高鐵LTE覆蓋優(yōu)化方法研究

□ 文 陳國(guó)平

高鐵LTE覆蓋優(yōu)化方法研究

□ 文 陳國(guó)平

1. 引言

目前各運(yùn)營(yíng)商已經(jīng)建立高鐵移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)。隨著TD-LTE技術(shù)的發(fā)展，TD-LTE高鐵網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)再次成為各運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。

2. 高鐵場(chǎng)景覆蓋特點(diǎn)

2.1 多普勒頻移明顯

高鐵覆蓋場(chǎng)景相較于普通覆蓋場(chǎng)景，主要在于高速移動(dòng)環(huán)境下的多普勒效應(yīng)。無(wú)線信號(hào)傳播過程中有各種反射、折射等，到達(dá)接收機(jī)的是很多個(gè)信號(hào)的疊加，每個(gè)到達(dá)信號(hào)分量的多普勒頻移不同，到達(dá)時(shí)延也略有差別，稱作多普勒效應(yīng)。

多普勒頻移在LTE高鐵覆蓋時(shí)的特征如下：

1、用戶移動(dòng)過程中，多譜勒頻移隨著用戶的位置變化而變化；

2、當(dāng)列車駛向基站時(shí)，波長(zhǎng)變短，合成頻率增加；

3、當(dāng)列車駛出基站時(shí)，波長(zhǎng)變長(zhǎng)，合成頻率減小;

4、當(dāng)列車正好經(jīng)過基站軸線時(shí)，頻偏為0，但此時(shí)，頻偏變化最大；

2.2 高速移動(dòng)中切換重選頻繁

高速移動(dòng)的環(huán)境主要問題是快速切換。若切換區(qū)過小，導(dǎo)致終端在切換未處理完成之前，與原服務(wù)小區(qū)失去連接，使得業(yè)務(wù)中斷，需要考慮多普勒頻移和高速切換重選。所以，對(duì)于高速鐵路沿線的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，要根據(jù)切換啟動(dòng)門限參數(shù)的設(shè)計(jì)，以及完成切換流程所需時(shí)間統(tǒng)計(jì)，估算切換區(qū)所需的切換帶大小，只有當(dāng)兩個(gè)小區(qū)切換區(qū)設(shè)計(jì)得足夠大，才能保證UE將滿足切換條件的測(cè)量事件上報(bào)之后，有足夠的時(shí)間跨越整個(gè)切換區(qū)，進(jìn)行正常切換；

2.3 覆蓋場(chǎng)景復(fù)雜

高鐵站臺(tái)：移動(dòng)用戶流量較大，用戶通信需求高；并且涉及與公網(wǎng)站點(diǎn)互相切換問題；

密集城區(qū)：建設(shè)阻擋嚴(yán)重，且可能與公網(wǎng)重疊覆蓋，產(chǎn)生與公網(wǎng)互干擾，用戶在公網(wǎng)與專網(wǎng)之間頻繁切換問題；

開闊區(qū)：地勢(shì)開闊，無(wú)線環(huán)境良好；傳輸電源配套建設(shè)成本高，設(shè)備安裝環(huán)境差；

高架橋梁：地勢(shì)狹窄，橋梁上站站點(diǎn)部困難；傳輸電源配套建設(shè)成本高，設(shè)備安裝環(huán)境差；

隧道：地勢(shì)狹窄，隧道內(nèi)彎道易形成陰影衰落，施工困難，易形成多普勒頻移。

2.4 車廂穿透損耗大

車型不一樣，車廂穿透損耗稍有差別，根據(jù)鏈路預(yù)算，D頻段車廂穿透損耗為28dB,F頻段穿透損耗為26dB; 根據(jù)北京南站車廂內(nèi)外選點(diǎn)，實(shí)際測(cè)試結(jié)果為D頻段損耗為26dB,F頻段為22dB。

3. 高鐵場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃

3.1 組網(wǎng)方案

高鐵鐵路屬于典型的線性高速覆蓋場(chǎng)景，其特點(diǎn)為用戶移動(dòng)速度高、切換頻繁。在這種場(chǎng)景下，采用超級(jí)小區(qū)合并技術(shù)，把原本多個(gè)小區(qū)合并成一個(gè)超級(jí)小區(qū)Super Cell，將小區(qū)間的切換變?yōu)樾^(qū)內(nèi)部不同CP（Cell Portion）間的轉(zhuǎn)換，這樣可以大幅度降低切換次數(shù)，提高整體切換成功率。另外采用了小區(qū)合并技術(shù)，小區(qū)內(nèi)部各CP間還可獲得一定的合并分集增益，對(duì)于提高鏈路質(zhì)量也有一定的好處。

目前高鐵TD-LTE網(wǎng)絡(luò)，采用2天線6 CP合并的方案，同一抱桿上的兩個(gè)雙通道RRU背靠背放置，組成一個(gè)Super Cell，如圖1所示。

3.2 頻段選擇

現(xiàn)在國(guó)內(nèi)高鐵通常選擇F頻段和D頻段，高鐵一般建議跟公網(wǎng)異頻組網(wǎng)，當(dāng)需要跟公網(wǎng)同頻的時(shí)候，建議采用另外一個(gè)頻段頻點(diǎn)在郊區(qū)與高鐵之間做一個(gè)3～4層鄰區(qū)的隔離帶；

由于D頻段頻點(diǎn)資源豐富，且穿透損耗大于F頻段（如表1），站間距要求較F頻段更小。所以無(wú)論是F頻段覆蓋還是D頻段覆蓋，建議規(guī)劃時(shí)盡量按照1km以內(nèi)站間距規(guī)劃，以保證后續(xù)共站增加D頻段時(shí)，站址拓?fù)洳恍枰兓?/p>

4. 覆蓋優(yōu)化

4.1 覆蓋優(yōu)化目標(biāo)

高鐵專網(wǎng)覆蓋，因網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，且采用了CP合并，因此覆蓋指標(biāo)要求高于公網(wǎng)。

圖1 TD-LTE超級(jí)小區(qū)合并方案示意圖

表1 F/D頻段站點(diǎn)規(guī)劃差異見下：

車廂內(nèi)座位上指標(biāo)（考慮車廂穿透損耗22dB，F(xiàn)頻段）；

覆蓋率大于95%（RSRP大于-100dBm，且SINR大于0）；

R SR P均值大于-85d B m，SIN R均值大于17；

重疊覆蓋率：（R SRP＞-110 dBm，差值6dB）小于1%（基于掃頻統(tǒng)計(jì)）。

4.2 覆蓋優(yōu)化要點(diǎn)

1、通過常規(guī)方法調(diào)整小區(qū)發(fā)射功率、小區(qū)天線方位角、下傾角，解決小區(qū)弱覆蓋、越區(qū)覆蓋，以達(dá)到降低干擾，提升高鐵沿線TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量；

2、合理規(guī)劃D頻段、F頻段PCI，避免出現(xiàn)小區(qū)模3干擾及特殊算法要求規(guī)劃PCI，降低干擾，提升業(yè)務(wù)性能；

3、優(yōu)先在高鐵專線配置2CP的情況下，做好單站點(diǎn)2CP覆蓋優(yōu)化與切換帶優(yōu)化之后，再進(jìn)行更高級(jí)別CP合并。如果直接進(jìn)行多CP合并，超級(jí)小區(qū)內(nèi)部覆蓋將很難實(shí)施優(yōu)化；

4、優(yōu)化切換帶提升性能；采用超級(jí)小區(qū)降低切換頻次，提升切換性能。

4.3 重疊覆蓋控制

合理重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小會(huì)導(dǎo)致切換失敗，過大則會(huì)站間距增加，因此高鐵覆蓋規(guī)劃優(yōu)化中要合理設(shè)計(jì)重疊覆蓋區(qū)域，如圖2。

重疊距離= 2* (切換遲滯對(duì)應(yīng)距離+切換測(cè)量距離（128ms）+切換執(zhí)行時(shí)間（100ms）

=2*（40+移動(dòng)速度*0.228），如下表2

在高鐵專網(wǎng)場(chǎng)景下，考慮適當(dāng)預(yù)留，重疊切換帶按200m預(yù)留。

4.4 天線方位角配置

如果站點(diǎn)分布按照高鐵規(guī)劃，按照“之”形分布于鐵路兩邊，則建議方位角設(shè)置應(yīng)保證鐵路上有足夠的覆蓋強(qiáng)度，天線方位角與鐵路線路呈一定角度的夾角覆蓋。

方位角可通過地圖測(cè)量得到，使用角度測(cè)量工具，計(jì)算最佳方位角。

最佳方位角計(jì)算方法：

1、M為兩個(gè)站點(diǎn)之間的距離；取站點(diǎn)之間距離一半，假設(shè)兩站點(diǎn)相向小區(qū)重疊覆蓋200m（即：L=M/2+200m）；L作為小區(qū)的上半功率角覆蓋半徑；

2、通過三角函數(shù)計(jì)算出小區(qū)上波瓣覆蓋半徑落點(diǎn)與高鐵的交匯時(shí)的方向角Y（這里是上波瓣的，最終取主波瓣在高鐵線的落點(diǎn)是小區(qū)方向角）；可使用下面的角度測(cè)量工具完成該操作；

圖2 高鐵切換重疊覆蓋帶示意圖

表2 各種速度場(chǎng)景下重疊覆蓋距離計(jì)算

圖3 角度測(cè)量工具

圖4 天線下傾角設(shè)計(jì)示意圖

圖 5D頻段2CP切換

圖6 D頻段4CP切換

圖7 調(diào)整前越區(qū)嚴(yán)重

圖8 調(diào)整后覆蓋圖

圖9 越區(qū)覆蓋調(diào)整

3、為了使小區(qū)主波瓣落在高鐵線上，預(yù)估小區(qū)方向角Y加或者減15度；（考慮天線寬度為33度，取其一半）如圖3。

4.5 天線下傾角優(yōu)化

高鐵覆蓋對(duì)象明確，因此需要合理設(shè)置下傾角，確保高鐵軌道面的覆蓋，同時(shí)避免越區(qū)覆蓋。高鐵下傾角的調(diào)整，應(yīng)優(yōu)先滿足切換帶的覆蓋強(qiáng)度，之后再嚴(yán)格控制越區(qū)覆蓋。實(shí)際中應(yīng)盡量下壓天線傾角，以切換帶不出現(xiàn)弱覆蓋為目標(biāo)。

在實(shí)際設(shè)計(jì)中，基站天線和軌道面之間存在如下圖4的關(guān)系。

根據(jù)三角函數(shù)可以推導(dǎo)天線下傾和小區(qū)覆蓋半徑之間的關(guān)系如下：

這里的 a 的單位是弧度，需要轉(zhuǎn)換成角度。轉(zhuǎn)換成角度后的 a 的關(guān)系如下：

簡(jiǎn)化公式：天線下傾角 = a r c t a g ( H / D ) +垂直半功率角/2

當(dāng)我們選用的天線帶有固定電子下傾角 時(shí)，這時(shí)需要下壓的機(jī)械下傾角為：

我們知道，調(diào)整天線下傾角的工具——水平儀是有一定的精度的，一般能夠精確到1度。因此需要針對(duì)計(jì)算的 a 角度進(jìn)行四舍五入。目前常用的LTE天線2通道產(chǎn)品都帶有6度電下傾，實(shí)際調(diào)整時(shí)需核實(shí)電子下傾后調(diào)整機(jī)械下傾。

根據(jù)路測(cè)，使用路測(cè)軟件測(cè)量出需要加強(qiáng)覆蓋的區(qū)域（或規(guī)劃的切換帶的邊緣）距離基站的距離，將要覆蓋的距離、站高、天線增高高度、站點(diǎn)海波高度、覆蓋區(qū)域海拔高度、天線垂直波瓣寬度（TD使用7度）、預(yù)置電下傾角輸入下面的excel表中，即可得到需要設(shè)置的下傾角。

4.6 超級(jí)小區(qū)合并

京滬高鐵的車速在專網(wǎng)段接近300km/h，平均每秒鐘行車83.3m。如果高鐵小區(qū)未進(jìn)行小區(qū)合并，則列車經(jīng)過一個(gè)小區(qū)（覆蓋半徑約650m）的時(shí)間約為8秒，這樣切換將會(huì)非常頻繁，切換過程中也容易出現(xiàn)切換失敗、掉話等異常事件。

采用超級(jí)小區(qū)合并的方式可切換頻次優(yōu)化，降低線路上的超級(jí)主小區(qū)數(shù)目，從而提供切換成功率。優(yōu)先在2CP的情況下，做好單站點(diǎn)2CP覆蓋優(yōu)化與切換帶優(yōu)化之后，再進(jìn)行更多的CP合并。避免直接合并多個(gè)CP后，不好進(jìn)行覆蓋控制的弊端。

高鐵小區(qū)進(jìn)行超級(jí)小區(qū)合并后，增大了小區(qū)的覆蓋范圍，直接減少專網(wǎng)小區(qū)間切換次數(shù)。以京滬高鐵北京試驗(yàn)段專網(wǎng)為例，12個(gè)物理站點(diǎn)24個(gè)小區(qū)經(jīng)過2CP小區(qū)合并后為12個(gè)小區(qū)，高鐵專網(wǎng)內(nèi)僅需要切換11次，而不進(jìn)行小區(qū)合并時(shí)是24個(gè)小區(qū)，需要切換23次，經(jīng)過4CP小區(qū)合并后為6個(gè)小區(qū)，僅需切換5次，經(jīng)過6CP小區(qū)合并后為6個(gè)小區(qū)，需切換5次。

超級(jí)小區(qū)合并案例如下圖5：

從上圖中可以看出，D頻段覆蓋整體偏弱，切換帶在-105dBm左右。

4CP測(cè)試后，如上圖6，整體覆蓋相比2CP差別不大，但大大降低切換次數(shù)，帶來(lái)提升。

5. 優(yōu)化案例及測(cè)試結(jié)果分析

5.1 越區(qū)覆蓋調(diào)整調(diào)整手段有：

圖10 越區(qū)覆蓋調(diào)整

圖11 弱覆蓋點(diǎn)

圖12 弱覆蓋優(yōu)化后

1、更換內(nèi)置電下傾天線與調(diào)整傾角，通過下壓天線傾角，控制越區(qū)覆蓋。調(diào)整前后如圖7、圖8所示。

2、PCI=115小區(qū)過覆蓋，在324小區(qū)RSRP仍有-101dBm。通過調(diào)整天線方向角，覆蓋得到較好的控制，如圖9所示。

圖13 覆蓋優(yōu)化前后RSRP分布

圖14 覆蓋優(yōu)化前后SINR分布

表3 覆蓋優(yōu)化前后RSRP分布

3、PCI=168小區(qū)過覆蓋，在143小區(qū)站下RSRP達(dá)到-90dBm。通過調(diào)整天線下傾角，覆蓋得到較好的控制，如圖10所示。

5.2 弱覆蓋優(yōu)化案例

5.2.1 覆蓋調(diào)整手段

如上圖11，問題點(diǎn)歸納如下：

問題點(diǎn)一：72046_6 小區(qū)偏72045_8方向覆蓋較弱比較明顯，調(diào)整方案：72046_6 小區(qū)偏72045_8方向下傾角上抬2度。

問題點(diǎn)二：72045_7 小區(qū)兩個(gè)方向均覆蓋較弱，調(diào)整方案：72045_7 小區(qū)偏72045_5方向下傾角向上抬1度，偏72045_8方向向上抬2度。

問題點(diǎn)三：72045_6 小區(qū)偏72045_5 小區(qū)切換帶正常，但下載速率陡降，調(diào)整方案：72045_6小區(qū)偏72045_5 小區(qū)下傾角向上抬1度，同時(shí)核查方位角是否和工參一致。如下圖12。

5.2.2 覆蓋優(yōu)化調(diào)整對(duì)比

覆蓋優(yōu)化調(diào)整的目的提高下行覆蓋質(zhì)量，其前提是覆蓋率滿足一定的要求，調(diào)整的目的是提高RSRP高的采樣點(diǎn)總體占比，提高SINR高的采樣點(diǎn)總體占比。

1.RSRP分布（如表3）

2.SINR分布（如表4）

表4 覆蓋優(yōu)化前后SINR分布

6. 結(jié)論

實(shí)際測(cè)試表明，通過以上有效的覆蓋優(yōu)化方案，根據(jù)高鐵LTE信號(hào)覆蓋的特殊性，我們可以提高高鐵覆蓋測(cè)試點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度RSRP，信噪比SINR也顯著越高，使整體信號(hào)能正確解調(diào)，信道環(huán)境變好，傳輸速率提升，達(dá)到預(yù)期的效果?！?/p>

(作者系南京信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院副教授、工程師，中興通訊學(xué)院兼職高級(jí)培訓(xùn)師，研究方向?yàn)橐苿?dòng)通信、通信與信息系統(tǒng)。)

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