TD-LTE網絡丘陵地帶高速鐵路覆蓋研究

胡東

（廣州杰賽科技股份有限公司，重慶 400000）

TD-LTE網絡丘陵地帶高速鐵路覆蓋研究

胡東

（廣州杰賽科技股份有限公司，重慶 400000）

通過研究TD-LTE的組網方式、高速移動、鏈路預算、切換重疊帶預算、小區合并等因素對設計的影響，從而制定出組網方式、站間距設置、站址設置、設備配置等相關方案并實踐。研究表明，盡管各系統整體思路會有相近之處，但TD-LTE網絡丘陵地帶高速鐵路覆蓋對各項條件要求更高。

TD-LTE 丘陵地帶 高速鐵路覆蓋

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.20.005

1 引言

TD-LTE作為我國主導的新一代移動通信國際技術標準，是TD-SCDMA標準的繼承和發展演進。隨著高鐵近年來迅猛發展，高速鐵路用戶的業務需求將會不斷增強，同時高速鐵路覆蓋具備顯著的技術特性，因此有必要針對高速鐵路進行專項覆蓋，以提升4G網絡的用戶體驗。

2 設計分析

2.1 組網方式

組網方式分為公網組網和專網組網，具體如表1所示。

2.2 高速移動對性能影響

高速鐵路運行時速都在200km以上。而高速移動引起的最顯著的效應就是多普勒頻移及頻繁切換，這對于高鐵網絡建設是一個極大的挑戰。

所謂多普勒效應，就是列車高速運動將會導致接收端的接收信號頻率發生變化。頻率的變化將降低接收機的解調性能，解調效果與系統及終端側設備性能有關。

表1 組網方式對比

2.3 高鐵車體損耗

高速鐵路列車穿透損耗約為28dB（F頻段），遠高于普通列車損耗。不同的入射角對穿透損耗也會產生影響，建議高速鐵路列車穿透損耗取值為28dB（F頻段）和30dB（D頻段）。具體如表2所示：

表2 高鐵車廂2GHz下的損耗值

據測試，隨著入射角變小，穿透損耗會不斷增加。為避免過小的入射角，基站與軌道距離建議不小于100m。入射角與穿透損耗關系示意圖如圖1所示：

圖1 入射角與穿透損耗關系示意圖

2.4 鏈路預算

對于宏基站，鏈路預算如表3所示：

表3 典型場景及頻段鏈路預算

對于隧道覆蓋，鏈路預算如表4所示：

表4 泄漏電纜鏈路預算

2.5 切換重疊帶預算

合理的重疊覆蓋區域規劃是實現業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小則會導致切換失敗，過大則會增加站間距，因此高鐵覆蓋規劃中要合理設計重疊覆蓋區域。重疊距離計算公式如下：

其中，各設備廠家切換相關時間參數略有不同。

切換示意圖如圖2所示：

圖2 切換示意圖

時速與切換距離對應表如表5所示：

表5 時速與切換距離對應表

2.6 小區合并

從高鐵相關實測數據來看，在小區切換位置流量有明顯下降，影響整體吞吐量，可采用小區合并技術來有效減少切換，以降低同頻干擾。

2.7 頻率配置

考慮F頻段覆蓋能力優于D頻段，可降低站址數量，優先采用F頻段部署；高鐵專網頻段應盡量與高鐵沿線公網異頻組網，尤其是在干擾復雜的城區。

2.8 TA設置原則

（1）高鐵路線上應盡量擴大TA（Tracking Area，跟蹤區）范圍，減少大量用戶跨TA帶來的TAU（Tracking Area Update，跟蹤區更新）信令沖擊；

（2）TA邊界應規劃于低速地帶，延長預留給系統處理TAU的時間；

（3）為保證CSFB（Circuit Switched Fallback，電路域回落）性能，TA劃分應與GSM高鐵專網的LA劃分協同。

3 建設方案

3.1 組網方式

通過上文對2種組網方式的比較分析，采取專網為主、公網為輔的方式，實現對高鐵線路區域的覆蓋，可綜合2種方式的優點。專網信號在高鐵線路區域的主導覆蓋是專網與公網協同的基礎要求。利用單雙向鄰區關系，過渡帶小區設置，基于頻率優先級的重選與切換，區分高、低速用戶的切換等手段可以實現良好的專網、公網協同覆蓋。

3.2 站間距設置

根據上文的鏈路預算，結合不同場景、不同車型以及不同頻段，可以得出表6所示的站間距：

表6 站間距設置匯總

3.3 站址設置

（1）對于城區內路段，應結合GSM高鐵覆蓋站點情況，采取共用+新建補充站點進行建設；

（2）為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問題，站點離鐵路垂直距離建議為100m~300m；

（3）天線掛高應考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10m~20m，保證天線與軌面視通；

（4）應結合工程條件優先將站點交錯部署在鐵路兩側，有利于信號的均勻分布，對于彎路區域則優先將站點設置在彎道內側。

3.4 主設備及天線配置

（1）單小區配置與站型配置主要受到主設備支持能力及光纖資源的限制，站型配置應優先保證多個RRU小區合并，從而降低跨小區切換數量；

（2）站型配置應在滿足小區合并要求的基礎上，優先采用高集成度的配置方案；

（3）軟件要求支持雙通道RRU級聯、6個RRU的小區合并、高速移動功能；

（4）天線原則上使用高增益窄波瓣雙通道天線（支持F頻段、D頻段）。

3.5 宏蜂窩基站站型配置

本期工程以覆蓋為主，宏基站配置以S1、S11為主，單載波帶寬建議為20MHz。

3.6 頻率配置

（1）市區內高鐵路段：根據區域內頻率整體策略選用F或D頻段組網，優先與區域內公網采用異頻組網方式；

（2）郊區、農村高鐵路段：使用F頻段組網；

（3）隧道場景：采用泄漏電纜或室內分布系統方式覆蓋，使用F頻段組網；

（4）車站覆蓋：優先使用E頻段組網。

3.7 TA設置方案

（1）以地市為單位劃分高鐵專網TA；

（2）TA邊界盡量設置在車站附近等低速運行地帶；

（3）參照高鐵GSM專網的LA進行TA劃分，TA邊界不能跨MSC POOL；

（4）在MSC POOL邊界，應嚴格保證TA和LA在同區域的對應關系，從而保證無線邊緣對齊，避免尋呼失??；

（5）為便于網絡管理，應避免TA跨廠家設置。

3.8 隧道覆蓋

火車隧道相對于高速公路隧道，當列車通過時內部空隙狹小，若采用天線覆蓋，則入射角小，列車填充效應明顯，列車穿透損耗增大，從而影響覆蓋效果，并且隧道內部環境實施環境差，安裝天線比較困難。而若采用泄漏電纜，由于整條電纜平行于隧道，且信號饋口可以處于列車窗口高度，信號可均勻覆蓋整條隧道，入射角大，因此可以有效避免使用天線覆蓋時產生的問題。綜上所述，隧道內部采用泄漏電纜更加理想。

為保證隧道與室外信號平滑過渡，一般在隧道口安裝RRU搭配高增益窄波瓣板狀天線對隧道口外進行覆蓋。

4 實際應用

4.1 高鐵概況

遂渝鐵路是中國西部首條高速鐵路，設計時速250km，全長190km，其中重慶境內約148km，隧道長度約72km，隧洞82個，最長隧洞約5km。遂渝線隧洞總體較多，長隧道占較大比例，隧道對整個鐵路覆蓋效果的影響較大。

4.2 工程規模

本工程共包括宏蜂窩基站141個，其中利舊2G站址基站45個，新選站址96個，共站率為31.91%，隧道覆蓋共使用259個RRU。本工程宏站及隧道分布系統共配置S1站點28個，S11站點49個，新增載波126個。

4.3 典型場景

圖3為一段完整的鐵路覆蓋示意圖，其中包含了連續宏站覆蓋、跨江覆蓋、隧道口覆蓋、短隧道覆蓋、短隧道群覆蓋以及長隧道多種典型場景示例。

（1）連續宏站覆蓋

該項目規劃時，主設備支持能力較弱。對于宏站，為盡量減少切換次數，按照BBU+RRU的典型組網單元為1個BBU+4個雙通道RRU進行組網，“北碚先鋒村”與“先鋒村拉遠二”這2個站點合并為同一小區，上端機房為先鋒村，兩站站間距約為500m。

（2）隧道口覆蓋

為使隧道口與隧道外信號平滑過渡，專門設計了高增益的室外覆蓋板狀天線安裝于隧道口附近，并且盡量與隧道口附近宏站合并小區，以避免隧道口發生切換。如圖3所示，LTE127與干壩子隧道口，LTE127站的2個RRU與干壩子隧道中左側4個RRU同屬一個小區，干壩子隧道中右側1個RRU與LTE126站單扇區等同屬另一個小區；兩小區切換帶設置于干壩子隧道內。

（3）跨江覆蓋

由于江面信號一般比較雜亂，也是網絡優化的難點，所以在設計時應盡量避免切換發生在過江帶。為此，干壩子隧道右側隧道口與桐子浩隧道左側隧道口合并為同一小區。兩隧道口之間江面寬度約為1km，兩隧道口RRU因站軌距較小，覆蓋1km預計比較困難，故在桐子浩隧道口附近、站軌距約100m之處增加LTE126單扇區，增加桐子浩隧道口一側覆蓋距離，以提高江面覆蓋的連續性。

（4）短隧道覆蓋

為保證隧道覆蓋，避免列車隧道內的填充效應，未采用隧道天線或者室外信號進行覆蓋，本項目隧道覆蓋全部采用泄漏電纜覆蓋。隧道口一般專門采用室外窄波瓣高增益天線與RRU搭配的方式對隧道口外進行覆蓋，以增加隧道口信號的連續性。如桐子浩隧道長約233m，單小區即可完成該隧道覆蓋。

（5）隧道群覆蓋

圖3 遂渝鐵路組網示意圖

對于隧道口間距為500m以內的連續隧道群，在短隧道覆蓋的基礎上，需考慮單小區容納RRU數量，超過單小區容納RRU數量之處則需設置切換點。因隧道口隧道內信號相對純凈，又垂直于窗口進入列車，輻射夾角最大，更加利于不同小區信號的切換穩定，故切換點應盡量設置于隧道內而避免在隧道口。如圖3中的劉家溝隧道與西山坪隧道（多于2個隧道的連續隧道群同理，以此類推），隧道口間距只有120m，在保證兩隧道口同一小區后，隧道內還有其它RRU因同小區只能容納6個單通道RRU的設備能力，無法與隧道口RRU共小區，所以在西山坪隧道內設置切換區。

（6）長隧道覆蓋

隧道內RRU安裝間距約為500m，且兩個RRU之間通過泄漏電纜連通，即不同小區的兩個信號可以在同一根泄漏電纜中同時傳播，從而實現了重疊覆蓋區。根據上文關于泄漏電纜傳播模型的論述可知，間距500m的RRU的分布距離可以滿足單邊覆蓋距離以及重疊覆蓋區的要求，而且隧道內信號相對純凈，又垂直于窗口進入列車，輻射夾角最大，更加利于不同小區信號的切換穩定。對于長度超過單小區6個單通道RRU覆蓋的長隧道，隧道內切換則不可避免，如新西山坪隧道。在滿足兩側隧道口覆蓋要求后，隧道內剩余RRU組成同一小區，在隧道內將發生兩次切換。需要特別說明的是，西山坪隧道和新西山坪隧道為遂渝鐵路雙向單軌的運行隧道，且同側的兩隧道口相距約為10m，為保證兩隧道口信號的純凈，故兩隧道口RRU設計為同一小區。

（7）設備配置

從圖3中可以發現，標注“上端：先鋒村”的小區有5個，即有5個小區的設備安裝于基站“先鋒村”機房內。由于本項目采用的是S1和S11這2種BBU，因此在先鋒村基站機房內將安裝3臺BBU，即1臺配置為S1和2臺配置為S11的BBU，從而節省了因BBU安裝于不同機房的相關資源。

5 結束語

隨著技術的更新換代，主設備單小區支持RRU數量將大幅增加，從而切換帶會大大減少，但同時從安全角度考慮，若同一機房拉遠過多設備，一旦發生事故，影響也會過大，所以切換和安全兩者需綜合考慮。目前鐵路覆蓋，特別是丘陵地帶TD-LTE系統鐵路覆蓋還是一個新課題，需在實踐中不斷總結經驗和不足，本項目的設計為我國山地高速鐵路覆蓋提供了參考。

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Researches on TD-LTE High-Speed Railway Coverage in Hilly Area

HU Dong

(GCI Science & Technology Co., Ltd., Chongqing 400000, China)

Impacts of TD-LTE’s networking mode, high-speed movement, link budget, handover overlapped zone budget and cell combination on design were researched and corresponding solutions to networking mode, inter-site spacing and equipment configuration were drawn up and practiced. Research demonstrates that albeit similarity being common to variant systems, TD-LTE high-speed railway coverage in hilly area requires highly strict conditions.

TD-LTE hilly area high-speed railway coverage

TN929.5

A

1006-1010(2015)20-0024-06

胡東. TD-LTE網絡丘陵地帶高速鐵路覆蓋研究[J]. 移動通信, 2015,39(20): 24-29.

2015-10-10

袁婷 yuanting@mbcom.cn

胡東：中級工程師，學士畢業于北京廣播學院（現中國傳媒大學），現任廣州杰賽科技股份有限公司通信規劃設計院西南分院無線單項負責人，從事無線網絡規劃和設計工作。