TD-LTE網絡高鐵覆蓋及組網的探討

韋鍇

【摘要】 隨著中國高速鐵路蓬勃發展，高鐵成為了人們出行的首選方式。TD-LTE的高鐵覆蓋問題成為了需要中國移動公司重點解決的問題，本文對TD-LTE高鐵覆蓋面臨的問題進行分析，探討高鐵覆蓋網絡的站址規劃和組網方案等，為TD-LTE高鐵覆蓋建設提供理論依據。

【關鍵詞】 TD-LTE 高鐵 覆蓋 組網

原鐵道部頒布的《中長期鐵路網規劃（2008年調整）》中明確指出：到2020年建設客運專線1.6萬公里以上，形成“四橫四縱”以及經濟發達和人口稠密地區城際客運系統。高鐵已經成為人們首選的出行方式。設計時速250公里/小時以上，如何對高鐵進行有效、全面的覆蓋成為了各運營商角逐的熱點。本文對設計時速為300公里/小時的高鐵覆蓋進行討論。

一、關鍵問題分析

在高鐵特殊場景下移動通信系統將面臨大穿透損耗、多普勒頻移以及頻繁的切換等方面挑戰。

1.1穿透損耗大

國產新型高鐵列車多數采用鋁合金材料作為車身材質，TD-LTE網絡F頻段在不同車型材質的穿透損耗見表1所示：

目前我國高鐵多數采用CRH3車型，該車型車身采用鋁合金材質，穿透損耗為29dB。實際測試表明，信號入射方向和列車行駛方向的夾角（以下稱：掠射角）越小列車的穿透損耗越大。當掠射角小于10°時，列車車廂穿透損耗比30°時將額外增加10dB以上，當掠射角小于5°時，列車車廂穿透損耗比30°時將額外增加15dB以上。所以在進行站址規劃時，建議掠射角不小于10°。

1.2多普勒頻移影響

隨著車速的提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯，多普勒頻移會導致基站和手機的相干解調性能降低，直接影響到小區選擇、小區重選、切換等性能。目前高速鐵路列車基本都采用300Km/h車速運營，在此速度下，多普勒最大頻移為：

Fd=f0×v/C=（1.9×109）×（300×103/3600）/（3×108）=528Hz

TD-LTE系統子載波頻率間隔為15KHz，高鐵正常運營時的下行頻移為子載波頻率間隔的3.5%，上行頻移為子載波頻率間隔的7%，為了保證數據業務的速率，目前各廠家針對多普勒頻移現象都已經開發了自動頻偏矯正軟件功能。

1.3頻繁的切換

由于高鐵的運行速度高，列車在高速運動時穿過多個小區覆蓋范圍下，將會引起頻繁的切換，進而影響整個網絡的性能。列車以300Km/h的速度運行時，通過一個小區覆蓋區域的時間約為5.8秒鐘，其中用于切換的時間約為2.3秒。如何能避免頻繁的切換，將是保證TD-LTE網絡質量的關鍵。

二、TD-LTE無線網絡規劃探討

2.1單小區覆蓋半徑

高鐵覆蓋采用F頻段進行組網。根據高速鐵路無線傳播場景，本文采用COST-231 Hate傳播模型進行鏈路預算。COST-231 Hate模型適用于1500MHz至2000MHz的頻段，可用于TD-LTE網絡F頻段組網時的路徑損耗預測。公式如下：

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

Ploss為路徑損耗；

F為頻率，單位MHz（1500MHz～2000MHz）；

H為天線的有效高度，單位m；

D為基站和移動臺之間的距離，單位Km；

C為環境校正因子，取值：大城市中心（3dB）；一般城區（0dB）；郊區（-10dB）；農村（-18dB）。

高鐵TD-LTE基站采用單RRU單天線F頻段組網，天線相對高度20米，農村場景下單小區覆蓋能力測算見表2所示。

在無線網絡規劃和建設過程中要充分考慮2G/3G/4G基站的協同布置。在相同無線環境下，TD-LTE基站的覆蓋能力最弱，所以在規劃時定義小區覆蓋半徑為表2中測算得到的483米。

2.2重疊覆蓋區設置

由于單個基站覆蓋面積有限，用戶在移動過程中勢必會發生切換，為了良好的用戶體驗，在相鄰小區間必須要做好重疊覆蓋區。

合理的重疊覆蓋區規劃是保證業務連續的基礎。重疊覆蓋區過小會導致切換失敗，重疊覆蓋區過大會導致嚴重的鄰區干擾。TD-LTE系統終端切換主要有兩個過程，即切換過渡區和切換區。

如下圖所示，A區為切換過渡區，終端需要檢測到信號滿足2dB的切換電平遲滯所需要的距離。根據鏈路預算得到該距離為67米。切換區又可分為B終端檢測上報距離、C切換遲滯時間距離、C切換執行距離。其中終端檢測上報需要200ms；切換遲滯時間需要128ms；切換執行需要50ms。按照高鐵300Km/h的速度計算，重疊覆蓋區域為198米。

小區覆蓋半徑為483米，重疊覆蓋區為198米，則站間距為768米，做出適當預留，建議覆蓋高鐵的站間距設定為750米。

2.3站址布局

在高速鐵路轉彎處，基站應盡量布置在彎道內側，如下圖enodeb A基站所示，這樣有助于增大掠射角，既能減小穿透損耗，又能減少了多普勒頻偏影響。

此外，相鄰的基站應盡量布置在鐵路的兩側，使整個網絡形成“之”字形組網。這樣增加了相鄰小區的重疊覆蓋區域，保證網絡質量。

由于掠射角過小會導致穿透損耗的增大，所以建議掠射角不要小于10°，根據小區覆蓋半徑得到基站距鐵軌的最小距離應為85米?；揪噼F軌的距離也不能太遠，超過120米將會影響覆蓋效果。所以建議基站距鐵軌的距離在85米至120米之間。

2.4多RRU合并技術

為了避免頻繁的切換，提高網絡品質。在高鐵規劃設計當中需要考慮采用多RRU小區合并技術來對抗頻繁切換，從而提高高鐵的TD-LTE網絡覆蓋性能。小區合并技術將部分RRU之間的切換由站間切換變為站內協作，有效減少了切換次數，提高了網絡性能。

目前廠家最多支持12個RRU合并為一個小區。以10個RRU合并為例，合并后單小區覆蓋半徑由483米增大到4830米，列車全速通過時間為58秒。大大減少了切換次數，提升了網絡質量。

2.5專網鄰區配置

在高鐵線路沿線采用多RRU合并技術，形成狹長形狀的覆蓋小區對高鐵進行覆蓋，而整個TD-LTE網絡普遍采用的是蜂窩式組網結構。

因此建議高鐵的覆蓋采用專網的形式進行建設，用于覆蓋高鐵的基站不和公網配置切換關系。只有在車站配置和公網的切換關系。這樣除車站等專網出入口外與公網實現切換完全隔離。

三、結束語

合理的站址規劃、無線設備自動頻率校正功能和多RRU合并技術能夠有效地解決高鐵場景下TD-LTE無線組網面臨的穿透損耗大、多普勒頻移和頻繁切換的問題。希望本文討論的結論能夠給目前正在進行的高鐵覆蓋項目提供幫助。

參 考 文 獻

[1]劉方森，李壽鵬，李方村，楊傳祥. TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試. 《電信工程技術與標準化》2015年第2期.

[2]蔣遠，湯利民.《TD-LTE原理與網絡規劃設計》.北京.人民郵電出版社2012.