高速軌道交通TD—LTE覆蓋解決方案

羅康其++鄭國(guó)莘

【摘 要】為了解決TD-LTE在高速軌道場(chǎng)景中的覆蓋問題，通過研究TD-LTE在高速軌道場(chǎng)景下的組網(wǎng)方式、鏈路預(yù)算以及天線的選型，提出了TD-LTE在高速軌道沿線的站間距設(shè)置及在高速軌道不同隧道場(chǎng)景下的覆蓋解決方案，從而應(yīng)用到不同高速軌道場(chǎng)景下的覆蓋中。

【關(guān)鍵詞】高速軌道交通 TD-LTE 組網(wǎng)方式 鏈路預(yù)算

1 引言

軌道覆蓋中，除了需要重點(diǎn)關(guān)注隧道、橋梁等特殊場(chǎng)景外，對(duì)于時(shí)速超過200 km的高速鐵路，實(shí)現(xiàn)良好的TD-LTE業(yè)務(wù)體驗(yàn)也是一大挑戰(zhàn)。目前，全球運(yùn)營(yíng)的高速鐵路最高運(yùn)營(yíng)時(shí)速約為200～350 km/h，為了吸引客戶，體現(xiàn)技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)，運(yùn)營(yíng)商對(duì)高速軌道交通也提出了連續(xù)覆蓋需求。文獻(xiàn)[1]分析了高速鐵路場(chǎng)景下宏蜂窩專網(wǎng)覆蓋及性能；文獻(xiàn)[2]探討高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)的站址規(guī)劃和組網(wǎng)方案等；文獻(xiàn)[3]提出了TD-LTE高鐵規(guī)劃對(duì)未來高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋具有重要的指導(dǎo)意義；文獻(xiàn)[4]分析了車體穿透損耗、多普勒效應(yīng)等因素對(duì)高鐵覆蓋的具體影響；文獻(xiàn)[5]介紹了TD-LTE與2G和3G網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算的差異；文獻(xiàn)[6]分析了TD-LTE容量問題，初步提出TD-LTE組網(wǎng)建議；文獻(xiàn)[7]提出TD-LTE在高鐵環(huán)境下的主要問題；文獻(xiàn)[8]介紹了TD-SCDMA在上海磁懸浮的解決方案及仿真；文獻(xiàn)[9]探討了TD-LTE的演進(jìn)和發(fā)展前景；文獻(xiàn)[10]從LTE覆蓋、參數(shù)、組網(wǎng)方面進(jìn)行分析，并提出覆蓋優(yōu)化方案；文獻(xiàn)[11]分析了TD-LTE在高鐵場(chǎng)景下站間距的確定。而在各種復(fù)雜的場(chǎng)景下的鏈路預(yù)算過程及基站站間距的布局上，仍沒有詳細(xì)的文獻(xiàn)報(bào)道。

因此，本文將分析高速軌道交通下的TD-LTE組網(wǎng)、天線選型以及鏈路預(yù)算等問題，對(duì)TD-LTE在高速軌道不同場(chǎng)景下的覆蓋方案進(jìn)行研究。

2 軌道場(chǎng)景TD-LTE組網(wǎng)方式

根據(jù)軌道場(chǎng)景的特點(diǎn)，從規(guī)劃組網(wǎng)的角度考慮減少切換以及多普勒頻偏對(duì)網(wǎng)絡(luò)性能的影響，同時(shí)需要考慮與周邊宏網(wǎng)絡(luò)的融合，所以在設(shè)計(jì)小區(qū)覆蓋時(shí)要求呈現(xiàn)帶狀，小區(qū)與小區(qū)之間呈鏈形結(jié)構(gòu)。根據(jù)此特點(diǎn)，通常要求站點(diǎn)距離鐵路近一些，采用窄波瓣高增益的天線覆蓋。

考慮到列車穿越的地區(qū)較多，地形多變，站址選擇困難，多采用BBU+RRU光纖拉遠(yuǎn)型的分布式基站進(jìn)行覆蓋。每個(gè)RRU與一個(gè)雙極化的定向高增益天線相連，分別覆蓋兩側(cè)的鐵路。每個(gè)RRU可稱為一個(gè)子站，為節(jié)省站址資源，子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。

高鐵速度較快，頻繁的切換會(huì)帶來通信的效率降低，因此宜采用以下兩種方法減少切換次數(shù)。

（1）SFN（Single Frequency Network，單頻網(wǎng)）組網(wǎng)

SFN是將多個(gè)RRU合并為一個(gè)邏輯小區(qū)，相比普通情況下每個(gè)RRU各自為一個(gè)小區(qū)的組網(wǎng)方式，SFN小區(qū)內(nèi)各RRU控制信道沒有干擾，反而可以通過聯(lián)合收發(fā)獲得增益。SFN組網(wǎng)要求每個(gè)RRU都分別和BBU連接。

（2）RRU級(jí)聯(lián)組網(wǎng)

RRU級(jí)聯(lián)組網(wǎng)是將多個(gè)RRU級(jí)聯(lián)成一個(gè)邏輯小區(qū)，RRU之間通過光纖級(jí)聯(lián)，只有靠近BBU的一個(gè)RRU和BBU連接。

SFN和多RRU共小區(qū)組網(wǎng)技術(shù)極大地拓寬了單小區(qū)的覆蓋范圍，不同子站之間不再需要切換，以1個(gè)BBU配置6個(gè)子站共小區(qū)為例，通過共小區(qū)組網(wǎng)形成連續(xù)覆蓋區(qū)域，移動(dòng)臺(tái)在穿越該覆蓋區(qū)域時(shí)只發(fā)生入小區(qū)切換和出小區(qū)2次切換，而之前每個(gè)子站獨(dú)立小區(qū)，覆蓋時(shí)整個(gè)區(qū)域內(nèi)將發(fā)生7次切換。可見，SFN和多RRU共小區(qū)組網(wǎng)有效減少了切換，在6個(gè)子站共小區(qū)組網(wǎng)時(shí)，覆蓋區(qū)域的切換次數(shù)減少71.43%，同時(shí)由于切換區(qū)域都需要規(guī)劃相應(yīng)的重疊區(qū)域保證切換，而SFN或者RRU級(jí)聯(lián)組網(wǎng)的同一個(gè)小區(qū)的RRU之間不需要預(yù)留重疊區(qū)作為切換帶，因此采用6個(gè)子站共小區(qū)時(shí)，切換重疊區(qū)域也減少了71.43%，有效提升了覆蓋效率，從而保證了整個(gè)覆蓋的切換成功率和服務(wù)質(zhì)量。

多RRU共小區(qū)組網(wǎng)與傳統(tǒng)組網(wǎng)對(duì)比如圖1所示：

值得注意的是，雖然以上兩種方法減少了切換，但是容量也會(huì)下降，因此應(yīng)預(yù)測(cè)一個(gè)小區(qū)內(nèi)的列車數(shù)量，在保證容量的基礎(chǔ)上，采取小區(qū)合并。切換不僅涉及到與周邊大網(wǎng)宏基站的鄰區(qū)關(guān)系，還會(huì)涉及到與周邊大網(wǎng)間的干擾問題，因此應(yīng)充分利用鐵路線型覆蓋的特點(diǎn)，形成鏈型鄰區(qū)，優(yōu)先切向鏈型鄰區(qū)，保證向運(yùn)動(dòng)方向前方切換。對(duì)高鐵進(jìn)行鏈?zhǔn)叫^(qū)結(jié)合多RRU共小區(qū)覆蓋，才能從根本上解決高速鐵路覆蓋問題。

3 軌道沿線覆蓋方案

3.1 天線選型

為了增加單基站的覆蓋距離，減少切換次數(shù)，一般采用高增益窄波瓣天線對(duì)高鐵進(jìn)行覆蓋，這樣不但可以彌補(bǔ)多普勒頻移對(duì)性能的影響，又可以增大覆蓋距離。如果需要兼顧覆蓋周圍區(qū)域，則選擇普通定向天線；如果覆蓋線路的弧度較大，則選擇寬波束天線；如果弧度較小則選擇窄波束天線。

常用窄波瓣天線天線性能指標(biāo)如表1所示：

3.2 站間距的確定

（1）傳播模型

高鐵環(huán)境基站與列車之間基本沒有阻擋，因此傳播模型可以參照cost231-hata模型，公式如下：

Lb=46.3+33.9lgf-13.82lg（hb）-α（hm）+（44.9-

6.55lg（hm））×（lgd）γ+Cm （1）

其中，Lb為路徑損耗，單位為dB；f為頻率，單位為MHz；hb為天線的有效高度，單位為m；α（hm）為移動(dòng)臺(tái)天線高度修正因子，單位為dB；d為基站和移動(dòng)臺(tái)之間的距離，單位為km；γ為遠(yuǎn)距離傳播修正因子；Cm為環(huán)境校正因子，單位為dB。

（2）鏈路預(yù)算

高鐵通常位于城市的郊區(qū)地帶，環(huán)境比較開闊，基站與列車基本呈直視徑傳輸，綜合考慮地形地物等相關(guān)環(huán)境的影響，本文場(chǎng)景模型選用農(nóng)村模型。各項(xiàng)因子取值如表2所示。endprint

當(dāng)RRU輸出總功率為20 W時(shí)，對(duì)于單載波20 M帶寬而言，其發(fā)射功率為12.2 dBm。根據(jù)以上分析，可得鏈路預(yù)算如表3所示。

根據(jù)表3鏈路預(yù)算表，高鐵TD-LTE基站覆蓋半徑約566 m，在此基礎(chǔ)上考慮列車時(shí)速為300 km/h，小區(qū)之間基站重疊覆蓋區(qū)域約為300 m，則可得小區(qū)之間站間距為832 m（小區(qū)之間站間距=覆蓋半徑×2-重疊覆蓋距離）。

4 隧道場(chǎng)景覆蓋方案

4.1 隧道場(chǎng)景鏈路預(yù)算

（1）泄露電纜指標(biāo)

一般泄漏電纜中僅采用某一移動(dòng)通信制式時(shí)，采用收發(fā)共纜，若多系統(tǒng)合路則需要考慮系統(tǒng)間干擾共存，現(xiàn)有多系統(tǒng)合路器無法滿足設(shè)計(jì)需求，則需要使用收發(fā)分纜建設(shè)。收發(fā)分纜和收發(fā)共纜的鏈路預(yù)算方法一致。

隧道的無線通信環(huán)境封閉，除了隧道口有信號(hào)滲入外，外面的信號(hào)很難傳入，外部環(huán)境對(duì)內(nèi)部覆蓋影響小。

常用泄露電纜廠家指標(biāo)如表4所示。

（2）鏈路預(yù)算

本文以RFS公司生產(chǎn)的泄漏電纜（RLKU158-50J）為例進(jìn)行1800 MHz頻段覆蓋估算。

下行隧道邊緣場(chǎng)強(qiáng)分別以-100 dBm和-110 dBm為目標(biāo)進(jìn)行鏈路估算，方法如下：

最大允許路損：PLmax=PRRU–（LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4+L5） （2）

各參數(shù)說明如下：PLmax：最大允許路徑損耗；PRRU：RRU子載波的輸出功率為12.2 dBm；LPOI（Point of Interface）：POI系統(tǒng)的插損，一般POI插損為5 dB；Pdes：接收端的覆蓋電平要求，此處為-100 dBm或-110 dBm；L1：泄露電纜95%、2 m處的耦合損耗；L2：人體損耗，LTE主要為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，暫不考慮人體損耗，默認(rèn)取0 dB；L3：寬度因子，取4 m；L4：車體損耗，同鏈狀覆蓋場(chǎng)景，1.8G頻段為24 dB；L5：饋線和接頭損耗。

根據(jù)泄露電纜損耗指標(biāo)S（每百米損耗值），即可計(jì)算出滿足覆蓋目標(biāo)下的RRU最遠(yuǎn)覆蓋半徑D=PLmax/S，具體如表5所示。

根據(jù)以上鏈路預(yù)算，可估算出隧道內(nèi)相鄰站點(diǎn)的最大間距（重疊覆蓋區(qū)域以列車300 km/h的速度為例，重疊區(qū)域設(shè)置為300 m）：

RRU間距=2×RRU覆蓋半徑-重疊覆蓋長(zhǎng)度 （3）

小區(qū)之間RRU間距表如表6所示：

根據(jù)以上結(jié)果，在中長(zhǎng)隧道以及長(zhǎng)隧道區(qū)間使用泄露電纜覆蓋，并且集約化建設(shè)使用POI的情況下，為確保覆蓋，RRU的間距需要設(shè)置在386 m以內(nèi)。

4.2 短隧道覆蓋方案

短隧道一般小于200 m，可以直接使用一個(gè)小區(qū)加窄波束天線進(jìn)行隧道內(nèi)的覆蓋，信號(hào)源可以采用從隧道外RRU耦合一部分信號(hào)或者直接使用一個(gè)RRU的信號(hào)。

如果存在隧道彎曲等情況，而且對(duì)隧道信號(hào)質(zhì)量要求比較高，則可以使用泄漏電纜對(duì)隧道進(jìn)行覆蓋。

建議隧道出口的基站和隧道內(nèi)組成一個(gè)共小區(qū)，使小區(qū)間切換在隧道外及早完成，避免高鐵列車快速進(jìn)入隧道可能導(dǎo)致的掉話或切換失敗。若隧道長(zhǎng)度無法滿足兩個(gè)隧道口外基站和隧道內(nèi)成為一個(gè)小區(qū)，盡量選擇一側(cè)隧道外基站進(jìn)行共小區(qū)組合，示意圖如圖2所示：

4.3 中長(zhǎng)隧道覆蓋方案

中長(zhǎng)隧道一般為200～500 m，可以直接使用一個(gè)小區(qū)加泄露電纜或者多個(gè)窄波束天線進(jìn)行隧道內(nèi)的覆蓋，一般使用泄露電纜效果比較好。信號(hào)源可以采用從隧道外RRU耦合一部分信號(hào)或者直接獨(dú)立使用一個(gè)RRU的信號(hào)，示意圖如圖3所示。

4.4 長(zhǎng)隧道覆蓋方案

長(zhǎng)隧道一般大于500 m，則需要考慮單獨(dú)使用一個(gè)RRU或多個(gè)RRU來進(jìn)行覆蓋，在隧道內(nèi)使用泄露電纜，示意圖如圖4所示：

如果有條件，可以將圖4中隧道出入口外兩側(cè)的基站同隧道出入口的RRU合并成一個(gè)小區(qū)，可以降低高鐵列車進(jìn)出隧道的掉話風(fēng)險(xiǎn)。

4.5 連續(xù)隧道覆蓋方案

連續(xù)短隧道組成的隧道群，若隧道間距較小，建議采用泄漏電纜覆蓋隧道間空隙段，若連續(xù)隧道間距較大，則采用隧道口安裝天線進(jìn)行覆蓋。

5 結(jié)論

通過對(duì)高速軌道交通特點(diǎn)的分析，傳統(tǒng)的覆蓋方式不能很好地解決TD-LTE在高速軌道各種場(chǎng)景下的覆蓋問題。本文針對(duì)TD-LTE在高速軌道場(chǎng)景特點(diǎn)的分析，提出了與其相適應(yīng)的組網(wǎng)方式、特有的天線選型以及基站間距的設(shè)置，從而應(yīng)用到不同高速軌道場(chǎng)景下的覆蓋解決方案中。

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