高鐵LTE網絡建設及優化方案研究

陳佳棟 中國電信股份有限公司無錫分公司網絡建設部工程師

1 引言

近些年來我國高速鐵路建設事業迅猛發展，自我國第一條高鐵——京津城鐵開通以來，京滬、武廣等一批高鐵陸續開通。截至2014年底，全國高鐵運營總里程已突破1.6萬公里，占比超世界高鐵運營總里程的50%。與此同時，由于高鐵乘坐的舒適性，越來越多的中高端用戶傾向選擇高鐵出行，因此建設及優化高鐵LTE網絡對提升運營商網絡品牌形象至關重要。但由于高鐵是一個復雜的無線環境，高鐵的快速、車廂的高穿透損耗以及多普勒頻移等特性對高鐵LTE網絡覆蓋質量有較大影響，為此如何解決網絡覆蓋成為當下各運營商重點研究的課題之一。

本文重點討論高鐵環境下影響LTE網絡覆蓋質量的重要因素，通過有針對性的研究、仿真、測試得出一套相對切實可行的高鐵LTE網絡建設優化方案。

2 高鐵LTE覆蓋特點分析

2.1 多普勒效應

當移動終端在運動過程中，尤其是高速運動的情況下，移動終端和基站接收端的信號會發生變化，此為多普勒效應。多普勒效應所引起的頻移稱為多普勒頻移，其計算公式如下：

其中：θ為移動終端移動方向和入射波方向的夾角；為移動終端的運動速度；c為光速；f為載波頻率。

根據公式（1）可知，移動終端離基站越遠，多普勒頻移越大，反之則越小；即高鐵在基站覆蓋小區邊緣處頻偏最大，在基站與軌道垂直處頻偏最小。為此，LTE網絡基站選點不易過分靠近鐵路，以加大終端電磁波的入射角。同時，不同車速下的頻偏差距也較大。如表1所示，隨著車速不斷提高，頻偏也越大，多普勒頻移影響也越明顯。多普勒頻移直接影響接收機解調、小區切換、選擇等性能，導致用戶感知變差。

表1 不同車速下的最大頻偏

2.2 高鐵車廂的高穿透損耗

高鐵列車為全封閉車廂，車身由鋁合金和不銹鋼材質組成，車窗采用特種材質制成，密封性能明顯好于普通列車，因此其車廂信號的穿透損耗也大幅提高。目前，國內高鐵車型以CRH1、CRH2、CRH3、CRH5以及CRH380車型為主，不同車型之間的車廂穿透損耗差異較大。

此外，高鐵車廂的穿透損耗除材質的原因造成外，還與車廂跟基站發射信號的入射角有關，即當入射角越小時，車廂的穿透損耗越大；當入射方向與車廂垂直時，此時車廂的穿透損耗最小。根據實際測試數據統計，為簡化路徑損耗計算，以30dB作為高鐵車廂穿透損耗的均值。

2.3 頻繁小區切換

高鐵在高速運行過程中，在短時間內會通過多個小區。若以傳統大網方式設置小區切換參數，則會頻繁發生小區切換/重選，從而影響網絡性能及容量，嚴重者則會引起切換失敗導致掉話。為此，在進行高鐵LTE網絡覆蓋規劃時，需要同步考慮網絡切換問題，尤其需著重考慮小區重疊切換帶以及覆蓋半徑的設置。

3 高鐵LTE覆蓋解決方案

3.1 站間距

LTE高鐵覆蓋的站間距需要綜合考慮基站的覆蓋半徑和重疊覆蓋區域。簡單地可以用下列公式表示：

其中：d為站間距；R為基站覆蓋半徑；dr為重疊覆蓋距離。

由公式（2）可以算出手機與基站間允許的最大路徑損耗，根據適合的傳播模型可算出覆蓋半徑，然后再根據切換所需的重疊區域，最終算出站間距。

此外，在LTE網絡鏈路預算的過程中，覆蓋一般是上行受限，因此本文暫考慮上行的鏈路預算，同時選用COST231-Hata傳播模型，公式如下：

其中：中心頻率f取1870MHz；基站高度Hb為30m；手機高度Hm為2m。由此可得：

由于高鐵線路所經之處多為城郊區域，a(Hm)為終端天線高度修正因子的表達式；Cm為城市修正因子，一般取為0dB（城郊區域）。按照網絡規劃要求，覆蓋小區邊緣最低上行速率要求256Kbit/s，可得接收機靈敏度為-112.92dBm。

根據上述公式可計算出單站的覆蓋半徑為1.040km。

此外，考慮LTE系統切換時間，一般分為測量時間d1、延遲時間d2和執行時間d3 3部分。其中，d1為200ms，d2一般配置為40ms，d3一般不超過250ms，因此切換時間為500ms左右。同時，預留失敗重建時延及冗余時延，切換時間考慮為1s，雙向切換考慮2s時間。根據不同車速下重疊覆蓋距離平均為194m，在這種場景下可以得出合適的站間距為1.88km。

然而，實際情況下，運營商為了滿足客戶多種業務的需求，尤其是現場數據實時上傳類業務，對覆蓋小區邊緣的最低上行速率遠大于256Kbit/s。例如，720P單路傳輸的帶寬需求為2Mbit/s，根據計算可得出，此時合適的站間距僅為1.52km。目前，京滬高鐵無錫段實際的平均站間距為1.04km。

3.2 基站與軌道垂直距離

基站到高鐵軌道的垂直距離（站軌距）主要跟入射角有關，根據試驗情況可總結：入射角越小，穿透損耗越大。一般而言，入射角不宜小于10°，但也不能過大，過大將影響覆蓋范圍，從而縮小覆蓋半徑，一般最大取25°。從而，根據入射角可以計算出不同站間距情況下，站軌距的取值如表2所示。

表2 基站到軌道垂直距離測算表

因此，在1.5～1.8km站間距的情況下，站軌距一般取為150～480m。

為了驗證上述測算的準確性以及可行性，可選取部分高鐵路段進行DT測試，結果如圖1所示。

從圖1可以看出，站軌距在150m左右時，RSRP覆蓋性能最優，SINR值最高，同時網絡所能獲得的下行速率也最高。但當站軌距超過400m以后，網絡各項性能均出現較大幅度的下降，其中用戶體驗最明顯的下行速率降為30Mbit/s左右，當用戶量多的時候，體驗感知將明顯下降。

3.3 網絡優化解決方案

3.3.1 大功率RRU解決大站間距覆蓋問題

上文中提到的站間距是從理論角度結合實際車廂等損耗情況得出的理想經驗值，在網絡規劃階段起到重要作用。然而，在現實的站址獲取過程中，由于業主或者周圍實際客觀環境的制約，基站位置會出現不同程度的偏差，從而可能出現累計偏差較大的情況。此時，通過一般手段難以有效解決網絡覆蓋。

雖然大站間距將影響基站有效的覆蓋范圍，但如果能通過增大基站發射功率，在一定程度上就能彌補由于站間距變大而造成的損失。無錫在城郊區域就通過選用2T4R大功率RRU進行試驗并取得了明顯的效果。詳情可見圖2、表3。

通過更換京滬14基站其中一個扇區RRU，采用2T4R60W功率的RRU，DT測試結果顯示，網絡性能各項指標提升明顯：該路段平均SINR從7.81dB提升到12.36dB，平均RSRP從-99.7dBm提升到-89.75dBm，下載速率從23.75Mbit/s提升到32.55Mbit/s。

圖1 不同站軌距下LTE網性能差異分析

3.3.2 小區合并技術解決頻繁切換問題

常規網絡覆蓋方案下，假設單小區覆蓋半徑為1km，時速200km的動車組每秒行駛56m，每18s進行一次小區切換或者重選；當車速超過300km/h時，每12s就會發生一次切換或者重選，1min內將會發生5次左右的切換。如此頻繁的切換和重選，會降低切換或者重選的成功率，進而影響通信質量。倘若要有效解決切換問題，就需要增大小區覆蓋范圍，減少切換次數。然而，這個方案在上文論述合理站間距過程中已有論證，基站的覆蓋半徑受到業務需求的制約，可調整的范圍是有限的，同時還得注意合理規劃小區重疊區域。

根據上述分析，減少網絡切換與重選，除了物理手段解決覆蓋問題外，在LTE網絡中，仍然可以通過采取小區合并技術，使得單個邏輯小區覆蓋區域增大，達到有效減少切換次數、提高網絡性能的目的。

通過小區合并，2個物理站的2個物理小區合并成一個邏輯小區，邏輯小區內RRU之間的切換由站間切換變為站內協作，相當于單小區覆蓋半徑翻倍，能有效減少切換次數。與此同時，在工程建設過程中，考慮到保障網絡覆蓋的安全因素，應盡量選擇直連RRU，減少級聯方式。以無錫城鐵站臺附近的優化方案為例，通過小區合并技術，無錫站的進出站路測結果顯示，信號覆蓋質量答復提升，下載速率達到45.3Mbit/s，較工程優化前提升70%。圖3及表4為無錫城際鐵路站臺通過小區合并技術優化前后的對比情況。

圖2 站址示意圖

表3 優化測試前后網絡性能對比情況

表4 無錫滬寧城鐵站小區合并前后路測效果對比情況

3.3.3 多普勒頻移補償及高速小區特性提升網絡覆蓋性能

前文提及的多普勒頻移問題，在高鐵覆蓋中不可避免，由于對用戶上行編解碼影響較大，造成網絡性能以及用戶體驗下降。因此，多普勒頻移補償技術得到了多家設備廠商的支持。即在基站側通過對接收的上行信號頻率進行頻偏估計，在基帶側進行補償校正，以此提高上行信號的解調性能。

另外一個影響高鐵信號覆蓋的是快衰弱問題。在移動通信過程中，由于無線電波傳輸的特性，經過不同路徑最終歸于移動終端時，信號是有相位特性進而疊加的，如果相位相反甚至會出現“掉零”情況。為了解決這一問題，筆者在局部站點開通了高速小區特性模式，通過多用戶模擬實際環境測試，結果表明：開通高速小區配置的區域較普通小區的覆蓋質量有較大幅度提升（見圖4）。

圖3 無錫滬寧城鐵站小區合并前后路測效果示意圖

圖4 開通高速小區特性前后覆蓋質量對比

4 結束語

本文通過利用COST231-Hata傳播模型對高鐵LTE網絡覆蓋的站間距、站軌距進行詳細的分析，得出理論上的合理站間距為1.5km，然而為了更好地滿足用戶的實際體驗，部分路段站間距將進一步縮小，在靠近密集城區部分，由于用戶量以及無線環境的變化，中心城區的站間距在0.7km左右。

此外，在針對高鐵覆蓋特性的基礎上，通過利用大功率2T4R RRU設備解決城郊大站間距問題，利用小區合并技術解決多小區頻繁切換問題。此外，通過配置多普勒頻移補償以及高速小區特性等多種手段，全方面優化網絡覆蓋效果，提升網絡性能以及用戶體驗感知。

1 唐艷超.LTE高鐵覆蓋解決方案研究.郵電設計技術.2014,12

2 翟英鴻等.高速鐵路TD-LTE無線網絡覆蓋方案的探討.電信網技術.2014,11

3 楊一帆.高速鐵路TD-LTE網絡覆蓋方案研究.移動通信.2014,8

4 譚路加等.高鐵覆蓋中天線與軌道垂直距離的探討.郵電設計技術.2012,6

5 林善亮等.FDD-LTE在高鐵應用場景中基站覆蓋半徑的設計探討.現代電信