高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)及優(yōu)化方案研究

陳佳棟 中國電信股份有限公司無錫分公司網(wǎng)絡(luò)建設(shè)部工程師

1 引言

近些年來我國高速鐵路建設(shè)事業(yè)迅猛發(fā)展，自我國第一條高鐵——京津城鐵開通以來，京滬、武廣等一批高鐵陸續(xù)開通。截至2014年底，全國高鐵運營總里程已突破1.6萬公里，占比超世界高鐵運營總里程的50%。與此同時，由于高鐵乘坐的舒適性，越來越多的中高端用戶傾向選擇高鐵出行，因此建設(shè)及優(yōu)化高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)對提升運營商網(wǎng)絡(luò)品牌形象至關(guān)重要。但由于高鐵是一個復雜的無線環(huán)境，高鐵的快速、車廂的高穿透損耗以及多普勒頻移等特性對高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量有較大影響，為此如何解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋成為當下各運營商重點研究的課題之一。

本文重點討論高鐵環(huán)境下影響LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量的重要因素，通過有針對性的研究、仿真、測試得出一套相對切實可行的高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)優(yōu)化方案。

2 高鐵LTE覆蓋特點分析

2.1 多普勒效應(yīng)

當移動終端在運動過程中，尤其是高速運動的情況下，移動終端和基站接收端的信號會發(fā)生變化，此為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移，其計算公式如下：

其中：θ為移動終端移動方向和入射波方向的夾角；為移動終端的運動速度；c為光速；f為載波頻率。

根據(jù)公式（1）可知，移動終端離基站越遠，多普勒頻移越大，反之則越小；即高鐵在基站覆蓋小區(qū)邊緣處頻偏最大，在基站與軌道垂直處頻偏最小。為此，LTE網(wǎng)絡(luò)基站選點不易過分靠近鐵路，以加大終端電磁波的入射角。同時，不同車速下的頻偏差距也較大。如表1所示，隨著車速不斷提高，頻偏也越大，多普勒頻移影響也越明顯。多普勒頻移直接影響接收機解調(diào)、小區(qū)切換、選擇等性能，導致用戶感知變差。

表1 不同車速下的最大頻偏

2.2 高鐵車廂的高穿透損耗

高鐵列車為全封閉車廂，車身由鋁合金和不銹鋼材質(zhì)組成，車窗采用特種材質(zhì)制成，密封性能明顯好于普通列車，因此其車廂信號的穿透損耗也大幅提高。目前，國內(nèi)高鐵車型以CRH1、CRH2、CRH3、CRH5以及CRH380車型為主，不同車型之間的車廂穿透損耗差異較大。

此外，高鐵車廂的穿透損耗除材質(zhì)的原因造成外，還與車廂跟基站發(fā)射信號的入射角有關(guān)，即當入射角越小時，車廂的穿透損耗越大；當入射方向與車廂垂直時，此時車廂的穿透損耗最小。根據(jù)實際測試數(shù)據(jù)統(tǒng)計，為簡化路徑損耗計算，以30dB作為高鐵車廂穿透損耗的均值。

2.3 頻繁小區(qū)切換

高鐵在高速運行過程中，在短時間內(nèi)會通過多個小區(qū)。若以傳統(tǒng)大網(wǎng)方式設(shè)置小區(qū)切換參數(shù)，則會頻繁發(fā)生小區(qū)切換/重選，從而影響網(wǎng)絡(luò)性能及容量，嚴重者則會引起切換失敗導致掉話。為此，在進行高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃時，需要同步考慮網(wǎng)絡(luò)切換問題，尤其需著重考慮小區(qū)重疊切換帶以及覆蓋半徑的設(shè)置。

3 高鐵LTE覆蓋解決方案

3.1 站間距

LTE高鐵覆蓋的站間距需要綜合考慮基站的覆蓋半徑和重疊覆蓋區(qū)域。簡單地可以用下列公式表示：

其中：d為站間距；R為基站覆蓋半徑；dr為重疊覆蓋距離。

由公式（2）可以算出手機與基站間允許的最大路徑損耗，根據(jù)適合的傳播模型可算出覆蓋半徑，然后再根據(jù)切換所需的重疊區(qū)域，最終算出站間距。

此外，在LTE網(wǎng)絡(luò)鏈路預算的過程中，覆蓋一般是上行受限，因此本文暫考慮上行的鏈路預算，同時選用COST231-Hata傳播模型，公式如下：

其中：中心頻率f取1870MHz；基站高度Hb為30m；手機高度Hm為2m。由此可得：

由于高鐵線路所經(jīng)之處多為城郊區(qū)域，a(Hm)為終端天線高度修正因子的表達式；Cm為城市修正因子，一般取為0dB（城郊區(qū)域）。按照網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃要求，覆蓋小區(qū)邊緣最低上行速率要求256Kbit/s，可得接收機靈敏度為-112.92dBm。

根據(jù)上述公式可計算出單站的覆蓋半徑為1.040km。

此外，考慮LTE系統(tǒng)切換時間，一般分為測量時間d1、延遲時間d2和執(zhí)行時間d3 3部分。其中，d1為200ms，d2一般配置為40ms，d3一般不超過250ms，因此切換時間為500ms左右。同時，預留失敗重建時延及冗余時延，切換時間考慮為1s，雙向切換考慮2s時間。根據(jù)不同車速下重疊覆蓋距離平均為194m，在這種場景下可以得出合適的站間距為1.88km。

然而，實際情況下，運營商為了滿足客戶多種業(yè)務(wù)的需求，尤其是現(xiàn)場數(shù)據(jù)實時上傳類業(yè)務(wù)，對覆蓋小區(qū)邊緣的最低上行速率遠大于256Kbit/s。例如，720P單路傳輸?shù)膸捫枨鬄?Mbit/s，根據(jù)計算可得出，此時合適的站間距僅為1.52km。目前，京滬高鐵無錫段實際的平均站間距為1.04km。

3.2 基站與軌道垂直距離

基站到高鐵軌道的垂直距離（站軌距）主要跟入射角有關(guān)，根據(jù)試驗情況可總結(jié)：入射角越小，穿透損耗越大。一般而言，入射角不宜小于10°，但也不能過大，過大將影響覆蓋范圍，從而縮小覆蓋半徑，一般最大取25°。從而，根據(jù)入射角可以計算出不同站間距情況下，站軌距的取值如表2所示。

表2 基站到軌道垂直距離測算表

因此，在1.5～1.8km站間距的情況下，站軌距一般取為150～480m。

為了驗證上述測算的準確性以及可行性，可選取部分高鐵路段進行DT測試，結(jié)果如圖1所示。

從圖1可以看出，站軌距在150m左右時，RSRP覆蓋性能最優(yōu)，SINR值最高，同時網(wǎng)絡(luò)所能獲得的下行速率也最高。但當站軌距超過400m以后，網(wǎng)絡(luò)各項性能均出現(xiàn)較大幅度的下降，其中用戶體驗最明顯的下行速率降為30Mbit/s左右，當用戶量多的時候，體驗感知將明顯下降。

3.3 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化解決方案

3.3.1 大功率RRU解決大站間距覆蓋問題

上文中提到的站間距是從理論角度結(jié)合實際車廂等損耗情況得出的理想經(jīng)驗值，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段起到重要作用。然而，在現(xiàn)實的站址獲取過程中，由于業(yè)主或者周圍實際客觀環(huán)境的制約，基站位置會出現(xiàn)不同程度的偏差，從而可能出現(xiàn)累計偏差較大的情況。此時，通過一般手段難以有效解決網(wǎng)絡(luò)覆蓋。

雖然大站間距將影響基站有效的覆蓋范圍，但如果能通過增大基站發(fā)射功率，在一定程度上就能彌補由于站間距變大而造成的損失。無錫在城郊區(qū)域就通過選用2T4R大功率RRU進行試驗并取得了明顯的效果。詳情可見圖2、表3。

通過更換京滬14基站其中一個扇區(qū)RRU，采用2T4R60W功率的RRU，DT測試結(jié)果顯示，網(wǎng)絡(luò)性能各項指標提升明顯：該路段平均SINR從7.81dB提升到12.36dB，平均RSRP從-99.7dBm提升到-89.75dBm，下載速率從23.75Mbit/s提升到32.55Mbit/s。

圖1 不同站軌距下LTE網(wǎng)性能差異分析

3.3.2 小區(qū)合并技術(shù)解決頻繁切換問題

常規(guī)網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案下，假設(shè)單小區(qū)覆蓋半徑為1km，時速200km的動車組每秒行駛56m，每18s進行一次小區(qū)切換或者重選；當車速超過300km/h時，每12s就會發(fā)生一次切換或者重選，1min內(nèi)將會發(fā)生5次左右的切換。如此頻繁的切換和重選，會降低切換或者重選的成功率，進而影響通信質(zhì)量。倘若要有效解決切換問題，就需要增大小區(qū)覆蓋范圍，減少切換次數(shù)。然而，這個方案在上文論述合理站間距過程中已有論證，基站的覆蓋半徑受到業(yè)務(wù)需求的制約，可調(diào)整的范圍是有限的，同時還得注意合理規(guī)劃小區(qū)重疊區(qū)域。

根據(jù)上述分析，減少網(wǎng)絡(luò)切換與重選，除了物理手段解決覆蓋問題外，在LTE網(wǎng)絡(luò)中，仍然可以通過采取小區(qū)合并技術(shù)，使得單個邏輯小區(qū)覆蓋區(qū)域增大，達到有效減少切換次數(shù)、提高網(wǎng)絡(luò)性能的目的。

通過小區(qū)合并，2個物理站的2個物理小區(qū)合并成一個邏輯小區(qū)，邏輯小區(qū)內(nèi)RRU之間的切換由站間切換變?yōu)檎緝?nèi)協(xié)作，相當于單小區(qū)覆蓋半徑翻倍，能有效減少切換次數(shù)。與此同時，在工程建設(shè)過程中，考慮到保障網(wǎng)絡(luò)覆蓋的安全因素，應(yīng)盡量選擇直連RRU，減少級聯(lián)方式。以無錫城鐵站臺附近的優(yōu)化方案為例，通過小區(qū)合并技術(shù)，無錫站的進出站路測結(jié)果顯示，信號覆蓋質(zhì)量答復提升，下載速率達到45.3Mbit/s，較工程優(yōu)化前提升70%。圖3及表4為無錫城際鐵路站臺通過小區(qū)合并技術(shù)優(yōu)化前后的對比情況。

圖2 站址示意圖

表3 優(yōu)化測試前后網(wǎng)絡(luò)性能對比情況

表4 無錫滬寧城鐵站小區(qū)合并前后路測效果對比情況

3.3.3 多普勒頻移補償及高速小區(qū)特性提升網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能

前文提及的多普勒頻移問題，在高鐵覆蓋中不可避免，由于對用戶上行編解碼影響較大，造成網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗下降。因此，多普勒頻移補償技術(shù)得到了多家設(shè)備廠商的支持。即在基站側(cè)通過對接收的上行信號頻率進行頻偏估計，在基帶側(cè)進行補償校正，以此提高上行信號的解調(diào)性能。

另外一個影響高鐵信號覆蓋的是快衰弱問題。在移動通信過程中，由于無線電波傳輸?shù)奶匦?，?jīng)過不同路徑最終歸于移動終端時，信號是有相位特性進而疊加的，如果相位相反甚至會出現(xiàn)“掉零”情況。為了解決這一問題，筆者在局部站點開通了高速小區(qū)特性模式，通過多用戶模擬實際環(huán)境測試，結(jié)果表明：開通高速小區(qū)配置的區(qū)域較普通小區(qū)的覆蓋質(zhì)量有較大幅度提升（見圖4）。

圖3 無錫滬寧城鐵站小區(qū)合并前后路測效果示意圖

圖4 開通高速小區(qū)特性前后覆蓋質(zhì)量對比

4 結(jié)束語

本文通過利用COST231-Hata傳播模型對高鐵LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的站間距、站軌距進行詳細的分析，得出理論上的合理站間距為1.5km，然而為了更好地滿足用戶的實際體驗，部分路段站間距將進一步縮小，在靠近密集城區(qū)部分，由于用戶量以及無線環(huán)境的變化，中心城區(qū)的站間距在0.7km左右。

此外，在針對高鐵覆蓋特性的基礎(chǔ)上，通過利用大功率2T4R RRU設(shè)備解決城郊大站間距問題，利用小區(qū)合并技術(shù)解決多小區(qū)頻繁切換問題。此外，通過配置多普勒頻移補償以及高速小區(qū)特性等多種手段，全方面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，提升網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗感知。

1 唐艷超.LTE高鐵覆蓋解決方案研究.郵電設(shè)計技術(shù).2014,12

2 翟英鴻等.高速鐵路TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的探討.電信網(wǎng)技術(shù).2014,11

3 楊一帆.高速鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究.移動通信.2014,8

4 譚路加等.高鐵覆蓋中天線與軌道垂直距離的探討.郵電設(shè)計技術(shù).2012,6

5 林善亮等.FDD-LTE在高鐵應(yīng)用場景中基站覆蓋半徑的設(shè)計探討.現(xiàn)代電信