TD-LTE高鐵網絡規劃設計探析

湯勇勝，王正平

（上海貝爾軟件有限公司，上海 201206）

1 引言

自2008年高速鐵路在我國快速發展以來，高鐵場景下2G/3G/4G網絡覆蓋方案一直是移動通信領域內的一個熱點課題。UE高速移動場景對移動通信的影響主要體現在多普勒頻移效應、高速環境多徑效應、UE快速移動導致KPI性能下降等方面。

對于一個完整的高鐵網絡建設方案而言，通常都包含產品方案、網絡設計和網絡優化3個部分的內容。產品方案主要關注設備（包括主設備和終端設備）對抗多普勒頻偏影響的能力，比如基帶采用增強二次頻偏校正算法，實現頻偏估計及頻偏補償，有效提升解調性能等。網絡設計主要涉及站址規劃與選擇、基站距鐵路線垂直距離、天線方位角與下傾角的設置、重疊覆蓋距離、鏈路預算、平均站點間距、小區合并路段規劃等方面。網絡優化重點研究參數調整、鄰區設置、主控小區確立、切換序列調整、話務均衡、速率提升及應急保障等。

雖然3GPP定義了各項規范標準，但由于各廠家設備在實現技術標準時的思路與算法各有千秋、不盡相同，因此在高鐵產品方案與網絡優化上也是各具特色，但一般來說，高鐵網絡設計原理具有較強的通用性。

本文將從鏈路預算與小區合并功能評估這2項重要內容入手，對TD-LTE高鐵網絡規劃設計方法展開探討。

2 TD-LTE高鐵網絡鏈路預算

在高鐵網絡的規劃設計中，鏈路預算是比較重要的問題，它是衡量高鐵站點數量和站間距是否滿足要求的標準，進而對高鐵網絡投資規模及建成后的網絡性能是否能達到預期產生重要影響。

TD-LTE為上行覆蓋受限，下行干擾受限，因此在鏈路預算中通常是以上行計算確定小區半徑。影響高鐵鏈路預算的主要因素包括：

◆工作頻段、帶寬、天線類型、信道類型

◆列車速度

◆車廂穿透損耗

◆業務類型要求（PS 64/128/256/512……）

◆高鐵場景無線傳播特性

◆小區負荷

◆小區邊緣覆蓋概率其中，屬于高鐵場景特有影響因素主要包括列車速度、車廂穿透損耗和高鐵無線傳播特性。

2.1 列車速度

LTE用戶體驗隨列車速度提升而下降。系統仿真結果表明，受到UE高速移動的影響，進行上行鏈路預算時，350公里/小時下要比120公里/小時下多考慮1dB的額外損耗。

此外，為了保證高速移動終端的無縫切換，需要切換區的線路長度必須滿足最低的長度要求，而最低的切換區長度要求由終端移動速度和最大的切換時延推導而出。中國移動TD-LTE網絡質量指標中對切換時延的要求是：控制面切換時延<100毫秒，用戶面切換時延<50毫秒。不過在網絡工程中計算小區重疊覆蓋距離時，為保留一定冗余，建議按1秒時長來估算最低限度的小區重疊覆蓋距離（GSM網絡中則需按10秒來考慮）。那么，以350公里/小時（97米/秒）車速為例，小區重疊覆蓋距離需求為97米（而GSM網絡為970米）。

2.2 車廂穿透損耗

受列車高速運動的影響，車廂穿透損耗并非固定值，高速下穿透損耗隨著入射角的快速變化而變化，從而使得車廂內信號覆蓋強度處于不斷動態起伏波動之中。當入射角小于20度時，穿透損耗將快速增大；特別地，當入射角小于10度時，各類列車的穿透損耗都接近甚至超過30dB。

因此，在高鐵網絡無線規劃中，有以下幾項重要原則：

◆高鐵小區天線方位角需結合站址分布做精細規劃，盡量使天線主瓣方向以20度左右的入射角度沿鐵路（避免平行于鐵路線）進行覆蓋；

◆雖然不同CRH車型的靜態穿透損耗差別較大，但是在相鄰兩個站點的銜接處，即是距左右站點的最遠處，列車與兩側小區主瓣方向的入射角通常都在10度以內，因此建議進行室外高鐵鏈路預算時，車廂穿透損耗取最大值30dB；

◆對于采用泄漏電纜的隧道覆蓋路段，由于漏纜信號基本都是接近垂直角度入射進車廂，其穿透損耗將遠小于室外路段的情形，再考慮一定冗余，建議此時車廂穿透損耗值取12dB。

2.3 高鐵場景無線傳播特點

高鐵途經的地形地貌非常多樣且復雜，包括市區、郊區、高架、橋梁、隧道、丘陵、山區V型槽等諸多環境。

在高鐵建設初期，首先出現的是200公里/小時左右的動車組列車，這一階段的列車提速主要基于車型更新與電氣化改造，因此動車的鐵軌基本都還是沿地面鋪設為主。到2011年以后，開始出現大量300公里/小時以上的真正意義上的高鐵線路，比如京滬高鐵、滬寧高鐵、滬杭高鐵、武廣高鐵等，這些高鐵線路有一個共同的新特點，那就是大部分（占全路段80%以上）都架設在新修建的專用高架橋上。從移動通信網絡設計角度看，這一新現象帶來的直接影響就是無線傳播環境的變化，即UE天線有效高度發生了重大改變。

眾所周知，在常規的傳播環境中，移動臺天線有效高度都默認設置為1.5米，但是在高鐵場景中，高鐵手機用戶跟隨列車一起在高架橋上快速移動，其UE天線有效高度被大大提高，對鏈路預算結果將產生重要影響。

在此引用菲涅爾余隙原理來做深入分析。根據惠更斯-菲涅爾原理，在電波的傳輸過程中，波陣面上的每一點都是一個進行二次輻射的球面波的波源，這種波源稱為二次波源。而空間任一點的輻射場都是由包圍波面的任意封閉曲面上各點的二次波源發出的波在該點相互干涉、疊加的結果。當無線電信號的發射機和接收機之間的無線電信號傳輸路徑被障礙物遮擋時，會發生繞射。由障礙物表面產生的二次波散布于空間，甚至在障礙物的背面。

假設障礙物與發射天線、接收天線的相對位置如圖1所示，圖中x表示障礙物頂點P至直線TR之間的垂直距離，在無線電信號傳播理論中，x被稱為菲涅爾余隙。從波源T點輻射到R點的電磁能量主要是通過第一菲涅爾區傳播的，只要第一 菲涅爾區不被阻擋，就可以獲得近似自由空間的傳播條件。

圖1 菲涅爾余隙

其中，第一菲涅爾半徑x1為：

障礙物引起的繞射損耗與菲涅爾余隙之間的關系如圖2所示。

當x/x1>0.5（P 點低于R點）時，障礙物對無線電信號的傳播基本沒有影響。當x=0（P點與R點同高度）時，無線電信號從障礙物頂點擦過，繞射損耗約為6dB。當x<0（P點高于R點）時，無線電信號被障礙物直接遮擋，損耗將急劇增加。

由此可見，接收點R（即移動臺UE）有效高度的提升，有助于克服地形地貌中各種障礙物的影響，使得x變大（甚至可由負變正），從而大大改善無線傳播環境，小區覆蓋半徑也將明顯增大。

因此，對高鐵網絡的鏈路預算，根據其傳播特性的不同，需要對“鐵路線沿地面鋪設”和“鐵路線沿高架鋪設”這2種情況分別予以考慮。

2.4 采用Cost231-Hata模型進行鏈路預算

當前業內的各種鏈路預算工具主要基于Okumura-Hata和Cost231-Hata的路徑損耗經驗傳播模型。Okumura-Hata提出了一個在市區區域中的標準計算路徑損耗的公式，并提供了修正因子來滿足其他不同的地形區域，適用頻段為150—1 500MHz。Cost231-Hata模型是修正Okumura-Hata模型而得到的經驗模型，再經EURO-COST組成的Cost231工作委員會開發的Hata模型的擴展版本，其適用的頻率范圍擴充至1 500—2 000MHz。

Cost231-Hata模型公式為：

其中：

hBTS[m]：BTS有效高度范圍30—200米。

hMS[m]：移動臺有效高度范圍1—10米。

高鐵線路穿越的區域主要是城市邊緣、郊區、農村等開闊地域，另一方面，高鐵高架橋的平均高度大都在5～10米之間，所以可依據Cost231-Hata模型的郊區環境進行高鐵鏈路預算。主要的鏈路預算輸入條件假定值如下：

◆工作頻段：1 900MHz

◆帶寬：20MHz

◆信道配置：1:3

◆天線類型：2通道

◆天線增益：18dBi

◆天線掛高：30米

◆車廂損耗：30dB

◆上行邊緣速率要求：PS 256

據此通過鏈路預算工具可計算得出，當UE有效高度為1.5米時，小區半徑為0.55公里；當UE有效高度為5米時，小區半徑可達1.07公里。

從該計算結果可以看出，“鐵路線沿地面鋪設”和“鐵路線沿高架鋪設”的高鐵小區半徑相差甚遠，以5米高架橋高度為例，同樣基站高度情況下的小區覆蓋半徑是鐵路線沿地面鋪設時的一倍，這對高鐵網絡站點設計有著非常重要的指導意義。

2.5 超高路段的鏈路預算

從Cost231-Hata模型中移動臺有效高度的取值范圍可以看到，當UE高度大于10米時，Cost231-Hata模型不再適用，但現實情況中存在一些特殊路段，其鐵路高架橋高度可達20～30米。比如，某移動公司就曾遇到過高鐵高架橋高度為30米、基站高度為45米的情況，這時應該如何進行鏈路預算呢？

對于此類超高路段，常見的傳播模型已不能適用，無法直接代入鏈路預算工具進行計算。但值得注意的是，這類路段通常都出現在農村開闊地，視距基本無阻擋，因此在基站和移動臺都很高的情形下，可考慮按自由空間傳播模型進行估算。

自由空間傳播，指天線周圍為無限大真空時的電波傳播，它是理想傳播條件，電波在自由空間傳播時，其能量既不會被障礙物所吸收，也不會產生反射或散射，無干擾，無阻擋。通常在實際情況中，只要地面上空的大氣層是各向同性的均勻媒質，其相對介電常數和相對導磁率都等于1，傳播路徑上沒有障礙物阻擋，到達接收天線的地面反射信號場強也可以忽略不計，在這種情況下，電波就可以視為在自由空間傳播。

自由空間損耗公式為：

公式（4）表明，電波在自由空間中的損耗只與工作頻率f 和傳播距離d 有關，而與發射端或接收端的高度無關。當f 或d 增大一倍時，損耗將分別增加6dB。

以中國移動LTE TDDF 頻段為例，UE 發射功率a=23dBm，eNB接收靈敏度（UL PS256）b= -110.5dBm，接收天線增益c=18dBi，饋線及接頭損耗d=3dB，車廂穿透損耗e=30dB，那么按自由空間傳播條件對高鐵場景允許的最大路徑損耗MAPL=a-b+c -d-e=118.5dB。代入公式（4），計算得出對應的傳播距離為10.6公里。

可見在高架橋超高路段，無線傳播條件非常好，小區覆蓋距離將遠大于常規鏈路預算結果。

不過另一方面，雖然在LOS條件下，電波傳播主要靠直射信號，但與此同時還存在著地面發射波。直射波與地面反射波對合成場強將隨反射系數（反射波場強與入射波場強的比值）以及路徑差點變化而變化，有時會同相相加，有時會反相抵消，這就造成了合成波動衰落現象，因此高鐵小區的覆蓋距離會比理論計算值d 要小一些。

此外，在此類超高路段，基站距鐵路線的垂直距離不能太近，經驗建議值為500～800米，否則基站信號將基本平行于鐵路線覆蓋，且大部分將從車廂頂部進車廂內部，穿透損耗更大，使得該站點在高鐵車廂內的有效覆蓋距離反而大大縮減。

3 小區合并功能應用價值評估

3.1 小區合并功能在高鐵場景中的作用

小區合并功能最初是在GSM高鐵網絡中提出并應用的，其作用主要體現在以下2個方面：

（1）減少切換次數

◆減少邏輯小區數量，從而減少切換次數；

◆切換次數的減少可降低切換失敗及掉線的概率，并減少對信令信道的沖擊。

（2）提升數據業務吞吐率

◆減少切換過程中出現的速率降級；

◆提高整體吞吐率，進而提升用戶感知。

另一方面，過多的小區合并級數亦有負面影響，包括：

（1）小區合并級數越多，邏輯小區距離越長，吸納的鐵路線外圍的UE越多，反而會降低高鐵UE用戶體驗。

（2）高鐵UE所處的邏輯小區內的各站點將同時處于高負荷工作狀態，導致全網的功耗上升，不符合節能減排原則。

那么，在LTE網絡中，小區合并功能的應用價值是怎樣的呢？合并級數為多少比較合適？下面以100公里高鐵里程（車速300公里/小時）為例，從這2個方面對小區合并功能（One Logical Cell，簡稱OLC）的作用進行理論定量分析。

3.2 減少切換次數

根據上述鏈路預算中得出的TD-LTE高鐵小區理論半徑，可得出100公里高鐵路段內理想情況下的切換次數。切換次數與OLC級數關系如圖3所示：

圖3 切換次數與OLC級數關系

由圖3可見，小區合并級數越多，切換次數越少。以4并1小區合并為例，切換次數可比不合并減少約3/4，從而減少因切換失敗而掉線的概率。合并級數達到6并1以后，切換次數減少幅度明顯變小。

但需要指出，切換次數多少對不同網絡的影響程度差異也是比較大的。對于LTE網絡而言，切換時長非常短，只有幾十毫秒，且切換成功率非常高，基本都接近100%，而GSM網絡則大大不同，其切換時長達到5秒之多，切換成功率則在96%左右。另一方面，LTE主要承載的是非實時的數據業務，而GSM主力承載的則是實時的話音業務，顯然切換失敗對GSM網絡的用戶感知影響更大，而減少切換次數對提升LTE用戶感知的作用則比較有限。

3.3 提升吞吐率

LTE為硬切換系統，在快速移動UE發生切換時或多或少都會出現吞吐速率降級的情況，稱之為“掉坑”現象。路測結果顯示由于切換導致的速率降級持續時間約4秒，且最低速率將降至平均速率的1/4左右。以單小區內的單用戶平均吞吐率30Mbps為例，受切換導致的速率降級影響而未能傳送的文件大小約60M（圖4中的陰影部分面積）：

圖4 高鐵小區駐留示意圖

同時，對于UE在單小區內的平均駐留時長，若鐵軌沿地面鋪設，小區半徑是0.55公里，該時長為9秒（車速200公里/小時）或6秒（車速300公里/小時）；若鐵軌沿高架鋪設，小區半徑變為1.07公里，該時長則為18秒（車速200公里/小時）或12秒（車速300公里/小時）。

那么假設開啟小區合并后可完全消除速率“掉坑”現象，于是有：

高鐵線路上的理論平均吞吐率=（30Mbps×OLC級數×小區內駐留時長-60Mbps）/（OLC級數×小區內駐留時長）。

計算后可作出開啟小區合并功能后的理論平均速率曲線，如圖5所示：

圖5 吞吐率與小區合并級數關系

表1 不同制式系統下小區合并作用對比

由此可見，小區合并級數越多，單用戶平均吞吐率越大。但在不同鋪軌類型下，開啟小區合并對吞吐率的提升作用差別較大：對于沿地面鋪設的鐵路線，單個站點的小區覆蓋半徑較小，小區合并作用會比較明顯，以4并1為例，開啟后吞吐率提升幅度在26%左右；對于沿高架鋪設的鐵路線，單個站點的小區覆蓋半徑較大，小區合并對吞吐率提升作用降至12%左右。同時，合并級數達到6并1以后，速率提升幅度將明顯變小。

需要說明的是，300公里/小時車速的高鐵線路基本上都是采用高架橋方式，因此小區合并功能對平均吞吐率的理論提升幅度在10%左右。但另一方面，高鐵線路穿過的地形地貌種類繁多，其無阻擋情形不可能一直保持在理想狀態，再加上“掉坑”現象不可能被完全消除，小區合并功能在實際高鐵（300公里/小時）網絡中對用戶體驗的提升效果將無法達到理論水平。表1是對不同制式系統下小區合并作用進行的對比。

4 結束語

上述研究分析表明，在TD-LTE高鐵網絡的規劃設計中，除了考慮高速移動因素外，還需特別關注UE高度提升帶來的傳播特性的變化，這對鏈路預算結果有著重要影響。同時，通過構建理論數學模型，對小區合并功能在高鐵場景中的應用價值做了定量計算與分析，以深化對該功能實際應用效果的理性認識。

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