高鐵LTE—TDD—FDD融合組網(wǎng)應(yīng)用及研究

梅士華　王廣增

摘要：某峰會(huì)期間，為更好滿足國(guó)際漫游用戶出行時(shí)4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，同時(shí)滿足高鐵不斷增長(zhǎng)的容量需求，需進(jìn)行高鐵4G融合組網(wǎng)試點(diǎn)研究。本次主要驗(yàn)證LTE-FDD在高鐵場(chǎng)景應(yīng)用中的設(shè)備組網(wǎng)方案及天面設(shè)計(jì)方案在實(shí)際建設(shè)應(yīng)用中的效果，探討高鐵場(chǎng)景下LTE-TDD-FDD融合組網(wǎng)技術(shù)方案。

關(guān)鍵詞：高鐵；LTE-FDD；TDD-LTE；融合組網(wǎng)；測(cè)試

中圖分類號(hào)：TN929.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-9416（2018）01-0024-04

1 引用

2016年9月，某高級(jí)峰會(huì)在城市A舉行，屆時(shí)將產(chǎn)生大量國(guó)際漫游用戶4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求。此前城市A、城市B烏鎮(zhèn)已啟動(dòng)4G融合組網(wǎng)試點(diǎn)項(xiàng)目，為城區(qū)及景區(qū)場(chǎng)景融合覆蓋，提供并驗(yàn)證了一系列技術(shù)指標(biāo)參數(shù)。目前尚缺乏對(duì)高鐵場(chǎng)景應(yīng)用研究，為更好地滿足國(guó)際漫游入用戶出行時(shí)4G網(wǎng)絡(luò)服務(wù)需求，需進(jìn)行某高鐵4G融合組網(wǎng)試點(diǎn)。

某高鐵連接長(zhǎng)三角經(jīng)濟(jì)區(qū)兩個(gè)核心城市，沿線經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)，流量需求日益增長(zhǎng)，隨著LTE-TDD用戶滲透率不斷提升，LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)小區(qū)負(fù)荷較高，影響用戶感知。因此需要進(jìn)行某高鐵LTE-FDD建設(shè)及LTE-TDD-FDD融合組網(wǎng)，滿足某高鐵不斷增長(zhǎng)的容量需求，保障高鐵4G用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

2 技術(shù)方案分析

2.1 指標(biāo)要求分析

以車內(nèi)接收信號(hào)為參考值標(biāo)準(zhǔn)，并要求控制周邊基站信號(hào)強(qiáng)度，確保高鐵線路具有主導(dǎo)信號(hào)。

4G融合組網(wǎng)在高鐵列車內(nèi)連續(xù)覆蓋標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

公專網(wǎng)設(shè)置：本次高鐵的覆蓋沿用高鐵專網(wǎng)覆蓋模式，合理利用單雙向鄰區(qū)關(guān)系，過(guò)渡帶小區(qū)設(shè)置，基于頻率優(yōu)先級(jí)的重選與切換，區(qū)分高、低速用戶的切換等手段實(shí)現(xiàn)良好的專網(wǎng)、公網(wǎng)協(xié)同覆蓋。

2.2 組網(wǎng)方式分析

融合組網(wǎng)可采用GL升級(jí)及TF融合兩種建設(shè)方式，如表2所示：

方式一：GL升級(jí)（2T2R），現(xiàn)網(wǎng)部分設(shè)備射頻部分支持，可利舊原BBU框，增加基帶單元及控制單元直接升級(jí)。GL升級(jí)（4T4R），利舊原有BBU框，增加基帶單元及控制單元，新增射頻設(shè)備（RRU），并更換天線。

方式二：TF融合，利舊原有BBU框，新增基帶板，增加射頻設(shè)備（RRU），并新增天線。

某運(yùn)營(yíng)商LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)采用F頻段主覆蓋，D頻段解決容量，采用方式二對(duì)LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)沖擊較大，清頻難度相對(duì)高。2015年以來(lái)某運(yùn)營(yíng)商LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)流量占全網(wǎng)數(shù)據(jù)流量不斷提升，截至2016年8月已達(dá)到95%以上，LTE-TDD網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)成為某地運(yùn)營(yíng)商的主要數(shù)據(jù)承載網(wǎng)絡(luò)，G網(wǎng)承載能力得到釋放，客觀上有利采用GL升級(jí)。

2.3 頻段選擇分析

現(xiàn)階段高鐵已使用GSM900頻段、TD-LTE F頻段及D頻段實(shí)現(xiàn)全路段組網(wǎng)覆蓋，地市間銜接區(qū)域采用DCS1800頻段進(jìn)行容量保障覆蓋，高鐵現(xiàn)網(wǎng)站址布局可滿足各頻段覆蓋距離和切換帶要求，如表3所示：

通過(guò)FDD技術(shù)特點(diǎn)可以得到：

（1）當(dāng)帶寬2×5MHz時(shí)，平均吞吐率=8/4 Mbps；單用戶最大速率=36/13 Mbps；

（2）當(dāng)帶寬2×10MHz時(shí)，平均吞吐率=18/9 Mbps；單用戶最大速率=73/27 Mbps；

截至2015年7月，全球共3253款LTE終端，手持智能終端的比例在50%以上，達(dá)到1783款。其中FDD1.8G終端達(dá)到1543款，TDD-LTE終端1210款，絕大部分同時(shí)支持FDD1.8G。FDD900M終端迅猛發(fā)展，一年內(nèi)終端數(shù)由335增長(zhǎng)至668，智能手機(jī)由161增長(zhǎng)到372，增長(zhǎng)超過(guò)一倍，較FDD1.8G仍有很大差距。

頻段選擇綜合考慮需現(xiàn)網(wǎng)高鐵覆蓋頻段、頻段資源及終端支持等因素，建議采用DCS1800頻段組網(wǎng)。針對(duì)DCS1800頻段已用于公網(wǎng)建設(shè)，需對(duì)高鐵沿線5KM范圍內(nèi)進(jìn)行DCS1800網(wǎng)絡(luò)清頻，移出10MHz頻率資源用于高鐵專網(wǎng)。

2.4 GSM&LTE-FDD;頻點(diǎn)配置

GSM&LTE-FDD;頻點(diǎn)配置模式靈活，即可采用邊緣模式，也可采用三明治方式。

采用邊緣模式，包括上邊緣模式和下邊緣模式。若天饋互調(diào)性能不好，LTE置于下邊緣，互調(diào)信號(hào)對(duì)接收頻段的影響最小。

采用三明治方式，GSM與LTE的協(xié)調(diào)為同一運(yùn)營(yíng)商內(nèi)容，避免不同運(yùn)營(yíng)商間的相互協(xié)調(diào)，同時(shí)方便未來(lái)帶寬擴(kuò)展（領(lǐng)區(qū)配置不變）。

2.5 LTE-TDD/FDD 核心網(wǎng)與傳輸需求

如圖1所示。

核心網(wǎng)：TDD/FDD LTE在核心網(wǎng)層面的接口和協(xié)議完全一致，可實(shí)現(xiàn)共享核心網(wǎng)、共享用戶數(shù)據(jù)、共享網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)、共享核心網(wǎng)互操作策略。核心網(wǎng)不區(qū)分小區(qū)是TDD還是FDD模式。

傳輸設(shè)置：每個(gè)BBU各自接入傳輸環(huán)，也可匯聚后共用一個(gè)傳輸端口。

傳輸帶寬需求：10M FDD LTE的峰值下載速率可以達(dá)到73M，考慮實(shí)際網(wǎng)絡(luò)單站不同小區(qū)的業(yè)務(wù)波動(dòng)，單站傳輸需求100M。

QoS要求：FDD LTE采用全I(xiàn)P化傳輸，一般要求空載情況下基站到核心網(wǎng)絡(luò)的延遲小于20ms，時(shí)延抖動(dòng)小于7ms，丟包率小于0.05%。

3 工程設(shè)計(jì)方案

某高鐵起點(diǎn)城市C站，終點(diǎn)城市A東站，設(shè)計(jì)時(shí)速350公里/小時(shí)，運(yùn)行時(shí)速300公里/小時(shí)，總里程160公里，途徑城市C及某省份，其中城市A境內(nèi)16公里，城市B境內(nèi)87公里全程高架，無(wú)隧道。

3.1 站址設(shè)計(jì)方案

考慮到現(xiàn)有TD-LTE某高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)經(jīng)過(guò)多期建設(shè)及優(yōu)化，已經(jīng)能夠較好的滿足TD-LTE用戶業(yè)務(wù)感知要求，按照融合組網(wǎng)下各網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)一致的要求，本工程新建FDD-LTE 1800MHz站點(diǎn)全部與現(xiàn)有TD-LTE站點(diǎn)共址建設(shè)。

原高鐵覆蓋站址設(shè)置原則：

（1）為減小多普勒頻移的影響以及避免“塔下黑”問(wèn)題，宏基站與鐵路垂直距離建議為100米-300米；

（2）宏基站天線掛高應(yīng)考慮鐵軌高度，需高出鐵軌至少10m-20m，保證天線與軌面視通。對(duì)于采用微站建設(shè)方式的場(chǎng)景天線高度可適當(dāng)降低；

（3）對(duì)于直線軌道，相鄰站點(diǎn)宜交錯(cuò)分布于鐵路的兩側(cè)，形成“之”字型布局，有助于改善切換區(qū)域，有利于車廂內(nèi)兩側(cè)信號(hào)質(zhì)量的均衡；

（4）應(yīng)結(jié)合工程條件優(yōu)先將站點(diǎn)交錯(cuò)部署在鐵路兩側(cè)，有利與信號(hào)的均勻分布，對(duì)于彎路區(qū)域，優(yōu)先將站點(diǎn)設(shè)置在彎道內(nèi)側(cè)。

3.2 設(shè)備組網(wǎng)方案

結(jié)合現(xiàn)網(wǎng)高鐵沿線的組網(wǎng)方案，即采用共小區(qū)方式組網(wǎng)，利舊近端BBU框，新增基帶板，遠(yuǎn)端則新增1800射頻單元，連接至原天線或新增天線上。近端至遠(yuǎn)端的光纖需進(jìn)行改造，以便滿足融合網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)纖芯需求。

3.3 天面設(shè)計(jì)方案

高鐵沿線天面空間資源受限，本次采用合路現(xiàn)有網(wǎng)絡(luò)天線方式進(jìn)行建設(shè)，通過(guò)對(duì)不同制式網(wǎng)絡(luò)的天面合路方式對(duì)比分析（見(jiàn)表3高鐵天面合路方案優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比表），并結(jié)合本次實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)，4G融合組網(wǎng)疊加將不影響現(xiàn)網(wǎng)TDD覆蓋，建議本段高鐵采用與GSM900天線合路方式，TDD/FDD共覆蓋優(yōu)化可通過(guò)天饋精細(xì)優(yōu)化來(lái)提升FDD分流效果，并可以通過(guò)參數(shù)極端設(shè)置控制，如表4所示。

3.4 天線選型方案

高鐵場(chǎng)景，可根據(jù)合路方式進(jìn)行天線選擇，本次可選擇900/1800高增益天線。本次驗(yàn)證中，由于僅有1款全頻六口高增益天線（900/1800FA/D 17/21/21dBi 六口 高增益 32°）入圍，所以未做對(duì)比，僅對(duì)部分站點(diǎn)進(jìn)行了選型替換。

3.5 建設(shè)規(guī)模

某高鐵共建設(shè)4G融合宏基站物理站點(diǎn)166個(gè)，全部為共址已有TD-LTE 4G網(wǎng)絡(luò)物理站址。涉及4G邏輯宏站27個(gè)、邏輯小區(qū)46個(gè)，邏輯載頻46個(gè)；全線采用1800MHz頻段覆蓋，宏基站物理站點(diǎn)平均站高35米，平均站間距620米，如表5所示。

4 優(yōu)化測(cè)試驗(yàn)證

本次4G融合網(wǎng)絡(luò)開(kāi)通后，對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了網(wǎng)絡(luò)測(cè)試驗(yàn)證，通過(guò)測(cè)試數(shù)據(jù)顯示，本次的高鐵場(chǎng)景4G融合方案有效的增加了網(wǎng)絡(luò)流量，提高了高鐵全程的接通率。

4.1 數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)

在網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷較輕的情況下，達(dá)到建網(wǎng)預(yù)期目標(biāo)：下載速率達(dá)到22M以上，上傳速率達(dá)到15M以上。如表6所示。

4.2 語(yǔ)音業(yè)務(wù)

全程接通率達(dá)到建網(wǎng)目標(biāo)：90%以上，MOS3.0以上占比達(dá)到90%以上。如表7所示：

4.3 流量分流比

城市A數(shù)據(jù)：高鐵線FDD小區(qū)開(kāi)啟后，F(xiàn)DD小區(qū)流量占總吞吐量的32.92%，高鐵線總吞吐量上升26.65%，如圖2、3所示。

城市B數(shù)據(jù)：高鐵線FDD小區(qū)開(kāi)啟后，F(xiàn)DD小區(qū)流量占總吞吐量的35.18%，高鐵線總吞吐量上升3.62%。

5 結(jié)語(yǔ)

隨著高鐵近幾年全國(guó)范圍的迅速建設(shè)和高鐵技術(shù)的不斷完善，火車時(shí)速由120km提升至300km，越來(lái)越多人士選擇高鐵出行，用戶對(duì)網(wǎng)絡(luò)覆蓋和質(zhì)量提出了越來(lái)越高的要求，用戶容量不斷增長(zhǎng)。高鐵場(chǎng)景下LTE-TDD-FDD融合組網(wǎng)應(yīng)用，可為某運(yùn)營(yíng)商LTE-TDD-FDD融合建設(shè)與運(yùn)營(yíng)積累經(jīng)驗(yàn)，建議后期積極開(kāi)展多場(chǎng)景LTE-TDD-FDD融合組網(wǎng)應(yīng)用研究。