TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試

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TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試

劉方森，李壽鵬，李方村，楊傳祥

（中國移動通信集團設(shè)計院有限公司山東分公司，濟南 250101）

摘 要本文針對TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在高鐵覆蓋場景下的組網(wǎng)，分析了其對TD-LTE系統(tǒng)產(chǎn)生的影響及網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求。針對高鐵覆蓋場景下的多普勒頻移、小區(qū)頻繁切換、高穿透損耗三大難題分別提出解決方案：頻偏補償克服多普勒頻移、合理站址布局克服車體高穿透損耗、多CP組網(wǎng)方式克服小區(qū)間頻繁切換。文章最后介紹了高鐵專網(wǎng)測試中開啟9:3:2特殊時隙配比提升業(yè)務(wù)下載速率。

關(guān)鍵詞多普勒頻移；穿透損耗；小區(qū)合并；9:3:2特殊時隙配置

伴隨著我國高速鐵路建設(shè)的不斷加快以及鐵路列車的不斷提速，高速鐵路、城際快車已經(jīng)成為越來越多商務(wù)人士的選擇，用戶對網(wǎng)絡(luò)覆蓋、質(zhì)量提出了越來越高的要求，鐵路覆蓋已經(jīng)成為各個運營商展現(xiàn)品牌的戰(zhàn)場。隨著中國移動TD-LTE的大規(guī)模建設(shè)，高速的數(shù)據(jù)通信已經(jīng)變?yōu)楝F(xiàn)實，在高速鐵路上，用戶同樣希望體驗到高速數(shù)據(jù)通信給生活工作帶來的各種便利。

根據(jù)高鐵目前的運營現(xiàn)狀及未來發(fā)展趨勢，高鐵無線覆蓋方案必須滿足300km/h及以上高速行駛要求。高速列車場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨嚴峻挑戰(zhàn)，為業(yè)界所熟知的三大難點：車體穿透損耗大、多普勒頻移和小區(qū)間頻繁切換。高速帶來的多普勒頻移會破壞OFDM子載波的正交性，導(dǎo)致了誤碼率的降低；終端在不同基站小區(qū)間頻繁切換，影響用戶體驗；無線信號穿透車體穿透損耗大，影響車內(nèi)無線覆蓋。

1　多普勒頻移

1.1 高速移動下的多普勒頻移

目前，高速鐵路的速度在300 km/h以上，本文基于400 km/h進行分析。多普勒頻移的公式可以表示為Δf= (f×v)/c，其中f為載波頻率，v是終端與信號發(fā)射端之間的相對速度。當v=400 km/h，f=2.5 G時，最大多普勒頻移fm≈740 Hz，相對于OFDM子載波帶寬15 kHz，頻偏約為5%。多普勒效應(yīng)示范圖如圖1所示。

圖1　多普勒效應(yīng)示范圖

OFDM系統(tǒng)同步包括時間同步和頻率同步，時間同步包括精確地找到每個OFDM符號開始的時間。頻率同步則是為了找到并且糾正由于在移動信道環(huán)境下的多普勒頻移造成的接收端和發(fā)送端振蕩器的不同步。同步產(chǎn)生的錯誤會大幅影響OFDM系統(tǒng)的性能。為了保持OFDM系統(tǒng)的同步，必須對頻偏進行補償。目前的頻偏補償算法主要基于OFDM系統(tǒng)的導(dǎo)頻信息和CP統(tǒng)計特性（接收到的信號已經(jīng)包含時偏參量和頻偏參量，CP引入的冗余足夠完成估計而不需要增加導(dǎo)頻）。

1.2 多普勒頻移對TD-LTE系統(tǒng)的影響

在高速移動環(huán)境下，移動終端的速度高達350 km/h，載波頻率考慮f=1.9 GHz，由于多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的頻率偏移為fd，移動終端接收到的信號頻率為f+fd，并以此為基準頻率發(fā)送上行信號，因此在基站端接收到信號為產(chǎn)生雙倍的多普勒頻移f+2fd。通過公式得知在1.9 GHz時最大上行多普勒頻率偏移為1 232 Hz，下行多普勒頻率偏移為616 Hz，大的多普勒頻移引入了時變載波頻率偏移，使得采用多載波技術(shù)體制的上下行鏈路符號內(nèi)產(chǎn)生ICI，降低了系統(tǒng)性能。

其中εi,m=fd/Δf, ci為信道中帶多普勒頻移的一個常量即為萊斯信道中的LOS常量，ai, j(m,n)，lp=0,1,2……L-1為多徑散射路徑，服從瑞利分布。xi(m,n)和vi(m,n)分別為第一個子幀第m個OFDM/SC-FDMA符號第n個采樣點上的時域發(fā)送信號和AWGN。對該接收信號去循環(huán)保護前綴和進行FFT處理后，則得到的頻域信號為：

式中， 為第i個子幀第m個OFDM/SC-FDMA符號第k個子載波上的頻率發(fā)送信號， Ii(m,l)為多普勒頻偏和時變信道引起的干擾噪聲。Vi(m,l)頻域噪聲。其中Ii(m,l)可表示為：

公式（3）中， 是所使用的子載波序號的集合。公式（2）為時變信道引起的干擾噪聲。公式（3）中給出的干擾為多普勒頻偏引起的干擾，Xi(m,k)可以為OFDMA信號或SC-FDMA信號，兩種信道形式的區(qū)別是SC-FDMA符號在子載波映射前有個DFT變換。但是DFT變換前后并不改變信號總功率。因此對于OFDMA系統(tǒng)與SC-FDMA系統(tǒng)而言，多普勒頻偏這兩種傳輸系統(tǒng)引起的干擾是相同的。

經(jīng)過推導(dǎo)可以得到第i個子幀第m個OFDMA/SCFDMA符號周期上多普勒頻偏引起的干擾平均功率為：

2　合理站址布局克服車體高穿透損耗

高鐵列車車體不同的列車由于材質(zhì)以及速度上的差異，其對于無線信號的穿透損耗差別很大。高鐵列車安全性和屏蔽性決定其車體的穿透損耗大。列車損耗有兩個因素需要考慮：車體材料穿透損耗、不同的入射角對應(yīng)的不同的穿透損耗。

2.1 基站與軌道垂直距離

信號進入車廂時不同的入射角對應(yīng)不同穿透損耗：信號垂直入射進車體時的穿透損耗最小；基站的垂直位

p置距離鐵道較近時，覆蓋區(qū)邊緣信號進入車廂的入射角小，穿透損耗大。實際測試表明，當入射角小于10°以后，穿透損耗增加的斜率變大。

如圖2所示，實測表明：入射角10°為分水嶺，小于10°后穿透損耗急劇增加，大于10°穿透損耗變化的斜率相對平緩。例如入射角10°與入射角8.5°相比，入射角度雖只減少了1.5°，車體的穿透損耗卻增加了5 dB；入射角15°與入射角10°相比，入射角度雖減少了5°，但穿透損耗增加不足5 dB。

綜合考慮多普勒頻移和入射角對穿透損耗的影響，基站距離軌道的垂直距離100 m為宜。同時考慮高鐵網(wǎng)絡(luò)站間距以及與周邊宏網(wǎng)基站干擾問題，建議站點離鐵路距離不超過300 m。

2.2 合理站間距確保車內(nèi)無線信號覆蓋

高鐵覆蓋采用F頻段進行組網(wǎng)，根據(jù)高速鐵路頻率規(guī)劃的特點，本論文中采用COST-231傳播模型進行鏈路預(yù)算計算。COST-231 Hata模型適用于1 500 ～2 000 MHz的頻段，可以用于TD-SCDMA及TDLTE F頻段的路徑損耗預(yù)測。覆蓋能力計算如表1所示。

Pl(dB)=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+(44.9-6.55×lgH)×lgD+C。

PL為路徑損耗。

F為頻率，單位MHz（1 500～2 000 MHz）。

D為距離，單位km。

H為基站天線有效高度，單位m。

C為環(huán)境校正因子；取值：大城市中心（3 dB）；一般城區(qū)（0 dB）；郊區(qū)（-10 dB）；農(nóng)村（-18 dB）。

綜上分析，無線信號的水平入射角、垂直入射角、穿透損耗、基站離鐵軌的距離、小區(qū)覆蓋半徑等因素之間是存在聯(lián)系的。這種聯(lián)系可以理解為選址位置離鐵軌過近，則入射角變小，車體的穿透損耗變大，對應(yīng)基站覆蓋能力變?nèi)酰蝗绻x址位置離鐵軌過遠，則由于在高速鐵路這種特殊場景下，小區(qū)覆蓋范圍并不大，站址距離鐵軌過遠會使無線信號還沒有到達鐵軌附近，就已經(jīng)經(jīng)歷了較大的衰減，無法滿足列車內(nèi)終端的通話需求，另外較遠的位置也會使基站周邊區(qū)域的終端占用該基站資源的可能性增大，會影響高速列車內(nèi)的終端正常使用。

3　多CP組網(wǎng)方式克服小區(qū)間頻繁切換

從已開通的高鐵線路實測數(shù)據(jù)來看列車運行過程中在小區(qū)切換位置流量有明顯的掉溝，影響整體吞吐量。采用小區(qū)合并技術(shù)減少切換，降低同頻干擾。

高速鐵路覆蓋原則上采用專網(wǎng)方式，并通過精細規(guī)劃、精確建設(shè)保證專網(wǎng)信號在線路區(qū)域的主導(dǎo)地位。在高鐵低速運行且專網(wǎng)建設(shè)質(zhì)量難以保證的區(qū)域可以局部采用公網(wǎng)建設(shè)方式。利用單雙向鄰區(qū)關(guān)系，過渡帶小區(qū)設(shè)置，基于頻率優(yōu)先級的重選與切換，區(qū)分高、低速用戶的切換等手段實現(xiàn)良好的專網(wǎng)、公網(wǎng)協(xié)同覆蓋。在設(shè)備支持的情況下，采用6CP或12CP超級小區(qū)方式進行組網(wǎng)建設(shè)，增加終端在單個小區(qū)內(nèi)滯留時間，減少小區(qū)間切換次數(shù)，提升用戶體驗。

表1　單RRU雙天線覆蓋能力計算

圖2　不同入射角對應(yīng)不同的穿透損耗

4　開啟9:3:2特殊時隙配比，提升下載速率

TD-SCDMA配置UpPCH Shifting，TD-LTE的上下行配比2，特殊子幀配置6（9：3：2）可以和TD-SCDMA 2：4配比時隙對齊。

按照TD-LTE的特殊子幀6配置后，根據(jù)原理可能會對沒有UP偏移小區(qū)鄰頻的UP時隙和TS1時隙產(chǎn)生干擾，所以修改后統(tǒng)計沿線小區(qū)的UP干擾和TS1上行時隙平均干擾對比如圖3所示。

修改后各個小區(qū)的UP干擾情況基本沒有變化，波動在正常范圍內(nèi)，可以看出對UP干擾的影響幾乎沒有，如圖4所示。

統(tǒng)計沿線TD-LTE小區(qū)特殊子幀配比修改6前后的平均底噪對比來看，各個小區(qū)的平均低噪變化不大，屬于正常波動范圍。

業(yè)務(wù)子幀上下行配置為1:3，特殊子幀配置為3:9:2。開啟 9:3:2特殊時隙配比試驗后，理論計算業(yè)務(wù)下載速率提升10%～15%。

如表2所示，實測結(jié)果：開啟 9:3:2特殊時隙配比后整條客運專線的RSRP和SINR覆蓋無變化，整條客運線的業(yè)務(wù)下載速率提升11%。

5　總結(jié)

TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在高速移動環(huán)境下的應(yīng)用是本階段4G網(wǎng)絡(luò)建設(shè)中遇到的新問題，通過對TD-LTE技術(shù)特性進行分析，針對多普勒效應(yīng)、小區(qū)頻繁切換與重選、高穿透損耗等技術(shù)難題，提出了頻偏補償、基站布局及組網(wǎng)方式等應(yīng)對措施；并在高鐵專網(wǎng)測試中開啟9:3:2特殊時隙配比，提升業(yè)務(wù)下載速率。

參考文獻

[1]趙旭松，濮偉心，王星. 高速移動環(huán)境下TDSCDMA系統(tǒng)組網(wǎng)方案研究[J]. 電信工程技術(shù)與標準化, 2008(30):54-59.

[2]沈嘉，索士強，全海洋，等. 3GPP長期演進(LTE)技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計[M]. 北京：人民郵電出版社，2008.

表2　測試結(jié)果

圖3　修改后TD-SCDMA各小區(qū)平均UP干擾對比

圖4　修改后TD-LTE小區(qū)平均NI底噪對比

收稿日期：2014-08-28

文章編號1008-5599（2015）02-0025-05

文獻標識碼A

中圖分類號TN929.5