LTE-FDD高鐵隧道覆蓋方案探討

［蔣勇］

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LTE-FDD高鐵隧道覆蓋方案探討

［蔣勇］

摘要根據(jù)國務(wù)院批準(zhǔn)的《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》到2020年，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)到12萬公里以上，復(fù)線率和電化率分別達(dá)到50%和60%以上。規(guī)劃“四縱”、“四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)。到2040年完成“八連線”。從2010年起至2040年，用30年的時(shí)間，將全國主要省市區(qū)連接起來，形成國家網(wǎng)絡(luò)大框架。列車速度的提升和新型車廂的出現(xiàn)帶來了高效和舒適，同時(shí)對高速環(huán)境下通信服務(wù)的種類和質(zhì)量的要求也越來越高，這無疑對鐵路無線通信提出了更為苛刻的要求。因此高速移動環(huán)境能夠在多山、多隧道地形下依然保持良好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和通信質(zhì)量，對LTE-FDD技術(shù)一次巨大的挑戰(zhàn)。

關(guān)鍵詞：LTE-FDD高鐵覆蓋關(guān)鍵技術(shù)高鐵方案

蔣勇

北京交通大學(xué)在讀工程碩士，現(xiàn)就職于中國鐵塔股份有限公司綿陽市分公司，涪城區(qū)辦事處臨時(shí)負(fù)責(zé)人，通信工程師，從事項(xiàng)目管理、新技術(shù)創(chuàng)新等工作。

1　關(guān)鍵技術(shù)

當(dāng)移動終端速度達(dá)到350km/h以后，需要考慮以下幾點(diǎn)關(guān)鍵技術(shù)。第一：傳播模型；第二：多普勒頻移效應(yīng)；第三：終端頻繁的切換；第四：電波的穿透損耗。

1.1傳播模型

在移動通信系統(tǒng)中，由于移動臺不斷的移動，傳播信道不僅受到多普勒效應(yīng)的影響，而且還受到地形、地物等相關(guān)因素的影響，另外移動系統(tǒng)本身的干擾和外界干擾也不能夠忽視?；谝苿油ㄐ畔到y(tǒng)以上特性，嚴(yán)格的理論分析很難實(shí)現(xiàn)，往往需要對環(huán)境進(jìn)行近似、簡化，因此理論模型跟實(shí)際模型相比誤差較大。

高速鐵路覆蓋的傳播模型以LTE-FDD（1800MHZ）COST231-Hata模型作為基礎(chǔ)，適用于1500-2000MHz的無線電波傳播損耗預(yù)測，作為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型工具，具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。數(shù)學(xué)表達(dá)形式是：

其中：Ld：路徑傳播損耗（dB）；f：工作頻率（MHz）；Hb：基站天線的有效高度（m）；Hm：移動臺天線高度（m）；d：基站與移動臺之間的距離（km）；α（Hm）：移動臺高度修正因子；C為地物校正因子。

根據(jù)不同的地物地貌，C的取值如表1。

表1　地物地貌與校正因子對應(yīng)表

對于實(shí)現(xiàn)雙向通信的系統(tǒng)來說，上下行鏈路平衡是十分重要的，是保證在兩個(gè)方向上具有同等的話務(wù)量和通信質(zhì)量的主要因素，也關(guān)系到小區(qū)的實(shí)際覆蓋范圍。

1.2多普勒效應(yīng)

根據(jù)多普勒原理，在移動通信中，當(dāng)移動臺移向基站時(shí)頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)頻率變低，隨著移動速度的增加，多普勒效應(yīng)越加明顯，甚至在基站上將產(chǎn)生二倍頻偏，嚴(yán)重影響基站的解調(diào)性能，多譜勒公式：△f=F×V×（cosθ）/C，其中：

F：中心頻率，單位Hz；V：列車運(yùn)行速度，單位：m/s；C：光速=3×108m/s；θ：列車動行方向與電磁波傳播方向的夾角，具體見圖1。

圖1　多普勒效應(yīng)示意

當(dāng)列車動行方向與電磁波傳播方向一致時(shí)，多譜勒頻移最為明顯，由此可得出對于各系統(tǒng)，不同的運(yùn)行速度，產(chǎn)生最大的頻率偏差見表2。

表2　時(shí)速與頻偏對應(yīng)

通過表2對可以反應(yīng)出，當(dāng)列車時(shí)速為300km/h時(shí)于電信CDMA800M、移動GSM900M等制式，多普勒頻移對系統(tǒng)有一定影響，但并不嚴(yán)重系統(tǒng)仍可以正常工作。雖然3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議中定義LTE-FDD的最高移動速度可以達(dá)到為500km/h，但是用戶的上網(wǎng)速率明顯下降，嚴(yán)重影響用戶的感知。

1.3小區(qū)切換

對于高速移動的終端而言，高速移動會造成終端在小區(qū)之間的快速切換。而高速移動的終端頻繁的切換會對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響，因此必須解決在高鐵通信建設(shè)中的小區(qū)切換問題。為保證用戶無縫移動性及QoS要求，最基本的要求就是需要保證用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間一定要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無法完成，會造成用戶因切換不及時(shí)而導(dǎo)致掉話，影響用戶的正常使用。

對于高速移動終端而言，高速的移動會造成小區(qū)之間的快速切換。350km/h的最大列車運(yùn)行速度就是每秒移動97m，以目前高鐵沿線的基站密度來說，高速列車經(jīng)過沿途幾百米覆蓋范圍的小區(qū)就只有短短數(shù)秒。在這種高速場景下，容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。

動車組密閉性良好，穿透損耗大，列車移動過快，造成頻繁的小區(qū)重選和切換（如圖2）；現(xiàn)網(wǎng)小區(qū)重疊覆蓋區(qū)不能滿足高速移動對覆蓋重疊切換區(qū)域大小的要求，造成切換失敗等問題是高鐵對無線網(wǎng)絡(luò)帶來的主要影響。

圖2　小區(qū)重選和切換

1.4車體穿透損耗的影響

CRH（China RailwayHigh-speed，中國高速鐵路列車）分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5等4個(gè)種類，其中CRH1、2、5均為200公里級別（營運(yùn)速度200km/ h，最高速度250km/h），CRH2具有提升至300km/h級別的能力。CRH3為300公里級別（營運(yùn)速度330km/h，最高速度380km/h）。

高速鐵路列車采用密閉箱體設(shè)計(jì)，車體對無線信號的穿透損耗較高，表3列舉了國內(nèi)幾種高速鐵路新型列車的車體穿透損耗值。

2　鏈路預(yù)算

表3　各類型車廂靜止垂直穿射損耗對應(yīng)

鏈路預(yù)算是評估無線通信系統(tǒng)覆蓋能力的主要方法，通過鏈路預(yù)算，可以估算出各種環(huán)境下的最大允許路徑損耗，從而估算出目標(biāo)區(qū)域需要的LTE覆蓋站數(shù)。

2.1隧道外鏈路

按照1.8GHz頻段系統(tǒng)前向鏈路預(yù)算參數(shù)設(shè)置，得到LTE-FDD最大鏈路損耗的重要參數(shù)，見表4。

表4　LTE-FDD鏈路預(yù)算參數(shù)表

采用2*2MIMO，LTE下行580Kbps業(yè)務(wù)（10RB）的路徑損耗為118dB，考慮FDD LTE的工作頻率為1.8GHz，基站天線有效高度30m，移動臺有效高度1.5m，通過校正的無線傳播可知采用2天線時(shí)，建議密集城區(qū)站間距約為410～450m，一般城區(qū)站間距約為500～540m，郊區(qū)及農(nóng)村站間距約為800～1 000m。

2.2隧道內(nèi)鏈路

同樣1.8GHz頻段系統(tǒng)前向鏈，以常用的13/8”輻射型漏纜為傳輸介質(zhì)，得到各系統(tǒng)制式的重要鏈路損耗參數(shù)如表5。

根據(jù)以上參數(shù)計(jì)算得到在隧道覆蓋中允許的最大單方向傳輸距離為585m。

3　解決方案

3.1采用鏈路自適應(yīng)校正頻點(diǎn)偏移

由于高速移動的用戶，多普勒頻偏往往非常大，對于基站接收機(jī)來說，估計(jì)和發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是接收機(jī)必須完成的功能，否則將對鏈路性能造成很大影響。另外基站接收機(jī)還需要應(yīng)對頻偏快速變化的問題，即保證能夠迅速跟上頻偏變化速度并進(jìn)行有效的補(bǔ)償。適應(yīng)頻偏校正算法，能在基帶層面實(shí)時(shí)地檢測出當(dāng)前子幀頻率偏移的相關(guān)信息，然后對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正，提升基帶解調(diào)性能。

為了將多普勒頻移的影響降低到足夠低的水平，應(yīng)將子載波間隔設(shè)置在11kHz以上。在假設(shè)理想信道估計(jì)的參數(shù)配置下，350km/h移動速度下的系統(tǒng)吞吐量只比30km/h下的系統(tǒng)吞吐量下降0.5Mbit/s。如果是假設(shè)真實(shí)信道估計(jì)，較小子載波間隔（10kHz以下）對系統(tǒng)吞吐量的影響就較為嚴(yán)重。但是，只要將子載波間隔保持在11kHz以上，多普勒頻移對系統(tǒng)吞吐量的影響就與在理想信道估計(jì)條件下一樣，是輕微的。

表5　使用泄漏電纜情況下的鏈路預(yù)算

圖3　漏電覆蓋距離

引用混合自動重傳請求（HARQ）技術(shù)可以從某種程度上減輕多普勒頻移的負(fù)面影響。在采用增量冗余（Incremental Redundancy，IR）合并的HARQ系統(tǒng)中，在低速移動情況下，如果將子載波間隔設(shè)置為13kHz和15kHz，則系統(tǒng)相對6.65kHz子載波間隔的系統(tǒng)分別有3%和5%的系統(tǒng)吞吐量損失；如果將子載波間隔設(shè)置為11.25kHz和15.75kHz，則系統(tǒng)相對6.65kHz子載波間隔的系統(tǒng)，CP開銷從4%分別增大到6%和8%，性能的下降和開銷的提高處于可以接受的水平。

在高速移動（350km/h）情況下，只要子載波間隔大于11kHz，多普勒頻移就不會造成嚴(yán)重的性能下降。因此，將子載波間隔設(shè)置在11～15kHz對LTE系統(tǒng)是比較合適的。由于15kHz可以使E-UTRA系統(tǒng)和UTRA系統(tǒng)具有相同的碼片速率，從而從某種程度上降低開發(fā)成本，因此LTE最終決定在單播（Unicast）系統(tǒng)中采用15kHz的子載波間隔，相應(yīng)的符號長度為66.67μs（不包括CP）。

3.2采用單小區(qū)多RRU級聯(lián)技術(shù)

為了保證用戶的感知，就必須減少小區(qū)之間切換、增加小區(qū)的覆蓋范圍。為了擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，可采用基帶池+RRU（射頻拉遠(yuǎn)單元）的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，利用基帶合并技術(shù)將多個(gè)RRU合并成一個(gè)小區(qū)。沿著高鐵線路的多個(gè)RRU合并成同一小區(qū)，從而減少切換頻率來提高網(wǎng)絡(luò)性能，如圖3。在下行方向，基站相當(dāng)于多個(gè)站點(diǎn)同頻分集發(fā)射，每個(gè)RRU的發(fā)射信號是相同的。手機(jī)可以在多RRU的覆蓋重疊區(qū)得到接收增益，增強(qiáng)了下行信號的接收效果。上行方向，基站相當(dāng)于多路接收，處于多個(gè)RRU覆蓋重疊區(qū)手機(jī)的上行信號，由多個(gè)RRU的天線同時(shí)接收到，接收數(shù)據(jù)通過光纖傳遞到基帶池之后，基帶處理板實(shí)現(xiàn)多路合并分集接收，提高了上行接收靈敏度和抗干擾能力。

圖4　單小區(qū)多RRU級聯(lián)

高鐵列車車體有較強(qiáng)的屏蔽效果，需要足夠的覆蓋信號強(qiáng)度，這樣便限制了覆蓋區(qū)域的不能太大。當(dāng)屬于同一邏輯小區(qū)的多個(gè)RRU，覆蓋區(qū)域部分重疊連環(huán)相連之后，構(gòu)成一個(gè)狹長地帶的高信號強(qiáng)度的適合鐵路沿線的小區(qū)覆蓋方案，有利于增加覆蓋信號強(qiáng)度。

目前已有設(shè)備廠家支持12RRU合并能力，可以最大限制保障高速用戶業(yè)務(wù)體驗(yàn)：用戶在時(shí)速350km的高速移動場景下，平均60s左右切換一次，用戶體驗(yàn)優(yōu)于宏網(wǎng)普通用戶感知（目前測試平均40s左右切換一次）。

3.3隧道外站點(diǎn)方案

由于不同的入射角對應(yīng)的穿透損耗不同，當(dāng)信號垂直入射時(shí)的穿透損耗最小。當(dāng)基站的垂直位置距離鐵道較近時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣信號進(jìn)入車廂的入射角小，穿透損耗大。實(shí)際測試表明，當(dāng)入射角小于10度左右，穿透損耗增加的斜率變大。如圖4：

站點(diǎn)布局原則如下：

（1）交錯(cuò)站點(diǎn)布局：為了保障兩車交會時(shí)車廂內(nèi)兩側(cè)用戶的覆蓋質(zhì)量，高鐵站點(diǎn)應(yīng)盡量交錯(cuò)分布于鐵路兩側(cè)，以助于改善和優(yōu)化切換區(qū)域，并利于車廂內(nèi)兩側(cè)用戶接收信號質(zhì)量相對均勻。

（2）站點(diǎn)離鐵路距離：為了降低入射角對高鐵穿透損耗的影響以及對頻偏的影響，基站覆蓋方向和軌道方向夾角建議在10度左右，可得站點(diǎn)離鐵路在100m左右；同時(shí)考慮高鐵網(wǎng)絡(luò)站間距以及與周邊宏網(wǎng)基站干擾問題，建議站點(diǎn)離鐵路距離不超過300m。

（3）站點(diǎn)高度：為保障高鐵線路覆蓋，高架線路場景建議天面距離地面高度25-40m，即天線相對鐵軌高度在15-30m左右（高鐵架高10m）。

（4）拐角站點(diǎn)布局：拐角區(qū)域應(yīng)選擇拐角內(nèi)布局站點(diǎn)，有助于減小基站覆蓋方向和軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響。

3.4隧道及隧道口覆蓋方案

針對隧道覆蓋，可采用天線覆蓋或泄漏電纜覆蓋兩種方案。采用泄漏電纜覆蓋方式時(shí)，隧道出入口需要通過設(shè)置天線外打的方式與外部信號實(shí)現(xiàn)良好銜接。

3.4.1短隧道覆蓋方案

覆蓋方案采用隧道兩端RRU共小區(qū)，在隧道口兩端建設(shè)RRU站點(diǎn)，采用高低不同的天線掛高，低掛高天線直射隧道口對隧道內(nèi)部進(jìn)行覆蓋，高掛高天線覆蓋隧道相反的方向。覆蓋方式如圖5。

圖5　穿透損耗

3.4.2長隧道覆蓋方案

泄露電纜的覆蓋距離按照如下公式計(jì)算得出：

漏纜覆蓋距離=｛導(dǎo)頻功率-（跳線損耗+功分合路損耗+漏纜耦合損耗+車體損耗+人體損耗+隧道寬度因子及余量）｝/每百米損耗

根據(jù)鏈路預(yù)算得出，F(xiàn)DD-LTE的覆蓋單向距離為585m左右。因?yàn)樗淼乐幸话銌芜吤扛?00m一個(gè)避車洞可放置RRU等設(shè)備，因此FDD-LTE需要每500m放置RRU。

長隧道覆蓋如圖6。

圖6　短隧道覆蓋

圖7　長隧道覆蓋

連續(xù)隧道覆蓋如圖7。

圖8　連續(xù)隧道覆蓋

隧道中的漏纜可以僅隧道一側(cè)安裝一根，也可以兩側(cè)各安裝一根，兩側(cè)各安裝一根則會導(dǎo)致造價(jià)成倍提高，一般不建議兩側(cè)同時(shí)安裝。

3.4.3隧道口覆蓋方案

為保證列車進(jìn)出隧道口的時(shí)候用戶能夠順利切換，通常有下列兩種方式。

（1）隧道口高增益天線向外覆蓋（圖8）；

（2）隧道外放置高增益天線向隧道方向覆蓋（圖9）。

圖9　隧道口覆蓋方式一

圖10　隧道口覆蓋方式二

前者適用于隧道口可以安裝天線的情況，在隧道口發(fā)生切換；后者適用于隧道口沒有合適位置安裝天線的情況，隧道口出來以后仍然延續(xù)隧道內(nèi)同一小區(qū)的信號，經(jīng)過一個(gè)基站緩沖后，與其它小區(qū)發(fā)生切換。

第一種方式選址有一定困難，第二種方式設(shè)備級聯(lián)能力要求更高，根據(jù)現(xiàn)場具體情況靈活選擇使用。

3.4.4車站覆蓋方案

車站高速覆蓋時(shí)，重點(diǎn)考慮公網(wǎng)和專網(wǎng)的切換原則和對應(yīng)關(guān)系，能夠保證公網(wǎng)用戶順利切入高鐵專網(wǎng)用戶，同時(shí)保證離開站臺時(shí)，拒絕乒乓位置更新，減少公網(wǎng)用戶干擾專網(wǎng)。

為控制公網(wǎng)與專網(wǎng)之間的互操作，需要在高鐵車站建立過渡小區(qū)，而過渡小區(qū)是通過車站室內(nèi)分布系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)。如果缺少室分系統(tǒng)進(jìn)行公網(wǎng)與高鐵專網(wǎng)的隔離，很難兼顧高鐵和非高鐵用戶的進(jìn)出專網(wǎng)，因此車站室內(nèi)覆蓋需要同步建設(shè)，具體如圖11：

圖11　車站覆蓋

參考文獻(xiàn)

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DOI:10.3969/j.issn.1006-6403.2016.05.011

收稿日期：（2016-04-01）