TD-LTE網(wǎng)絡(luò)高鐵覆蓋及組網(wǎng)的探討

韋鍇

【摘要】 隨著中國高速鐵路蓬勃發(fā)展，高鐵成為了人們出行的首選方式。TD-LTE的高鐵覆蓋問題成為了需要中國移動公司重點(diǎn)解決的問題，本文對TD-LTE高鐵覆蓋面臨的問題進(jìn)行分析，探討高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)的站址規(guī)劃和組網(wǎng)方案等，為TD-LTE高鐵覆蓋建設(shè)提供理論依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 TD-LTE 高鐵 覆蓋 組網(wǎng)

原鐵道部頒布的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃（2008年調(diào)整）》中明確指出：到2020年建設(shè)客運(yùn)專線1.6萬公里以上，形成“四橫四縱”以及經(jīng)濟(jì)發(fā)達(dá)和人口稠密地區(qū)城際客運(yùn)系統(tǒng)。高鐵已經(jīng)成為人們首選的出行方式。設(shè)計時速250公里/小時以上，如何對高鐵進(jìn)行有效、全面的覆蓋成為了各運(yùn)營商角逐的熱點(diǎn)。本文對設(shè)計時速為300公里/小時的高鐵覆蓋進(jìn)行討論。

一、關(guān)鍵問題分析

在高鐵特殊場景下移動通信系統(tǒng)將面臨大穿透損耗、多普勒頻移以及頻繁的切換等方面挑戰(zhàn)。

1.1穿透損耗大

國產(chǎn)新型高鐵列車多數(shù)采用鋁合金材料作為車身材質(zhì)，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)F頻段在不同車型材質(zhì)的穿透損耗見表1所示：

目前我國高鐵多數(shù)采用CRH3車型，該車型車身采用鋁合金材質(zhì)，穿透損耗為29dB。實(shí)際測試表明，信號入射方向和列車行駛方向的夾角（以下稱：掠射角）越小列車的穿透損耗越大。當(dāng)掠射角小于10°時，列車車廂穿透損耗比30°時將額外增加10dB以上，當(dāng)掠射角小于5°時，列車車廂穿透損耗比30°時將額外增加15dB以上。所以在進(jìn)行站址規(guī)劃時，建議掠射角不小于10°。

1.2多普勒頻移影響

隨著車速的提高，多普勒頻移的影響也越來越明顯，多普勒頻移會導(dǎo)致基站和手機(jī)的相干解調(diào)性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。目前高速鐵路列車基本都采用300Km/h車速運(yùn)營，在此速度下，多普勒最大頻移為：

Fd=f0×v/C=（1.9×109）×（300×103/3600）/（3×108）=528Hz

TD-LTE系統(tǒng)子載波頻率間隔為15KHz，高鐵正常運(yùn)營時的下行頻移為子載波頻率間隔的3.5%，上行頻移為子載波頻率間隔的7%，為了保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的速率，目前各廠家針對多普勒頻移現(xiàn)象都已經(jīng)開發(fā)了自動頻偏矯正軟件功能。

1.3頻繁的切換

由于高鐵的運(yùn)行速度高，列車在高速運(yùn)動時穿過多個小區(qū)覆蓋范圍下，將會引起頻繁的切換，進(jìn)而影響整個網(wǎng)絡(luò)的性能。列車以300Km/h的速度運(yùn)行時，通過一個小區(qū)覆蓋區(qū)域的時間約為5.8秒鐘，其中用于切換的時間約為2.3秒。如何能避免頻繁的切換，將是保證TD-LTE網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的關(guān)鍵。

二、TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃探討

2.1單小區(qū)覆蓋半徑

高鐵覆蓋采用F頻段進(jìn)行組網(wǎng)。根據(jù)高速鐵路無線傳播場景，本文采用COST-231 Hate傳播模型進(jìn)行鏈路預(yù)算。COST-231 Hate模型適用于1500MHz至2000MHz的頻段，可用于TD-LTE網(wǎng)絡(luò)F頻段組網(wǎng)時的路徑損耗預(yù)測。公式如下：

Ploss（dB）=46.3+33.9×lgF-13.82×lgH+（44.9-6.55×lgH）×lgD+C

Ploss為路徑損耗；

F為頻率，單位MHz（1500MHz～2000MHz）；

H為天線的有效高度，單位m；

D為基站和移動臺之間的距離，單位Km；

C為環(huán)境校正因子，取值：大城市中心（3dB）；一般城區(qū)（0dB）；郊區(qū)（-10dB）；農(nóng)村（-18dB）。

高鐵TD-LTE基站采用單RRU單天線F頻段組網(wǎng)，天線相對高度20米，農(nóng)村場景下單小區(qū)覆蓋能力測算見表2所示。

在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和建設(shè)過程中要充分考慮2G/3G/4G基站的協(xié)同布置。在相同無線環(huán)境下，TD-LTE基站的覆蓋能力最弱，所以在規(guī)劃時定義小區(qū)覆蓋半徑為表2中測算得到的483米。

2.2重疊覆蓋區(qū)設(shè)置

由于單個基站覆蓋面積有限，用戶在移動過程中勢必會發(fā)生切換，為了良好的用戶體驗(yàn)，在相鄰小區(qū)間必須要做好重疊覆蓋區(qū)。

合理的重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃是保證業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)。重疊覆蓋區(qū)過小會導(dǎo)致切換失敗，重疊覆蓋區(qū)過大會導(dǎo)致嚴(yán)重的鄰區(qū)干擾。TD-LTE系統(tǒng)終端切換主要有兩個過程，即切換過渡區(qū)和切換區(qū)。

如下圖所示，A區(qū)為切換過渡區(qū)，終端需要檢測到信號滿足2dB的切換電平遲滯所需要的距離。根據(jù)鏈路預(yù)算得到該距離為67米。切換區(qū)又可分為B終端檢測上報距離、C切換遲滯時間距離、C切換執(zhí)行距離。其中終端檢測上報需要200ms；切換遲滯時間需要128ms；切換執(zhí)行需要50ms。按照高鐵300Km/h的速度計算，重疊覆蓋區(qū)域?yàn)?98米。

小區(qū)覆蓋半徑為483米，重疊覆蓋區(qū)為198米，則站間距為768米，做出適當(dāng)預(yù)留，建議覆蓋高鐵的站間距設(shè)定為750米。

2.3站址布局

在高速鐵路轉(zhuǎn)彎處，基站應(yīng)盡量布置在彎道內(nèi)側(cè)，如下圖enodeb A基站所示，這樣有助于增大掠射角，既能減小穿透損耗，又能減少了多普勒頻偏影響。

此外，相鄰的基站應(yīng)盡量布置在鐵路的兩側(cè)，使整個網(wǎng)絡(luò)形成“之”字形組網(wǎng)。這樣增加了相鄰小區(qū)的重疊覆蓋區(qū)域，保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

由于掠射角過小會導(dǎo)致穿透損耗的增大，所以建議掠射角不要小于10°，根據(jù)小區(qū)覆蓋半徑得到基站距鐵軌的最小距離應(yīng)為85米?；揪噼F軌的距離也不能太遠(yuǎn)，超過120米將會影響覆蓋效果。所以建議基站距鐵軌的距離在85米至120米之間。

2.4多RRU合并技術(shù)

為了避免頻繁的切換，提高網(wǎng)絡(luò)品質(zhì)。在高鐵規(guī)劃設(shè)計當(dāng)中需要考慮采用多RRU小區(qū)合并技術(shù)來對抗頻繁切換，從而提高高鐵的TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋性能。小區(qū)合并技術(shù)將部分RRU之間的切換由站間切換變?yōu)檎緝?nèi)協(xié)作，有效減少了切換次數(shù)，提高了網(wǎng)絡(luò)性能。

目前廠家最多支持12個RRU合并為一個小區(qū)。以10個RRU合并為例，合并后單小區(qū)覆蓋半徑由483米增大到4830米，列車全速通過時間為58秒。大大減少了切換次數(shù)，提升了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2.5專網(wǎng)鄰區(qū)配置

在高鐵線路沿線采用多RRU合并技術(shù)，形成狹長形狀的覆蓋小區(qū)對高鐵進(jìn)行覆蓋，而整個TD-LTE網(wǎng)絡(luò)普遍采用的是蜂窩式組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

因此建議高鐵的覆蓋采用專網(wǎng)的形式進(jìn)行建設(shè)，用于覆蓋高鐵的基站不和公網(wǎng)配置切換關(guān)系。只有在車站配置和公網(wǎng)的切換關(guān)系。這樣除車站等專網(wǎng)出入口外與公網(wǎng)實(shí)現(xiàn)切換完全隔離。

三、結(jié)束語

合理的站址規(guī)劃、無線設(shè)備自動頻率校正功能和多RRU合并技術(shù)能夠有效地解決高鐵場景下TD-LTE無線組網(wǎng)面臨的穿透損耗大、多普勒頻移和頻繁切換的問題。希望本文討論的結(jié)論能夠給目前正在進(jìn)行的高鐵覆蓋項(xiàng)目提供幫助。

參 考 文 獻(xiàn)

[1]劉方森，李壽鵬，李方村，楊傳祥. TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試. 《電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化》2015年第2期.

[2]蔣遠(yuǎn)，湯利民.《TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計》.北京.人民郵電出版社2012.