淺談LTE共小區技術在高鐵通信中的應用

符新+徐一鷗+王浩年+王文成

【摘要】 中國移動即將在全國范圍內開展TD-LTE網絡二期工程部署工作，室外宏基站和室內基站規模進一步擴大。而高速鐵路的覆蓋作為各運營商形象的展示窗口工程是LTE覆蓋的重要部分。高鐵存在著覆蓋損耗大，切換頻繁，多普勒頻移等技術難點，而在高鐵中使用共小區技術來克服這些問題，是一個較好的解決方案。

【關鍵詞】共小區技術 TD-LTE 高鐵

一、概述

高速鐵路的無線覆蓋和傳統網絡覆蓋有著極大的差異，首先對于每秒行駛距離80米以上的高鐵列車，多普勒頻移效應明顯，頻偏可能達到1KHz以上，如果缺乏有效的高速眵動算法來進行校正，高速引起的大頻偏將導致接收機解調性能大幅下降，4G系統性能將嚴重惡化，甚至可能導致系統不能正常通信。其次，高速列車采用密閉式廂體設計，車體茅透損耗較大，如何在保證用戶體驗的情況下，通過選取合哩的站間距和覆蓋重合區域，也是需要深入研究的課題。在傳統大網的組網模式中，時速300KM/h的情況下用戶將每10秒左右進行一次小區間切換，頻繁的小區切換將極地大降低網絡性能，高速行駛將導致小區變更頻繁，嚴重影響用戶體驗。如何控制切換、選取合理的切換帶也是擺在高鐵覆蓋上的一道難題。如果無法解決上述技術挑戰，則無法保證高鐵的無縫覆蓋，從而造成用戶速率下降，用戶感知差等問題。 本文主要是針對高鐵通信網絡覆蓋的關鍵技術進行研究，以解決高鐵的4G覆蓋問題。目的是在高速鐵路4G覆蓋區域，時速300KM/h的高速行駛的高鐵車廂內，用戶可享受更高時速的移動寬帶體驗。今后高鐵乘客除了傳統網頁瀏覽、網上購物、SNS等數據業務外，更可以享受高清電話會議、高清視頻點播、互動游戲等高帶寬業務服務。

二、傳統組網技術和LTE共小區組網技術分析

2.1 傳統組網方式分析

高鐵線路大部分路段呈線狀分布，和通常的基站部署場景有著很大不同，一般鐵路沿線的基站也需要呈線狀分布。相應的，高速列車切換示意圖如下圖所示。由圖可見，列車每經過一個小區，就要執行一次切換過程。結合高鐵的運行速度，每隔lOs就要進行一次切換。

圖：高速列車切換示意圖（一）

圖：高速列車切換示意圖（二）

合理的重疊覆蓋區域規劃是實現網絡業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小會導致切換失敗，過大則會導致干擾增加，進而影響用戶業務感知，因此高鐵覆蓋規劃中要合理設計重疊覆蓋區域。考慮單次切換時，重疊距離-2*（電平遲滯對立距離+周期上報距離+時間遲滯距離+切換執行距離）。高鐵專網場景下，考慮適當預留，重疊切換帶按200m考慮。 考慮到LTE要求車廂內覆蓋電平一般不低于-113dBm，基于鏈路預算：城區F頻段覆蓋半徑約500米，D頻段覆蓋半徑約350米，郊區、農村F頻段覆蓋半徑約600米。考慮重疊切換帶問題，宏基站RRU間距如下：城區F頻段800米，D頻段400米，郊區、農村F頻段約1000米。

由于高鐵列車的穿透損耗，為滿足覆蓋目標單RRU覆蓋范圍較小，列車高速移動時將在短時間內穿越多個RRU的覆蓋范圍，引起頻繁的切換。若在無多RRU小區合并的情況下，假設列車以300km/h運行，則列車每12秒左右將進行一次小區間切換，頻繁的小區切換將極大降低網絡的性能。

2.2 共小區組網方式分析

LTE共小區組網技術簡單來說即多個RRU覆蓋區域合并為一個小區，擴大單小區覆蓋范圍，降低切換和重選次數。不同基站的射頻模塊采用相同的頻率及參數設置，在邏輯上設置為同一小區。通過將相鄰的射頻模塊設置為同一小區，可以有效避免傳統覆蓋方案中切換過于頻繁的問題，同時可緩解小區間的干擾問題。共小區方案還可增加高鐵專網單個小區的覆蓋面積.不僅減少了專網的切換次數，提升了網絡指標，還可以緩解部分鐵路沿線基站選址困難，有效減少站點需求數，減少配套、土建等投資。LTE共小區組網方式單次通話切換次數估算：

LTE共小區組網方式覆蓋距離估算估算（鏈路預算參數與傳統方式相同，只是覆蓋重疊區有所區別）：

采用RRU進行高鐵覆蓋的優點：

1）大幅度減少切換次數。

2）合理設計站間距，有效增強高鐵覆蓋。

3）大幅度降低在重疊區起呼的概率，從而提高起呼成功率。

4） RRU各位置組不同步發射功能，不但降低能耗、避免了時間色散，而且減輕了高鐵專網對公網的頻率影響。

三、共小區組網技術建設方案

3.1 宏基站建設方案

宏基站建設方案，每個物理站點配置兩個兩通道RRU，分別連接高增益雙通道天線進行覆蓋，多個物理站點之間進行小區合并，典型的小區合并能力為每三個物理站點（6個雙通道RRU）合并為一個邏輯小區。BBU和RRU直接采用直連方式，在主站BBU和RRU采用單模尾纖連接，在拉遠站，BBU和RRU通過主干光纜連接。隨著技術的發展，個別廠家可以支持12個RRU共小區。

Sl配置BBU+RRU連接示意圖

覆蓋區設計的總體原則是在增強專網覆蓋的同時，嚴格控制專網在鐵路兩側的覆蓋范圍，避免對兩側非高鐵用戶和原有網絡造成較大影響。

（1） RRU共小區采用功分后雙向覆蓋方式，更好的貼合鐵路走向，提高覆蓋效率;

（2） RRU共小區專網覆蓋方式，由于鐵路沿線選址困難，建議距鐵路垂直100 - 300m，高度以高出鐵軌10 -20m為宜，覆蓋距離1- 1.2KM，既能滿足覆蓋要求，又必須嚴格控制對周邊網絡的影響;

（3）鐵路平直路段且兩側建筑稀疏時，優先選擇窄波束高增益天線;

（4）共小區的位置組之間由于不需要預留重疊覆蓋區域，站間距可適當加大，小區間的站間距嚴格按照高速列車切換/重選的重疊覆蓋區要求設計，并預留今后可能的提速對重疊覆蓋區的擴展需求。endprint