TD-LTE高鐵網(wǎng)絡(luò)性能提升研究

□ 文崔新凱 王翔 趙輝 魏克敏

TD-LTE高鐵網(wǎng)絡(luò)性能提升研究

□ 文崔新凱 王翔 趙輝 魏克敏

一、引言

高鐵網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量是三大運(yùn)營商的品牌形象，目前高鐵TD-LTE網(wǎng)絡(luò)目前面臨覆蓋、容量、用戶體驗(yàn)以及競爭壓力等幾個(gè)方面的挑戰(zhàn)，同時(shí)由于高鐵具有行駛速度快、多普勒頻移明顯、切換頻繁以及TD-LTE頻段較高等幾個(gè)方面的影響，加之VoLTE業(yè)務(wù)對覆蓋電平值要求更高，高鐵線路覆蓋是移動運(yùn)營商需要重點(diǎn)解決的網(wǎng)絡(luò)難點(diǎn)之一。

二、高鐵專網(wǎng)存在問題

高鐵目前已基本完成TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的全線覆蓋，但是隨著4G客戶快速發(fā)展、業(yè)務(wù)流量大幅增長，高鐵專網(wǎng)容量受限已經(jīng)成為當(dāng)前突出的難點(diǎn)問題；另外，客戶感知下降，尤其是數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)體驗(yàn)劣于競爭對手，網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容需求迫切，下一步需重點(diǎn)解決的難題主要包括：

1、網(wǎng)絡(luò)覆蓋仍需完善

TD-LTE部分線路之前按照F頻點(diǎn)進(jìn)行的基站建設(shè)，現(xiàn)有站間距不能滿足D頻段連續(xù)覆蓋，需要對站點(diǎn)進(jìn)行調(diào)整優(yōu)化；高鐵沿線橋梁、隧道等場景較多，TD-LTE站址選擇難度大，增加了建設(shè)難度和投資成本。

2、客戶感知有待提升

因?yàn)楦哞F線路移動速度快，部分區(qū)域仍存在弱覆蓋情況，部分路段VoLTE業(yè)務(wù)質(zhì)量不能滿足要求，需要進(jìn)一步加強(qiáng)覆蓋，提升數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)用戶體驗(yàn)。

3、容量壓力

隨著TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的完善、4G用戶數(shù)的大幅增加，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)面臨擴(kuò)容壓力。

4、競爭壓力

電信、聯(lián)通低頻段優(yōu)勢明顯，移動運(yùn)營商要保障高鐵用戶數(shù)據(jù)和VoLTE業(yè)務(wù)雙重感知，需要付出的投資成本較大，面臨的競爭壓力也較大。

三、新技術(shù)應(yīng)用

（一）高速移動

高速移動技術(shù)是基站根據(jù)接收的上行信號頻率進(jìn)行頻偏估計(jì)，然后在基帶側(cè)對頻偏信號進(jìn)行頻率估計(jì)和頻偏校正，提高上行信號解調(diào)性能。包括RACH檢測、PUCCH檢測、PUSCH檢測等三項(xiàng)內(nèi)容，目前此功能能夠支持350km/h下的移動速度頻偏估計(jì)及校正。其系統(tǒng)原理圖見圖1所示。

（二）小區(qū)合并技術(shù)

小區(qū)合并技術(shù)是指當(dāng)列車高速移動在短時(shí)間內(nèi)穿越多個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)間切換，通過小區(qū)合并技術(shù)將多個(gè)RRU組合成同一個(gè)邏輯小區(qū)，以有效減少小區(qū)之間的切換次數(shù)，增加單小區(qū)的覆蓋距離。目前設(shè)備最大可選擇12個(gè)2通道RRU合并，BBU到RRU的光纖拉遠(yuǎn)距離建議不超過10公里。其技術(shù)原理圖如圖2所示。

圖1 高速移動技術(shù)系統(tǒng)原理圖

由于高鐵列車的穿透損耗大，為滿足覆蓋設(shè)計(jì)目標(biāo)，單RRU覆蓋范圍不能太大，站間距平均600-1000米，若在無多RRU小區(qū)合并的情況下，假設(shè)列車以300km/h運(yùn)行，則列車每10秒左右將進(jìn)行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將增加切換失敗和掉話概率，影響整體吞吐量，極大降低網(wǎng)絡(luò)的性能。通過小區(qū)合并技術(shù)能減少切換次數(shù)，降低掉話率。

下面以某省高鐵線路實(shí)際測試結(jié)論：

1、12RRU合并小區(qū)覆蓋距離達(dá)到6km，相對6RRU合并，切換次數(shù)減少50%。300km/h切換時(shí)延70－80秒，用戶感知明顯優(yōu)于宏網(wǎng)（全國ATU路測統(tǒng)計(jì)平均40-50秒切換一次）。

2、現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測12RRU合并組網(wǎng)后整體下行平均速率由23.4Mbps提升到25.3Mbps,下行平均吞吐率提升8%。

3、現(xiàn)網(wǎng)實(shí)測12RRU合并組網(wǎng)后小區(qū)邊緣性能改善明顯，5M以下比例由3%提升為0%，10M以下比例由8%提升為1%。

4、12RRU合并組網(wǎng)可以有效提升單RRU覆蓋半徑，從而達(dá)到減少站點(diǎn)投資的目的。

（三）公網(wǎng)用戶遷出功能

公網(wǎng)用戶遷出功能是根據(jù)上行多普勒頻移判斷終端移動速度，利用高鐵用戶與非高鐵用戶收到的頻偏值不同，判斷出移動速度低的用戶，周期性遷出到周邊公網(wǎng)。對高鐵沿線公網(wǎng)用戶占用專網(wǎng)資源較多的專網(wǎng)小區(qū)，部署公網(wǎng)用戶遷出功能。如下圖3所示。

1、公網(wǎng)用戶遷出效率與周邊公網(wǎng)覆蓋質(zhì)量、高鐵車速相關(guān)，不同場景下的遷出效率存在差異，整體效率在50%-90%之間。根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)測試結(jié)果顯示：車速大于120km/小時(shí)場景下，遷出效果較好，車站及低速區(qū)域遷出效果欠佳；城區(qū)、郊區(qū)等公網(wǎng)用戶較多場景遷出效果明顯，農(nóng)村地區(qū)遷出效果欠佳。

2、補(bǔ)充D頻段公網(wǎng)覆蓋能夠提升遷出效率，整體提升10-15個(gè)百分點(diǎn)。無D頻段公網(wǎng)補(bǔ)充覆蓋時(shí)，整體遷出效率在55%-70%之間；存在D頻段公網(wǎng)補(bǔ)充覆蓋時(shí)，整體遷出效率在65%-85%之間。

3、存在公網(wǎng)用戶占用專網(wǎng)資源情況的站點(diǎn)，應(yīng)部署公網(wǎng)用戶遷出功能，對于公網(wǎng)覆蓋弱、遷出比例低的站點(diǎn)，應(yīng)利用專網(wǎng)站址部署D頻段公網(wǎng)加強(qiáng)公網(wǎng)覆蓋，提升遷出效率。

（四）4T4R覆蓋增強(qiáng)

4T4R方案是在同一抱桿上新增一個(gè)RRU，與原有RRU雙拼為一個(gè)4T4R方案，4T4R方案最大可提升3dB覆蓋能力，站間距提升最大可達(dá)20%左右；但是4T4R技術(shù)大多數(shù)廠家需要新增硬件設(shè)備，并減少了小區(qū)合并的物理站點(diǎn)數(shù)，導(dǎo)致高鐵線路切換次數(shù)增多，增大了掉話率。以下為國內(nèi)某兩條高鐵線路的測試數(shù)據(jù)。

試點(diǎn)1：杭長高鐵某段某兩站點(diǎn)，站間距1.4km，改造前后增益明顯，下載速率提升70%。

試點(diǎn)2：武廣高鐵某段某兩站點(diǎn)，站間距離相隔1046米，地勢平坦，站間距偏遠(yuǎn)、該路段存在弱覆蓋。方案實(shí)施前RSRP值低于-105dbm的路段為300米左右，優(yōu)化后RSRP值高于-100dbm，弱覆蓋已解決。

圖2 小區(qū)合并技術(shù)原理圖

應(yīng)用建議：對于不連續(xù)覆蓋的區(qū)域，如果站間距不滿足規(guī)劃要求時(shí)，應(yīng)首先進(jìn)行天饋優(yōu)化；如果仍不能實(shí)現(xiàn)連續(xù)覆蓋，則考慮補(bǔ)點(diǎn)建設(shè)；在站址獲取困難的情況下可考慮采用4T4R作為覆蓋增強(qiáng)的補(bǔ)充手段，4T4R適合部署在地勢平坦、天面視通，站間距不宜超過1km的場景。

（五）下行糾偏技術(shù)

下行預(yù)糾偏技術(shù)是基站側(cè)根據(jù)上行數(shù)據(jù)的頻偏量，對下行數(shù)據(jù)進(jìn)行一定程度的小區(qū)級預(yù)糾偏，減少下行數(shù)據(jù)的最大頻偏量。高鐵下行預(yù)糾偏技術(shù)指在高鐵小區(qū)合并組網(wǎng)場景下，在不同扇區(qū)的交疊區(qū)域，高速UE接收到的兩個(gè)扇區(qū)信號間存在一正一反兩個(gè)較大的多普勒頻偏，需要采用預(yù)糾偏的方式來優(yōu)化，即兩相鄰扇區(qū)分別進(jìn)行相對糾偏，來減小頻偏量。如下圖4所示。

下行預(yù)糾偏功能主要針對高鐵沿線，單抱桿單物理小區(qū)組網(wǎng)方式，基站通過選擇信號差在一定范圍內(nèi)的用戶頻偏計(jì)算出下行糾偏量，進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到減小性能損失的目的。通過下行預(yù)糾偏技術(shù)可有效避免存量高通舊版本芯片終端（如Iphone5s/6/6plus）頻偏跟蹤能力較差（F頻段時(shí)速超過250km/小時(shí)）導(dǎo)致的4G脫網(wǎng)問題，并提升用戶下行速率。當(dāng)前下行糾偏主要依賴終端進(jìn)行，而終端支持能力存在一定糾偏范圍。高鐵場景下，由于快速移動帶來的多普勒頻移效應(yīng)，當(dāng)用戶處于抱桿中心位置時(shí)，會同時(shí)跟蹤來自兩個(gè)扇區(qū)設(shè)備的正負(fù)兩個(gè)頻偏，當(dāng)糾偏量超出終端糾偏范圍后，容易導(dǎo)致糾偏失靈，影響終端下行解調(diào)，甚至還會導(dǎo)致脫網(wǎng)。

通過岳陽到長沙段武廣高鐵實(shí)際測試驗(yàn)證，高鐵下行預(yù)糾偏技術(shù)提升小區(qū)拉網(wǎng)平均吞吐量超過12%，同時(shí)專網(wǎng)KPI指標(biāo)整體有所改善，用戶體驗(yàn)和網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)均得到提升。

（六）高鐵專網(wǎng)擴(kuò)容

當(dāng)前，隨著4G網(wǎng)絡(luò)的快速發(fā)展以及乘坐高鐵出行成為人們的第一選擇，容量受限逐漸成為高鐵業(yè)務(wù)感知下降的突出問題，因此解決好專網(wǎng)擴(kuò)容是專網(wǎng)性能提升的重要措施。由于高速移動和專有頻率特性，因此針對高鐵專網(wǎng)的擴(kuò)容方案，首先從高鐵業(yè)務(wù)的特點(diǎn)進(jìn)行分析：

1、高鐵專網(wǎng)業(yè)務(wù)需求為脈沖式需求。

高鐵場景業(yè)務(wù)模型以小包業(yè)務(wù)為主；每個(gè)小區(qū)只在過車的時(shí)間有用戶，其他時(shí)間基本無用戶或?yàn)楣W(wǎng)駐留專網(wǎng)用戶；網(wǎng)管統(tǒng)計(jì)的平均值無法真正反映小區(qū)用戶高峰時(shí)小區(qū)利用率情況；秒級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)只能統(tǒng)計(jì)RRC連接數(shù)、RB使用數(shù)等個(gè)別數(shù)據(jù)，且在統(tǒng)計(jì)小區(qū)數(shù)量上有限制，同時(shí)最多同時(shí)統(tǒng)計(jì)10個(gè)小區(qū)，無法做到全程全網(wǎng)的監(jiān)控。

圖3 公網(wǎng)用戶遷出功能原理圖

圖4 下行糾偏技術(shù)原理圖

2、高鐵專網(wǎng)用戶空間集中度高。

根據(jù)高鐵的行車距離，同方向不會有兩列高鐵駐留同一小區(qū)，小區(qū)最大用戶數(shù)為兩列高鐵錯(cuò)車的情況；車內(nèi)所有用戶同時(shí)駐留在同一個(gè)小區(qū)，高鐵用戶始終處在小區(qū)用戶數(shù)最多的時(shí)刻，高鐵專網(wǎng)要按照過車時(shí)刻的情況考慮高鐵容量需求。

3、從前面的高鐵業(yè)務(wù)特點(diǎn)分析可以得出以下結(jié)論：高鐵擴(kuò)容須以列車過車時(shí)刻的需求考慮容量；衡量高鐵專網(wǎng)利用率的指標(biāo)明確為“過車時(shí)刻小區(qū)忙時(shí)RRC連接平均數(shù)”，取值方法為使用連續(xù)7天小區(qū)自忙時(shí)均值。

4、根據(jù)多次測試驗(yàn)證，最終確定高鐵擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)如下：高鐵線路專網(wǎng)應(yīng)根據(jù)忙時(shí)平均RRC連接數(shù)、所在線路的客流量等因素，兼顧投資效益進(jìn)行擴(kuò)容。忙時(shí)平均RRC連接數(shù)指在網(wǎng)管自忙時(shí)對應(yīng)時(shí)段內(nèi)，小區(qū)秒級監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)中過車時(shí)刻RRC連接數(shù)的平均值，與列車人數(shù)、終端滲透率等因素有關(guān)。當(dāng)每小區(qū)忙時(shí)平均RRC連接數(shù)大于250而小于500時(shí)，可考慮擴(kuò)容為雙載頻；當(dāng)每小區(qū)忙時(shí)平均RRC連接數(shù)大于500時(shí)，可考慮擴(kuò)容為三載頻。各條高鐵線路擴(kuò)容時(shí)還需要兼顧年客運(yùn)量等指標(biāo)，對于年客運(yùn)量小于1000萬人次的線路，原則上應(yīng)以單載頻覆蓋為主，暫不擴(kuò)容。

（七）專網(wǎng)疊加D頻段

根據(jù)高鐵專網(wǎng)的擴(kuò)容要求和擴(kuò)容標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)業(yè)務(wù)負(fù)荷達(dá)到擴(kuò)容門限時(shí)，可啟動專網(wǎng)疊加D頻段方案。由于現(xiàn)網(wǎng)高鐵線路多為基于F頻段連續(xù)覆蓋而設(shè)計(jì)的站點(diǎn)間距，因此疊加D頻段時(shí)首先要考慮是否滿足D頻段連續(xù)性覆蓋。

1、D頻段不連續(xù)覆蓋的影響。

由于D頻段覆蓋距離小于F頻段，如果在按照F頻段連續(xù)覆蓋規(guī)劃的站址上直接部署D頻段，將不能保證D頻段連續(xù)覆蓋，會造成：切換次數(shù)大量增加，影響用戶業(yè)務(wù)感知：從高鐵實(shí)測數(shù)據(jù)來看，在小區(qū)切換位置，流量有明顯下降，影響整體吞吐量；VoLTE業(yè)務(wù)切換一次MOS分損失約0.44分；高鐵專區(qū)切換成功率低，影響網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

2、D頻段部署建議。

應(yīng)盡量實(shí)現(xiàn)D頻段的連續(xù)覆蓋，并做好小區(qū)合并，減少切換次數(shù)。VoLTE優(yōu)先承載在F頻段，D頻段主要承載數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)。對于部署D頻段，解決公網(wǎng)用戶占用專網(wǎng)，造成部分高鐵專網(wǎng)小區(qū)容量過高的問題：可進(jìn)行D頻段非連續(xù)的熱點(diǎn)小區(qū)覆蓋；通過公網(wǎng)用戶遷出等功能使公網(wǎng)用戶優(yōu)先駐留在D頻段，讓出F頻段資源給高鐵用戶。優(yōu)化高鐵專網(wǎng)的切換參數(shù)設(shè)置，提升高鐵專網(wǎng)的切換成功率。

3、D頻段擴(kuò)容后分流效果不佳應(yīng)對策略部分線路多載波擴(kuò)容后第二載波分流效果不理想：從京滬、京廣兩個(gè)小區(qū)的監(jiān)控情況看出，第二載波用戶數(shù)很少，需要精細(xì)優(yōu)化參數(shù)，保證負(fù)載均衡；在弱覆蓋區(qū)域D頻段用戶切換到F頻段，使得高鐵用戶主要承載在F頻段，也會造成擴(kuò)容效果不理想。合理優(yōu)化負(fù)載均衡相關(guān)參數(shù)保證F、D的負(fù)載均衡。通過補(bǔ)充站點(diǎn)、增強(qiáng)覆蓋方案等保證D頻段連續(xù)覆蓋。

四、結(jié)束語

受FDD牌照的影響，移動運(yùn)營商目前只能選用F/D頻段建設(shè)高鐵網(wǎng)絡(luò)，高頻帶來的問題就是連續(xù)覆蓋需要更多的基站數(shù)和切換次數(shù)頻繁，同時(shí)增加了掉話率和切換失敗率，為了保持競爭優(yōu)勢，未來幾年，移動運(yùn)營商需要加大新技術(shù)的應(yīng)用力度，加快新設(shè)備的部署，加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，早安排、早行動，按期完成新建高鐵線路的覆蓋，科學(xué)組織已覆蓋高鐵線路的4G專網(wǎng)擴(kuò)容，用足頻率資源，加強(qiáng)公網(wǎng)與專網(wǎng)協(xié)同優(yōu)化，確?？蛻舾兄?、支撐未來業(yè)務(wù)發(fā)展、形成競爭優(yōu)勢?！?/p>

（作者單位：中國移動通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司，主要研究方向?yàn)闊o線網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用。）

［1］劉方森，李壽鵬，李方村. 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.