高鐵沿線FDD-LTE網絡覆蓋研究

邢 楊

（廣東南方電信規劃咨詢設計院有限公司，深圳 518038）

隨著各種智能終端、4G網絡的高速發展，乘客對移動辦公以及娛樂文化應用中的數據需求，對要求高鐵沿線的網絡覆蓋質量提出了新的要求。但是，相對于低速的傳統鐵路線路，4G網絡覆蓋高速沿線時，小區間頻繁切換以及多普勒頻移現象的問題給高鐵網絡建設者提出了新的各種挑戰。

1 高鐵沿線4G網絡覆蓋特性

（1）信號穿透高鐵車體損耗大。相對于普通車輛，高鐵為了達到嚴格減震降噪隔音目的，現有車廂大量使用玻璃鋼、鋁合金等材料作為車皮中的一部分，從而導致車廂穿透損耗普遍較大，車皮穿透損耗平均約為5～10dB，最高可達24dB。為保證網絡業務正常使用，車廂內參考信號接收功率需不低于-105dBm，穿透損耗按最大穿透損耗計，室外基站信號強度應達到-81dBm以上。

（2）終端頻繁切換小區。在高鐵速度達到300km/h時，列車將以極快速度穿過鏈狀分布小區，終端在每個小區內的駐留時間僅約數秒，造成終端小區間頻繁切換，導致掉話率增加，時延增加，降低用戶體驗。為了給高鐵上的用戶提供有保證通信質量（QoS）保證的業務部，需要根據實際情況，合理設置相鄰兩個小區切換重疊覆蓋區域大小，保證切換帶大小滿足至少完成2次切換的時間。同時，提高切換靈敏度并對優化切換相關參數，保證用戶切換的處理時間小于通過切換區域的時間。

（3）高速行駛帶來的多普勒頻移。4G網絡中采用的OFDM系統，進行數據傳輸是利用相互正交的子載波，從而非常敏感多普勒頻移引起的頻偏。在高鐵速度達到200km以上以后，這種現象在高速環境下表現的非常明顯。

（4）高鐵專網與公網的切換。運營商一般建設專網對高鐵進行覆蓋，如果用戶在專網與公網之間的重疊區域切換頻繁，也會造成系統性能下降。所以需避免公網與專網間形成覆蓋空洞或越區覆蓋，合理設置兩者之間的鄰區配置。另外車站附近要重點考慮兩張網絡的切換重選策略和網絡參數值，在站點和候車室使公網用戶順利切入高鐵專網，保證用戶隨列車離開站臺時不會發生位置更新。列車運行中，高鐵專網小區和沿線公網小區不設置為相互鄰區，列車內用戶不允許切換到公網，公網用戶也不能切換到列車內占用專網資源，需要將覆蓋高鐵的專網基站規劃為1個LAC。

2 高鐵沿線FDD-LTE網絡覆蓋原則

（1）新建基站的部署原則。為保證高鐵沿線良好的網絡結構和質量，高速鐵路站址選取需遵循以下原則：基站不可設置在鐵路沿線的紅色保護區內，并且應交錯均勻鐵路沿線。基站選鐵軌垂直距離不能太遠也不能太近，基站信號覆蓋應在一定弧度的鐵軌段的軌道內側，且天線主瓣的方向應與鐵軌保持一定夾角。

（2）站間距相互距離設置原則。合理設置4G基站站間距可以用戶提供優質的QoS，同時節約CAPEX（Capital Expenditure）。鏈路預算設置為最大損耗24dB，邊緣下載速率設置為上行256kb/s和下行4Mb/s、計算模型為COST231-HATA傳播模型。通過以上鏈路預算模型并假設鐵軌高度10米，當站點相對鐵軌高度10米時基站覆蓋半徑為460米、站點相對高度20米時基站覆蓋半徑為640米、站點相對高度35米情況下覆蓋半徑為740米。

（3）基站與鐵軌垂直距離設置原則。站址選址點到高鐵沿線的垂直距離非常重要，因為它決定了“掠射角”的大小，而“掠射角”決定了4G網絡的穿透損耗。“掠射角”就是基站天線主瓣方向和高鐵沿線之間形成的夾角，根據實測經驗值，“掠射角”越小，車皮的穿透損耗值會越大，所以基站選址應將需將“掠射角”之至少控制在10度以上。如果站址選址點到高鐵沿線的垂直距離太近，4G信號哦覆蓋區域的邊緣信號進入車廂的“掠射角”較小，信號穿透損耗大。

3 高鐵沿線采用FDD-LTE網絡覆蓋具體技術

（1）采用專網覆蓋。高鐵沿線的2G和3G網絡均逐漸采用專網進行覆蓋，而4G網絡通過設置覆蓋的參數和頻率，也可實現對高速鐵路的專網組網覆蓋，使高鐵專網與公網分離，滿足高鐵沿線區域的覆蓋要求。高鐵專網沿線可采用鏈型鄰區設計，不與公網切換，以保證用戶在高速移動時可切換和重選，從而提高終端的通信質量。

（2）站址選擇。運營商在準備部署基站時，盡量使基站靠近鐵路，但是又不需要太近，以避免掠射角較大，根據實測經驗，建議基站與鐵路的垂直距離在50～200m之間可以有效降低車體穿透損耗。

（3）站間距選擇。目前，2G和3G現網的站址間距主要集中在500到1000m之間，可以滿足FDD-LTE網絡站間距建設的需求。如果在滿足覆蓋需求的情況下，可考慮與2G與3G共址建設FDD-LTE基站，從而減少工程投資。為了確保高鐵沿線擁有較高質量的4G網絡覆蓋，FDD-LTE下行電平強度控制在-100dBm左右。經綜合考慮，高鐵FDD-LTE各基站站間距的選擇為：在F頻段平均站高25m的情況下，非邊界小區站間距應在1km左右為宜。邊界小區站點存在重疊覆蓋區，站間距在600m左右為宜。

（4）鏈路預算。根據FDD-LTE的覆蓋方式和無線鏈路特點，可以得到鏈路預算需滿足以下前提：高鐵沿線通常位于城市邊緣的郊區地帶，環境較為開闊，除特殊的高鐵站以外，場景模型可選用農村模型，但是還應綜合考慮地形、地物等的影響，基站與列車呈視徑傳輸。天線配置上基站側采用2個發送4個接收單元、用戶側采用1個發送2個接收；基站側天線增益為18dBi、用戶側為0dBi。考慮雙模場景，基站側RRU發射功率為43dBm，終端側功率為23dBm。

（5）多普勒頻偏。用戶在高鐵上隨車體快速運行時，終端發向基站的無線信號以及從基站發向終端的信號都會有多普勒頻移。在高鐵列車靠近4G基站時，信號波長會變短，頻率會增大；列車駛近4G基站，波長會變長，從而頻率比發送頻率小。頻偏的數值大小與運動速度和載波大小成正比，頻偏通過信號畸變進而影響接收單元的質量。在頻偏超過閾值，信號可能無法解析。為了減少頻偏對信號收發產生的影響，主流的解決途徑是根據測算高速運行時所產生的頻偏，通過特殊的算法補償頻率偏移，從而改善連接鏈路的可靠性與穩定性，提高解調性能。

（6）多小區合并技術。對于高鐵沿線的覆蓋，多小區合并的主要作用是從邏輯上延長單個小區的覆蓋范圍，從而減少了高速列車行駛過程中的終端用戶切換次數。多小區合并技術是指一個BBU接多個單通道RRU，并將多個RRU設置為同一邏輯。采用單通道小區合并技術后，小區可合并所有上行鏈路數據，明顯提高了接收增益。發送用戶下行數據時，可具有針對性在所選擇的天線上以有效提高終端接收基站發送信號的質量，降低其余天線的負荷。

（7）車載直放設備。為了避免4G信號穿透車體帶來的巨大損耗，改善無線鏈路的可靠性和穩定性，可通過車載直放設備來保證車體內FDD-LTE信號的強度，從而提升無線網絡的QoS。具體的方法是通過在列車外部部署高增益車載天線接收和發射信號，然后在車內部署FDD-LTE的車載直放站設備。由于機載臺和FDD-LTE具有穩定連接，信號解調誤差小，傳輸到車廂內的Wi-Fi信號轉發器或FDD-LTE室內微基站，更加方便用戶接入網絡獲得高質量的服務。

4 高鐵沿線FDD-LTE專網切換策略研究

高鐵沿線FDD-LTE專網切換策略主要分為兩大場景：一是軌道行駛過程的沿線切換場景，二是車站區域的內部切換場景。

（1）軌道行駛過程的沿線切換場景。軌道行駛過程的沿線切換場景是指高鐵在軌運行時，FDD-LTE的覆蓋只需考慮鏈形小區前后兩個方向上，各一個小區做雙向鄰區，但是與公網小區不配置任何鄰區關系。軌道行駛過程的沿線切換場景下的切換策略如圖1所示。

圖1 軌道行駛過程的沿線切換場景

具體實施策略如下：為保證高鐵專網的終端容量，首先高鐵專網覆蓋的小區不配置與臨近的公網小區“鄰區”，這樣鐵路沿線的公網用戶就不會切換覆蓋區域的高鐵專網，高鐵專網的終端也不會頻繁切換到公網，影響終端的QoS性能以及業務體驗。具體的方式是高鐵運行在軌道沿線時，鏈形小區前后兩個方向上相鄰專網小區間互配鄰區，并通過調整和配置A3事件的偏移值來優化切換帶，保證4G終端在高鐵沿線小區間的成功切換。另外還可以通過減少高鐵專網小區間的重選時間和磁滯，來保證網絡切換的流暢性。

（2）車站區域的內部切換場景。車站區域具有3個4G網絡：公網、高鐵專網以及車站室分。車站專網相關的切換策略可按照以下方法進行。首先，高鐵專網與LTE公網間還是不配置鄰區關系，但是高鐵專網與車站室分可以配置雙向鄰區關系，車站室內分布系統與LTE公網間配置雙向鄰區關系。這樣可以保證4G終端在車站室分覆蓋系統與高鐵專網間的順暢切換。其次專網與站臺的室內分布式覆蓋系統的切換位置，盡量不要落在列車站臺的上下車區域，避免列車到站后短時間內大量用戶頻繁切換或重選，造成網絡動蕩。

5 結束語

在考慮4G網絡覆蓋高速沿線時，多普勒頻移導致的頻偏以及小區間頻繁切換導致的網絡連接不穩定等問題給高鐵4G網絡建設者提出了新的各種挑戰。本文根據4G網絡在覆蓋高鐵沿線時的特性，研究在規劃FDD-LTE覆蓋時的各種問題，提出了具體的覆蓋方法和注意事項，對于我國高速發展的高鐵網絡與移動通信技術的應用都有指導作用。