能切換到列車內(nèi)占用專網(wǎng)資源，特別需要避免鐵路一側(cè)公網(wǎng)基站越區(qū)覆蓋另一側(cè)區(qū)域的情況發(fā)生。

4 高鐵LTE FDD覆蓋方案

4.1 高鐵覆蓋原則

高鐵覆蓋在保證鐵路沿線良好覆蓋效果的情況下應(yīng)兼顧節(jié)約成本，提高共建共享比例，合理規(guī)劃新建站站間距及基站與鐵軌間垂直距離，考慮到專網(wǎng)覆蓋獨(dú)立于周邊低速區(qū)域，可對(duì)高速鐵路進(jìn)行有針對(duì)性覆蓋，本期工程組網(wǎng)采用專網(wǎng)覆蓋，設(shè)備形態(tài)采用成本較低的分布式（BBU+RRU）宏基站。

4.1.1 新建站設(shè)置原則

為保證高鐵沿線良好的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和質(zhì)量，高速鐵路站址選取需遵循以下原則[9]：

⊙ 鐵路紅色保護(hù)區(qū)內(nèi)不可設(shè)置基站。

⊙ 鐵路沿線基站選址應(yīng)交錯(cuò)均勻呈“之”字狀分布。

⊙ 基站選址與鐵軌保持適當(dāng)垂直距離，不能太遠(yuǎn)也不能太近。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)天線主瓣方向應(yīng)與鐵軌保持一定夾角。

⊙ 帶有一定弧度的鐵軌段，基站選址應(yīng)設(shè)置在軌道內(nèi)側(cè)進(jìn)行覆蓋。

4.1.2 站間距設(shè)置原則

合理的站間距設(shè)置可以為高鐵用戶提供更好的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)節(jié)約成本，本期工程通過鏈路預(yù)算計(jì)算高速鐵路最大路徑損耗。鏈路預(yù)算中CHR1（龐巴迪型列車）車體穿透損耗值設(shè)置為24dB，邊緣下載速率設(shè)置為電信集團(tuán)要求下行4Mb/s、上行256kb/s，計(jì)算模型為COST231 HATA傳播模型。

通過以上鏈路預(yù)算計(jì)算得到站點(diǎn)相對(duì)高度10米、20米、35米情況下（鐵軌高度10米），基站覆蓋半徑分別為460米、640米、740米。本期京石武高鐵邢臺(tái)段工程基站相對(duì)高度在20米至35米之間。

高速鐵路為保證無線信號(hào)跨小區(qū)切換的成功率，需做重疊覆蓋帶設(shè)計(jì)。目前京石武高鐵運(yùn)行速度最高為350km/h，高速鐵路LTE FDD網(wǎng)絡(luò)重疊區(qū)距離需達(dá)到238米以上。

根據(jù)重疊距離和基站覆蓋半徑計(jì)算出站間距S為

式中，S代表基站站間距；r代表覆蓋半徑；θ代表掠射角（假設(shè)為10度）；Soverlap代表重疊距離。由鏈路預(yù)算所得到的最大覆蓋半徑和最小覆蓋半徑及重疊距離，可得最大站間距為1219米，最小站間距為1022米。本期京石武高鐵邢臺(tái)段站間距根據(jù)以上計(jì)算，規(guī)劃站間距在1千米至1.2千米之間。

4.1.3 垂直距離設(shè)置原則

站址位置距離高速鐵路的垂直距離對(duì)信號(hào)的穿透損耗有著重要的影響。當(dāng)基站的垂直位置距離鐵路較近時(shí)，覆蓋區(qū)域邊緣信號(hào)進(jìn)入車廂的“掠射角”小，穿透損耗大。“掠射角”就是基站天線主瓣方向和鐵路鐵軌之間形成的夾角，根據(jù)實(shí)測(cè)經(jīng)驗(yàn)值，“掠射角”小于10度后，車廂穿透損耗值迅速上升，所以需將“掠射角”控制在10度以上[10]。

基站與鐵軌間最小垂直距離dmin可表示為

式中，S代表基站最小站間距；θ代表掠射角（假設(shè)為10度）；由此得到最小垂直距離dmin為100米。考慮到天線水平波瓣在90度方向增益約為0dBi，為保證不出現(xiàn)塔下黑，規(guī)劃站點(diǎn)離鐵軌最大垂直距離dmax不超過300m。

4.2 建設(shè)方案

4.2.1 BBU集中放置方案

LTE基站建設(shè)應(yīng)優(yōu)先選擇使用BBU集中放置、RRU拉遠(yuǎn)方式組網(wǎng)。覆蓋同一業(yè)務(wù)區(qū)域的BBU應(yīng)集中放置于一個(gè)物理站點(diǎn)內(nèi)，以便于后期組建BBU池控制業(yè)務(wù)繁忙區(qū)域的小區(qū)邊緣干擾，提升用戶感知。同時(shí)應(yīng)根據(jù)LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃情況，從機(jī)房的穩(wěn)定性、安全性、光纜出入局的便利性以及機(jī)房空間等條件，對(duì)固網(wǎng)機(jī)房和無線網(wǎng)機(jī)房進(jìn)行梳理和篩選，合理規(guī)劃BBU集中站點(diǎn)。BBU集中站址的選擇還應(yīng)考慮GPS天線的安裝便利性，并可通過GPS一分多轉(zhuǎn)接單元實(shí)現(xiàn)多個(gè)BBU的GPS信號(hào)共享。

4.2.2 同PCI部署方案

由于高鐵的高速移動(dòng)性，小區(qū)間的頻繁切換將嚴(yán)重影響網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)。本期工程將采用同PCI方式建立超級(jí)小區(qū)，將不同小區(qū)RRU設(shè)置相同PCI，小區(qū)間不存在切換問題和小區(qū)間干擾，可以協(xié)同工作，降低掉話和接入失敗，降低網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難度，提升用戶感知，是高速鐵路覆蓋比較理想的建設(shè)方式。本期工程新增77個(gè)基站中對(duì)75個(gè)基站進(jìn)了同PCI設(shè)置，共創(chuàng)建同PCI小區(qū)42個(gè)。具體如圖1所示。

圖1 京石武高鐵邢臺(tái)段同PCI部署方案

5 覆蓋效果

5.1 拉網(wǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)

京石武高鐵邢臺(tái)段拉網(wǎng)測(cè)試指標(biāo)如表2所示，從測(cè)試指標(biāo)可以看出覆蓋率、下行速率和上行速率達(dá)到了初步覆蓋效果。

表2 京石武高鐵邢臺(tái)段路測(cè)指標(biāo)

5.2 分析與優(yōu)化

京石武高鐵邢臺(tái)段拉網(wǎng)測(cè)試RSRP和SINR渲染圖如圖2所示。由測(cè)試圖中可以看出，仍有一些弱覆蓋區(qū)域（紅點(diǎn)區(qū)域），需要針對(duì)測(cè)試圖中指標(biāo)較差的區(qū)域進(jìn)行分析和優(yōu)化，進(jìn)一步提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，使用戶體驗(yàn)更加順暢。

經(jīng)過對(duì)61個(gè)小區(qū)的射頻參數(shù)優(yōu)化和調(diào)整，京石武高鐵邢臺(tái)段LTE FDD網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量得到進(jìn)一步的提升，具體如表3所示。優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)上升了4至10個(gè)百分點(diǎn)，覆蓋指標(biāo)達(dá)到了河北電信覆蓋率≥95%的要求。

圖2 拉網(wǎng)測(cè)試RSRP和SINR渲染圖

表3 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)

6 結(jié)束語

京石武高鐵邢臺(tái)段LTE FDD無線網(wǎng)絡(luò)工程通過分析高鐵沿線站間距、垂直距離及同PCI設(shè)置等無線參數(shù)，對(duì)境內(nèi)高鐵工程進(jìn)行了指導(dǎo)優(yōu)化，完成了邢臺(tái)境內(nèi)京石武高鐵4G網(wǎng)絡(luò)的無縫覆蓋，保障了高速鐵路用戶的流暢體驗(yàn)，為邢臺(tái)電信實(shí)現(xiàn)高鐵4G精品網(wǎng)絡(luò)覆蓋打下了基礎(chǔ)。

[1] 中國(guó)通信建設(shè)集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司．LTE組網(wǎng)與工程實(shí)踐[M]．北京：人民郵電出版社，2014

[2] 張敏，李毅，舒培煉．高速鐵路列車車廂穿透損耗應(yīng)用探析[J]．移動(dòng)通信，2011.2

[3] 王琦．高速移動(dòng)環(huán)境下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方法研究[D]．上海交通大學(xué)，2012年

[4] 張傳福，李夢(mèng)迪，王剛．高速移動(dòng)環(huán)境下組網(wǎng)方案[J]．電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2009.12

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[6] 蔣新華，朱銓，鄒復(fù)民．高速鐵路3G通信的覆蓋與切換技術(shù)綜述[J]．計(jì)算機(jī)應(yīng)用，2012.09

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[8] 李美艷．基于LTE技術(shù)的高鐵無線通信方案[J]．廣東通信技術(shù)，2011.07

[9] 郭濤，魏建理．高鐵沿線CDMA無線網(wǎng)覆蓋規(guī)劃與研究[J]．移動(dòng)通信，2012.04

[10] 唐艷超．LTE高鐵覆蓋解決方案研究[J]．郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2014.12

Research on High-speed Railway Coverage Planning in LTE FDD Network

Liu Feng, Zhang Guodong
(School of business of Renmin University of China, Beijing, 100872)

To solve the coverage problems of high-speed railway based on private LTE FDD network, firstly, this paper analyzed the factors that effect on users’ service such as penetration loss, handoff intensive and Doppler shift, etc. Secondly, the planning base station horizontal and vertical distance is optimized by using link budget. In addition, practical network is constructed by using BBU concentrated and the same PCI setting. Finally, the test result which is verified can achieve a good performance.

LTE FDD; High-speed railway; network planning; PCI

10.3969/J.ISSN.1672-7274.2015.08.005

TN929.5文獻(xiàn)標(biāo)示碼：B

1672-7274（2015）08-0017-04

劉 峰，男，現(xiàn)任職中國(guó)電信邢臺(tái)分公司總經(jīng)理，目前在職就讀于中國(guó)人民大學(xué)工商管理專業(yè)。

張國(guó)棟，男，通信工程師，現(xiàn)任職中國(guó)電信河北省分公司政企客戶部副主任，目前在職就讀于中國(guó)人民大學(xué)工商管理專業(yè)。