高鐵4G專網優化策略及方案

李宗璋 ，石志同 ，王玉玲 ，袁鯤 ，王治國 ，張新超

（1.中國移動通信集團山東有限公司，山東 濟南250004；2.山東建筑大學，山東 濟南 250101）

高鐵4G專網優化策略及方案

李宗璋1，石志同1，王玉玲2，袁鯤1，王治國1，張新超1

（1.中國移動通信集團山東有限公司，山東 濟南250004；2.山東建筑大學，山東 濟南 250101）

隨著LTE數據業務量的持續增長和VoLTE用戶數的逐步增加，用戶對業務的感知需求也越來越高，高鐵專網優化面臨諸多挑戰。中國移動通信集團山東有限公司 （以下簡稱山東移動）從高鐵雙層網部署、高鐵VoLTE優化、公專網交界協同優化、新功能發掘部署4個維度，探索出一套契合高鐵現網需求、可落地執行的解決方案。方案實施后，高鐵專網測試VoLTE覆蓋率從87.95%提升至91.66%，MOS值由3.6提升到4，MOS大于3.0的占比由89.61%提升到96.70%。

高鐵；LTE；VoLTE；用戶感知

1 引言

隨著LTE數據業務量的持續增長和VoLTE（voice over LTE）用戶數的逐步增加，用戶對業務的感知需求也越來越高，特別是在高鐵場景下，由于車損大且高速運行，高鐵專網優化面臨諸多挑戰，對當前優化工作提出了更高的要求。基于此，中國移動通信集團山東有限公司（以下簡稱山東移動）從當前高鐵VoLTE業務面臨的主要問題和挑戰出發，積極探索契合高鐵現網需求的4G網絡優化策略，并最終形成可落地執行的解決方案。

2 主要挑戰

（1）LTE業務增長導致容量不足

隨著4G網絡建設的日趨完善，4G用戶越來越多，由此帶來的業務增長使得LTE網絡容量越發受到關注。尤其是在高鐵場景下，由于大量用戶短時間內同時處于一個相對封閉的環境中，LTE網絡更容易遭受到大話務的沖擊，嚴重時甚至導致網絡擁塞，對網絡性能和用戶感知造成很大的影響。

（2）高鐵VoLTE業務優化要求高

VoLTE是將語音業務承載于4G網絡上，可實現數據與語音業務在同一網絡下的統一。VoLTE技術為用戶帶來更低的接入時延，更高質量、更自然的音/視頻通話效果。同時，由于VoLTE業務特點在傳輸時延、網絡質量、用戶感知等方面提出了更高的要求，需要在語音質量、網絡覆蓋、容量以及資源占用率等方面進行重點研究分析，探討出切實可行的優化方法。

（3）公專網協同優化難度大

高鐵車體損耗大且高速運行會導致LTE網絡覆蓋變差、切換重選頻繁等諸多問題，高鐵專網的建設應運而生。它屬于封閉性連續覆蓋專網，在很大程度上保證了LTE信號覆蓋強度，降低了高鐵高速移動帶來的網絡問題，但同時因為高鐵會穿越市區、郊區、農村、站臺等很多場景，這也直接導致了高鐵專網和公網之間會產生交互，因此必須進行分場景的公專網協同優化，才能更好地保障網絡的整體性能和質量。

3 優化策略

為了更好地解決目前高鐵專網存在的技術難題，提升用戶感知，山東移動從高鐵雙層網部署、高鐵專網VoLTE優化、公專網交界協同優化、新功能發掘部署4個維度，探索出一套契合高鐵現網需求的優化策略，具體如下。

3.1 高鐵雙層組網策略

高鐵專網目前可采用的雙層組網方式主要有兩種，分別為D+F組網和F1+F2組網，前者適合沿線用戶數較多或者站間距較小的地市，而后者則適合在D頻段不連續的情況下，作為一個過渡方案。具體而言，D頻段比F頻段的覆蓋差，站間距需求較高，建議站間距在600～700 m內或者小區最大用戶數超過600戶的地市使用D+F組網，例如京滬高鐵濟南段；而F2頻段與F1頻段有著相近的覆蓋水平，在沿線用戶較少的時候可以作為一個過渡方案，建議小區最大用戶數低于600戶的地市使用F1+F2組網，例如青榮高鐵威海段。兩種高鐵組網方式的優劣勢比較如圖1所示。

3.2 高鐵專網VoLTE優化策略

依據VoLTE業務特性可知，其對網絡質量、時延等方面要求很高，直接關系到用戶感知。基于此，山東移動根據業務類型將VoLTE業務優先承載到F頻段上，實現業務分層。將F頻段作為VoLTE專用層，主要吸收VoLTE業務，負荷達到一定門限之后開啟連接態的均衡，實現同覆蓋場景下D+F的業務均衡。同時將D頻段作為容量層，主要吸收數據業務，開啟基于業務的異頻切換，使D頻段上QCI=1/2的VoLTE業務發起異頻切換到F頻段，高鐵場景D+F異頻互操作策略如圖2所示。

圖1 兩種高鐵組網方式優劣勢比較

圖2 高鐵場景D+F異頻互操作策略示意

考慮到高鐵沿線VoLTE業務的連續性，山東移動重點采用了高鐵沿線切換帶優化策略和eSRVCC優化策略，同時針對車站區域VoLTE業務迅猛增長的特點，制定了相應大話務的優化策略，以最大程度地保障用戶VoLTE業務感知。

3.3 公專網交界協同優化策略

由于高鐵的運行可能會涉及城區、郊區、車站等多個場景，高鐵通信網絡雖然作為一個專網建設，但也不能完全獨立存在，而必須充分考慮到上述不同場景下專網與公網之間的交互，進行公專網協同優化，否則將會直接影響網絡整體性能和質量。

目前采用的協同優化策略主要為：車站場景的公專網協同優化，即車站內采用室分覆蓋小區+過渡小區覆蓋的方式，保證在候車廳內要乘坐高鐵的用戶都能夠進入高鐵專網；公專網異廠商優化策略，即當異廠商D+F組網時，需要對齊幀偏置設置，否則會引起較大的TDD系統內干擾，直接影響正常業務的使用；另外還在公專網交界地帶使用同頻干擾優化策略和增強版公網低速用戶遷出策略。

3.4 新功能發掘部署策略

為了更好地提升VoLTE用戶的體驗感知，在加強網絡覆蓋、改善網絡質量的同時，山東移動也積極地發掘能夠提升VoLTE業務性能的新算法和功能。經過充分的研究驗證，目前可采用的新功能主要涉及以下3個方面：AMRC編碼自適應功能、下行預糾偏機制以及視頻業務自適應調速功能。

4 解決方案

4.1 F+D和F1+F2組網方案

針對高鐵雙層組網策略，主要采取的方案有D+F、F1+F2兩種，針對這兩種方案，山東移動分別從覆蓋、鄰區、互操作方面進行了評估對比。

4.1.1 覆蓋評估對比

（1）F頻段和D頻段覆蓋對比概況

通過對高鐵D+F組網RSRP電平強度分析，F頻段、D頻段RSRP采樣點占比對比情況如圖3所示。D頻段-100 dBm以下的RSRP采樣點占比較F頻段高16.25%，D頻段的覆蓋明顯不足，如在F頻段站點上開啟D頻段進行專網覆蓋，會造成D頻段無法連續覆蓋現象。

（2）F1和F2頻段覆蓋對比概況

通過高鐵F1+F2組網RSRP電平強度分析，F1、F2頻點RSRP采樣點占比對比情況如圖4所示。F2頻點-100 dBm以下的RSRP采樣點占比較F1頻點高4.39%，兩頻點覆蓋能力差異較小，F2頻段的覆蓋相對連續。

4.1.2 鄰區規劃策略對比

高鐵鄰區規劃整體策略是以相鄰、同頻鄰區配置為基礎，添加同覆蓋和相鄰異頻的鄰區；配置公網背向高鐵小區的異頻鄰區，并合理添加公網小區入黑名單，防止公網終端誤入高鐵專網拖死。

（1）D+F 鄰區規劃

圖3 高鐵F、D頻段RSRP采樣點占比對比情況

圖4 高鐵F1、F2頻段RSRP采樣點占比對比情況

D+F組網模式下，F頻段需添加D頻段兩側鄰區和本站同覆蓋的D頻段鄰區，D頻段也需要配置F頻段兩側鄰區和本站同覆蓋的D頻段鄰區，從而保證用戶在D頻段或者F頻段覆蓋較差的位置可以及時切換至另外一個覆蓋較好的異頻鄰區，F頻段、D頻段間異頻鄰區配置要求如圖5所示。

圖5 F、D頻段間異頻鄰區配置要求示意

（2）F1+F2 鄰區規劃

F1+F2組網模式下，F1頻段需添加本站同覆蓋和兩側的F2頻段鄰區，F2頻段需添加本站同覆蓋和兩側的F1頻段鄰區，從而保證用戶在F1頻段或者F2頻段覆蓋較差的點可以及時切換至另外一個覆蓋較好的異頻鄰區，F1、F2頻段異頻鄰區配置要求如圖6所示。

圖6 F1、F2頻段間異頻鄰區配置要求示意

4.1.3 互操作策略對比

在D+F、F1+F2的異頻互操作策略方面，主要是通過合理配置空閑態重選和連接態切換參數，從而確保高鐵用戶的良好體驗。

（1）空閑態重選策略

D+F組網：D頻段的優先級高于F頻段，在D頻段和F頻段同覆蓋的區域，優先重選到D頻段，如圖7所示。通過重選來部分實現用戶數和業務的均衡；D頻段邊緣用戶信號變差時可以及時重選到信號較好的F頻段。

圖7 F頻段優先重選到D頻段

F1+F2組網：F2頻段優先級高于F1，在F1和F2同覆蓋的區域，優先重選到F2頻段，如圖8所示。通過重選來部分實現用戶數均衡，從而減輕F1頻段駐留壓力；F2頻段邊緣用戶信號變差時，可以及時重選到信號較好的F1頻段。

圖8 F1頻段優先重選到F2頻段

（2）連接態切換策略

D+F組網：F→D采用A4事件，需降低F頻段的A2門限（-109 dBm左右），避免F頻段覆蓋良好的情況下，從F頻段向D頻段的切換，同時對D頻段的電平要求要適當高些，避免從D頻段乒乓切回F頻段；D→F采用A3事件，D頻段的A2門限盡量低（-112 dBm左右），延長讓用戶駐留在D頻段的時間，同時也能夠在D頻段不連續的時候，返回F頻段，如圖9所示。因高鐵速度較快，D頻段的A2門限設置需根據用戶數進行適當的修正，防止用戶積壓在切換帶導致指標下降。

圖9 F、D頻段間異頻切換策略

F1+F2組網：F2→F1采用 A3事件，F2頻段的 A2門限（-98 dBm左右），連接態優先占用 F1；F1→F2采用 A3事件，F1的A2門限盡量低（-103 dBm左右），延長業務態用戶駐留在F1頻段的時間，并且能夠在F1不連續的時候，切換到F2頻段，如圖10所示。因高鐵速度較快，F1的A2門限設置需根據用戶數進行適當的修正，防止用戶積壓在切換帶，導致指標下降。

4.2 高鐵VoLTE業務的優化方案

4.2.1 基于VoLTE業務的異頻切換方案

該方案的主要目的是根據業務類型將VoLTE業務優先承載到F1頻段上，實現業務分層，從而有效提升VoLTE用戶在高鐵上的感知。

圖10 F1、F2頻段間異頻切換策略

4.2.2 VoLTE切換帶優化方案

合理的重疊覆蓋區域規劃是實現VoLTE業務連續的基礎，重疊覆蓋區域過小，在切換帶會出現弱覆蓋，導致切換失敗；過大會導致干擾增加，影響VoLTE用戶業務感知。

（1）切換帶規劃原則

考慮單次切換時，重疊距離=2×(電平遲滯對應距離+切換觸發時間對應距離+切換執行距離)。根據計算驗證，高鐵小區重疊覆蓋距離建議在300 m，如圖11所示。

圖11 高鐵切換帶規劃原則

（2）切換帶優化研究

通過多輪數據分析，如圖12所示，在RSRP低于-110 dBm的情況下，切換帶SINR值較非切換帶SINR值低7 dB；在RSRP高于-95 dBm的情況下，切換帶SINR值比非切換帶SINR值小4 dB。

同時通過分析發現，切換帶重疊覆蓋區域過大，重疊區域會出現干擾，導致MOS值低；切換帶重疊覆蓋區域過小，切換期間會出現弱覆蓋問題。

4.2.3 eSRVCC優化方案

（1）eSRVCC 場景介紹

如圖13所示，eSRVCC是指當VoLTE業務從LTE覆蓋區域移動到無LTE覆蓋區域，將語音業務從LTE切換到2G/3G網絡，該功能是保障高鐵VoLTE用戶在高鐵專網弱覆蓋區域（缺站、站點故障）業務連續的重要手段。通過合理配置LTE小區到GSM的鄰區，能夠有效避免VoLTE用戶業務掉話，提升用戶感知。eSRVCC后，用戶通過終端自主FR（fast return，快速回退）、2G→4G重選或者網絡FR返回LTE網絡。

圖12 高鐵切換帶RSRP、SINR曲線

圖13 eSRVCC示意

（2）eSRVCC 優化關鍵點

首先確保LTE側和GSM側相關開關都已打開，高鐵LTE專網小區配置GSM專網小區為鄰區，配置時不僅要配置同站2G小區，還需配置周圍的2G專網小區，并保證GSM小區信息的準確性，如圖14所示。由于高鐵車速較快，快衰落場景也較多，在LTE覆蓋較差的路段，適當減少異系統A1/A2事件時間遲滯，并提升GERAN切換B2 RSRP門限，讓eSRVCC及時發生，避免切換不及時而導致的掉話，進而影響用戶通話感知。

圖14 eSRVCC鄰區配置原則

4.2.4 車站大話務VoLTE優化方案

隨著VoLTE業務逐步的推廣，在高鐵車站發現VoLTE業務上行分組丟失嚴重的現象，其主要原因為基站開啟DRX長時間無調度、上行CCE資源不足等，已通過關閉 QCI 1（QoS class identifier，QoS 等級標識，其中，QCI 1專門承載VoLTE業務）的DRX開關和增加上行CCE預留資源解決。

（1）基站開啟DRX長時間無調度

當終端上報BSR不為0時，需基站主動調度，但實際未調度。分析發現，BSR 320 ms定時器超時后才會重新發送SR請求基站資源，而此時終端已進入DRX態。已通過關閉QCI 1的DRX開關來規避。

（2）上行CCE資源不足

針對車站小區上行分組丟失率高的問題，分析基站側數據，發現存在連續的上行調度失敗，失敗原因為上行CCE資源不足，可通過圖15所示步驟解決此類問題。

4.2.5 基于VoLTE的用戶感知提升方案

（1）AMRC編碼自適應算法

在連續覆蓋的情況下，VoLTE的MOS值較為穩定，但在隧道、邏輯站間切換帶時隨著信號衰減，VoLTE的MOS值在小區邊緣明顯下降，如圖16所示。可在高鐵場景部署AMRC自適應編碼功能，改善切換帶、隧道等信號較弱區域的語音感知。

語音速率控制特性根據上行信道質量和語音質量，對上行語音業務進行AMR-NB/AMRWB速率調整。當上行信道質量和語音質量較好時采用高語音編碼速率，進一步提升語音質量；較差時采用低語音編碼速率，降低上行分組丟失率，提升上行語音覆蓋。

（2）下行預糾偏機制

多普勒頻移一直影響著高速移動場景下的移動通信系統。假設上下行頻率都為f0，從圖17可知，當UE遠離基站時候會產生一個-fd的頻偏，即UE的工作頻率為f0-fd，因此上行發射頻率為f0-fd。在上行接收端，由于UE遠離基站帶來-fd的頻偏，可知此時基站接收到的頻率為（f0-fd）-fd=f0-2fd。

同理，UE接近基站時候會產生一個fd的頻偏，基站接收到頻率為f0+2fd。因為多普勒頻移的存在，導致基站和手機相干解調性能降低。

在小區合并下不同扇區的交疊重合區域如圖18所示，UE接收到的兩個扇區信號間存在一正一反兩個較大頻偏，從而影響終端解調，導致終端性能下降。下行預糾偏方案開啟后，基站根據小區上行頻偏量，對兩相鄰扇區下行數據分別進行一定程度的預糾偏，從而減少抱桿間用戶的頻偏量，進而提升這類用戶的下行速率和用戶體驗。

圖15 上行CCE資源不足問題處理步驟

圖16 高鐵AMRC適用場景

圖17 多普勒頻偏示意

圖18 下行預糾偏方案應用場景

（3）視頻業務自適應調速

如圖19所示，視頻業務自適應調速方案是借助核心網或第三方業務感知設備，對視頻業務或下載業務進行分類識別，將識別結果通過用戶報文的DSCP攜帶，eNode B解析用戶報文的DSCP，并根據配置的業務類型 （視頻業務、下載業務或其他業務）對視頻或下載業務做相應的QoS保障。

4.3 公專網協同優化方案

4.3.1 車站場景的公專網協同方案

室分小區覆蓋小區為覆蓋火車站室分（候車廳、售票廳等）的主要小區，大部分用戶占用該小區，因此應該保證其容量能夠滿足車站用戶需求。

過渡小區即室分用戶進入專網的過渡小區，可以覆蓋部分室分區域（候車廳），但是必須保證候車廳用戶進入高鐵列車時占用該過渡小區，從而進入高鐵專網。

4.3.2 公專網異廠商優化方案

如圖 20所示，由于 TD-LTE（以下簡稱 TDL）需要與TD-SCDMA（以下簡稱TDS）系統對齊，因此需在TDL側設置幀偏置，隨著公網和專網多載波的開啟，不可避免在站臺等區域存在部分同頻的情況，公轉網同頻需要對齊幀偏置設置，否則會引起較大的TDD系統內干擾，直接影響正常業務使用。對于TDD系統而言，為了避免上下行的交叉干擾，各廠商各制式的TDD系統基于GPS時鐘實現時鐘同步。通過沿線全部核查，排除因幀對齊導致的干擾問題。

4.3.3 公專網交界同頻干擾核查方案

前期3條高鐵沿線已針對F頻段進行了頻點隔離帶，即替換周邊F頻段為D頻段，但隨著第2頻點擴容和公網新建站的增多，需進一步開展公專網的同頻干擾核查。

以京滬高鐵濟南段為例，公網對專網的同頻干擾核查結果如圖21所示。

基站LFZ016243H_長清長灣距離高鐵最近為2.5 km，占用頻點為38 400個，與高鐵同頻。現高鐵F1頻段3 km內同頻小區為45個，牽涉19個基站；D2頻段按相同方法核查，D2頻段高鐵沿線3 km內同頻小區為161個，牽涉117個基站。

4.3.4 增強版公網低速用戶遷出方案

如圖22所示，當高鐵專用網絡穿過城市或郊區時，為了讓高速專用網絡不被公網用戶占用，需要將進入高鐵專用網絡的非VoLTE低速用戶、公網用戶遷出到公網中。前期版本的效果不明顯，通過修改遷出周期和增大遷出用戶數，有效降低了小區負荷壓力。

4.4 優化效果展示

圖19 視頻業務自適應調速方案示意

圖20 TDS與TDL系統共存幀偏置要求

山東移動4G專網優化策略及方案在高鐵雙層網應用后效果明顯：D頻段占用比例從10.72%下降至0.25%，VoLTE覆蓋率從 87.95%提升至91.66%，MOS值由3.6提升到4，MOS值大于3.0占比由89.61%升到96.70%，提升7.09%，如圖23所示。

圖21 京滬高鐵公專網同頻干擾核查情況

圖22 公網低速用戶遷出方案示意

VoLTE SINR從12.37提升至14.55，改善占比為17.62%；高干擾采樣點占比從5.72%到3.61%，改善占比為36.89%，如圖24所示。

VoLTE全程呼叫成功率從96.33%提升98.91%，eSRVCC切換成功率從97.86%提升至99.67%，如圖25所示。

增強低速用戶遷出算法開啟后，高鐵小區峰值用戶數從300個降低到180個，降低了高鐵小區的負荷壓力，如圖26所示。

圖23 VoLTE覆蓋率、MOS值提升情況

圖24 VoLTE SINR及高干擾采樣點占比提升情況

圖25 VoLTE全程呼叫成功率及eSRVCC切換成功率提升情況

圖26 低速遷出開啟前后小區內用戶數變化情況

5 結束語

山東移動基于現有山東高鐵LTE網絡現狀，從高鐵雙層網部署、高鐵VoLTE優化、公專網交界協同優化、新功能發掘部署4個維度，積極探索，開拓出創新，總結出一套契合高鐵現網需求的優化方案。在現網落地后，也取得了良好的效果，覆蓋率、SINR等基礎指標以及VoLTE MOS值等業務感知指標均有明顯提升。與此同時，隨著高速鐵路的快速建設和4G終端尤其是VoLTE終端的快速普及，高鐵將面臨更為嚴峻的覆蓋與容量形勢，后續需從多層網覆蓋演進、頻點使用策略、全業務分層探索、容量需求保障等多個維度，進一步探索高鐵優化方案。

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Optimization strategy and solution of 4G high-speed rail network

LI Zongzhang1,SHI Zhitong1,WANG Yuling2,YUAN Kun1,WANG Zhiguo1,ZHANG Xinchao1
1.China Mobile Group Shandong Co.,Ltd.,Jinan 250004,China 2.Shandong Jianzhu University,Jinan 250101,China

With the development of LTE data and VoLTE services,subscribers pay more and more attention to network experience.LTE optimization faces many challenges.Therefore,China Mobile Shandong Corporation made a complete and feasibility solution,which met the requirement of high-speed scene optimization.There were four dimensions in this solution:double layers network deployment,VoLTE optimization of high-speed rail,coordinating optimization in the boundary of high-speed network and normal LTE network,and the exploration and deployment of new functions.After the implementation of the solution,VoLTE coverage rate increases from 87.95%to 91.66%,MOS value upgrades from 3.6 to 4,the ratio of MOS value greater than 3.0 rised from 89.61%to 96.70%.

high-speed rail,LTE,VoLTE,user perception

The National Natural Science Foundation of China(No.61503219)

TN929.53

A

10.11959/j.issn.1000-0801.2016189

2016-06-03；

2016-07-08

國家自然科學基金資助項目(No.61503219)

李 宗 璋 （1990-），男 ，現 就 職 于 中 國 移 動 通信集團山東有限公司，主要負責集中測試分析、交通干線優化等工作。

石志同（1982-），男，現就職于中國移動通信集團山東有限公司，主要負責2G/3G/4G網絡優化工作。

王玉玲（1982-），女，博士，現就職于山東建筑大學，主要研究方向為污染探測、信號處理、無線網絡。

袁鯤（1983-），男，現就職于中國移動通信集團山東有限公司，主要負責集中測試分析、交通干線優化等工作。

王治國（1978-），男，中國移動通信集團山東有限公司網絡部室經理，主要負責無線優化管理工作。

張新超（1986-），男，現就職于中國移動通信集團山東有限公司，主要負責網絡質量管理、電信大數據分析等工作。