TDD/FDD融合模式下的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

段寶峰，李翠然，謝健驪

TDD/FDD融合模式下的高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

段寶峰，李翠然，謝健驪

(蘭州交通大學(xué) 電子與信息工程學(xué)院，甘肅 蘭州 730070)

分析高鐵場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋特征，主要表現(xiàn)為多普勒頻移、頻繁小區(qū)切換和信道類型復(fù)雜，并提出相應(yīng)的解決方案；針對(duì)不同覆蓋區(qū)域制定網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求和融合方式；為了使多層網(wǎng)覆蓋互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分擔(dān)，研究融合組網(wǎng)策略；分析無線資源控制連接最大用戶數(shù)與物理資源塊利用率的關(guān)系。通過對(duì)蘭新高鐵42個(gè)站點(diǎn)進(jìn)行測試實(shí)驗(yàn)，研究結(jié)果表明：融合的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法使網(wǎng)絡(luò)覆蓋率增幅2.24%，下載業(yè)務(wù)感知速率提升50.46%，上傳業(yè)務(wù)感知速率增長2.43倍，業(yè)務(wù)流量增加63.28%，有效地改善了網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行質(zhì)量。

高鐵場景；網(wǎng)絡(luò)融合；網(wǎng)絡(luò)覆蓋率；感知速率；數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量

提升高速列車旅客上網(wǎng)感知，是無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化研究的一項(xiàng)重點(diǎn)課題[1]。鐵路寬帶無線通信專網(wǎng)系統(tǒng)應(yīng)提供更寬、更廣、更快、更安全的業(yè)務(wù)[2]，多業(yè)務(wù)并行激增使網(wǎng)絡(luò)容量面臨巨大的挑戰(zhàn)[3]。列車快速移動(dòng)導(dǎo)致小區(qū)切換更加頻繁[4]，鏈狀覆蓋下信號(hào)抖動(dòng)引起的乒乓切換極易降低通信服務(wù)質(zhì)量[5]。通信技術(shù)的可靠性和實(shí)時(shí)性主要取決于切換性能，由此產(chǎn)生的脈沖式數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求造成網(wǎng)絡(luò)容量嚴(yán)重不足[6?7]。為了高鐵網(wǎng)絡(luò)擴(kuò)容，在長期演進(jìn)(Long Term Evolution, LTE)通信系統(tǒng)中TDD (Time Division Duplexing, 時(shí)分雙工)和FDD (Frequency Division Duplexing, 頻分雙工)融合成為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的首選方法。針對(duì)高鐵場景網(wǎng)絡(luò)融合，學(xué)者們進(jìn)行了一些研究。趙洪偉等[8]采用F1+F2雙頻段組網(wǎng)方式建設(shè)專網(wǎng)并通過載波聚合提升下載速率；王屈橋[9]結(jié)合鏈路預(yù)算和幀結(jié)構(gòu)分析，從覆蓋和容量2個(gè)角度對(duì)比了TDD/FDD各頻段的優(yōu)劣勢；田桂賓等[10]在鏈路預(yù)算和多場景應(yīng)用基礎(chǔ)上，分析了多層網(wǎng)融合組網(wǎng)策略；WANG等[11]在多通信系統(tǒng)正常工作所需的最小濾波標(biāo)準(zhǔn)基礎(chǔ)上，提出了融合組網(wǎng)下的抗干擾措施；WEI等[12]得出了不同物理控制通道在不同鄰道干擾比偏移值下的干擾嚴(yán)重程度；沈凌[13]采用射頻優(yōu)化控制小區(qū)覆蓋范圍減少干擾；Seo等[14]得出最優(yōu)下行鏈路與上行鏈路的傳輸時(shí)間比在0.8~1之間，可以最大限度地減小相鄰小區(qū)吞吐量損失；金咪等[15]從提高信道估計(jì)精度方面提出了一種改進(jìn)型的融合網(wǎng)絡(luò)信道估計(jì)算法。以上文獻(xiàn)雖從不同方面對(duì)網(wǎng)絡(luò)融合提出了優(yōu)化方法，但未涉及高鐵場景TDD/ FDD融合。本文從頻移校正模型、多小區(qū)合并和不同地形覆蓋方案等方面提出了融合組網(wǎng)策略和優(yōu)化方法，其對(duì)高鐵4G網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與建設(shè)、無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化擴(kuò)容具有重要參考意義。

1 高鐵場景的網(wǎng)絡(luò)覆蓋特征

1.1 多普勒頻移

用戶終端(User Equipment, UE)發(fā)射和接收頻率隨著列車高速移動(dòng)產(chǎn)生多普勒頻移，其效應(yīng)示意如圖1所示。在傳統(tǒng)多普勒頻移的基礎(chǔ)上考慮eNodeB高度，高速列車速度，工作頻率和eNodeB與軌道的水平距離，列車運(yùn)行秒后掠射角為：

多普勒頻移為：

其中：為光速。列車移動(dòng)引起多普勒頻移效應(yīng)后的變化范圍為：

根據(jù)式(2)和上行最大頻移為2fd計(jì)算，不同頻段和不同車速下最大多普勒頻移如表1所示。

表1 最大多普勒頻移

多普勒頻移校正模型如圖2所示，將采樣后的接收信號(hào)輸入信道估計(jì)器，選擇最強(qiáng)路徑信號(hào)輸出到頻移估計(jì)和校正模塊，達(dá)到自適應(yīng)接收的目的。Δ和Δ分別為校正模型的多普勒頻移和校正頻率偏置。

1.2 頻繁小區(qū)切換

高速列車快速經(jīng)過多個(gè)小區(qū)的覆蓋路段引起頻繁小區(qū)切換導(dǎo)致終端吞吐量降低，甚至?xí)袛鄻I(yè)務(wù)影響網(wǎng)絡(luò)整體性能。若eNodeB間距為1且其含2個(gè)小區(qū)，重疊覆蓋距離為2，列車長度為，則UE經(jīng)過1個(gè)小區(qū)耗時(shí)為：

以為300km/h，1為800m，2為200m，(8節(jié)車廂)為214m計(jì)算，則UE經(jīng)過1個(gè)小區(qū)僅需9.77s。高鐵場景UE頻繁小區(qū)切換示意如圖3所示，2個(gè)橢圓的重疊區(qū)域代表小區(qū)重疊覆蓋范圍，豎條與橢圓、軌道的重疊區(qū)域代表小區(qū)切換帶。假設(shè)車站A與車站B之間有個(gè)eNodeB，小區(qū)切換次數(shù)為：

為了解決頻繁小區(qū)切換問題，需擴(kuò)大小區(qū)覆蓋軌道的距離。將若干相鄰小區(qū)合并后，邏輯小區(qū)內(nèi)將不存在切換，切換周期如表2所示。圖4為12個(gè)小區(qū)合并為1個(gè)邏輯小區(qū)后切換次數(shù)減少示意圖，小區(qū)切換次數(shù)為：

圖3 小區(qū)合并前頻繁切換示意圖

圖4 小區(qū)合并后切換次數(shù)減少示意圖

表2 小區(qū)切換周期

1.3 信道類型復(fù)雜

高鐵場景信道類型復(fù)雜，根據(jù)軌道周圍地形地貌、用戶規(guī)模和網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)等特點(diǎn)可分為5種類型，如圖5所示。

1) 隧道類型：空間狹小封閉，存在填充效應(yīng)造成無線信號(hào)反射、折射和散射。因射頻單元與軌道距離較近，在信號(hào)掠射角太小的路段列車穿透損耗增大。長隧道采用泄漏電纜進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)覆蓋，短隧道采用宏基站覆蓋方式，其方案如圖6所示。

(a)隧道；(b)山地；(c)高架橋；(d)U型槽；(e)市區(qū)

(a)長隧道；(b)短隧道

2) 山地類型：我國高鐵建設(shè)面臨的最普遍地形為山地，專網(wǎng)覆蓋需兼顧公網(wǎng)用戶。部分路段高速列車與天線的視距范圍內(nèi)有明顯的樹林遮擋，夏季相對(duì)冬季網(wǎng)絡(luò)覆蓋明顯下降?；径嗖捎帽U的形式，且位于半山坡。天線與軌道的水平距離為20~30m之間。山地類型覆蓋方案如圖7所示。

3) 高架橋類型：高鐵軌道經(jīng)過溝壑、河流等區(qū)域時(shí)通常鋪設(shè)在高架橋上?；具x址、工程施工都較困難，往往采用橋頭架設(shè)鐵塔定向覆蓋，高增益24dBi天線為首選。2個(gè)RRU位于同一個(gè)站點(diǎn)且具有相同的方位角和下傾角以增強(qiáng)覆蓋。高架橋類型覆蓋方案如圖8所示。

4) U型槽類型：高鐵軌道平面低于基站地基平面，天線與軌道的水平距離不超過200m，以降低斜坡面遮擋引起的信號(hào)衰落。基站間距需要適當(dāng)縮小，因?yàn)閁型槽兩側(cè)陡壁使得視距覆蓋在基站間距過大時(shí)難以實(shí)現(xiàn)?？蛇x擇抱桿和鐵塔兩種方案，取決于天線與軌道的水平距離大小，覆蓋方案如圖9所示。

圖7 山地類型覆蓋方案

圖8 高架橋類型覆蓋方案

5) 市區(qū)類型：因公網(wǎng)用戶較多，高鐵專網(wǎng)既承載了列車上的用戶也有大量公網(wǎng)用戶駐留，其網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷相對(duì)其他類型更高。一方面，需要通過載波擴(kuò)容來增加網(wǎng)絡(luò)容量；另一方面，可部署低速(小于120km/h)用戶遷出專網(wǎng)功能，達(dá)到降低網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷的目的。表3為市區(qū)類型車站鄰區(qū)策略，“有”表示2個(gè)區(qū)域的小區(qū)之間需添加鄰區(qū)關(guān)系，“無”表示2個(gè)區(qū)域的小區(qū)之間不用互相添加鄰區(qū)關(guān)系。

圖9 U型槽類型覆蓋方案

表3 市區(qū)類型車站鄰區(qū)策略

2 TDD/FDD融合的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法

2.1 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求和融合方式

以列車車廂內(nèi)接收信號(hào)質(zhì)量為參考值，組網(wǎng)覆蓋方式分公網(wǎng)和專網(wǎng)。隨著乘客上網(wǎng)需求增加，專網(wǎng)建設(shè)可有效緩解網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷。網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求如表4所示。

表4 網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)要求

TDD/FDD覆蓋范圍重疊度高有利于業(yè)務(wù)分流和設(shè)置協(xié)同優(yōu)化參數(shù)。圖10(a)為2端口天線，可用于GSM網(wǎng)絡(luò)或者FDD網(wǎng)絡(luò)；圖10(b)為8端口天線，隨著網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷持續(xù)升高可逐步同時(shí)開啟FDD1800，F(xiàn)DD900，TDD-F頻段和TDD-D頻段網(wǎng)絡(luò)以增加網(wǎng)絡(luò)厚度。電信運(yùn)營商為了降低鐵塔租賃費(fèi)用，多網(wǎng)天線整合為一面天線成為未來的 趨勢。

(a) 2端口；(b) 8端口

2.2 融合組網(wǎng)策略

與普通場景相比，高鐵場景具有信道特性變化極快的特點(diǎn)，異頻小區(qū)切換極易造成用戶速率波動(dòng)。小區(qū)切換與用戶速率的關(guān)系如圖11所示，切換點(diǎn)前后速率明顯抖動(dòng)，嚴(yán)重影響用戶感知。為了使TDD/FDD網(wǎng)絡(luò)覆蓋互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分擔(dān)，融合組網(wǎng)策略如下：

1) FDD與TDD小區(qū)之間互相配置基于網(wǎng)絡(luò)覆蓋的切換參數(shù)；

2) TDD弱覆蓋路段切換至FDD，參數(shù)設(shè)置原則是UE優(yōu)先駐留FDD；

3) TDD與FDD同覆蓋路段切換至TDD，參數(shù)設(shè)置原則是UE優(yōu)先駐留TDD；

4) 考慮異頻切換GAP測量損失，盡量減少異頻切換次數(shù)，弱覆蓋路段進(jìn)行切換；

5) 三載波及以上路段，小區(qū)兩兩之間連接態(tài)開啟基于用戶數(shù)的移動(dòng)性負(fù)載均衡；

6) 通過設(shè)置異頻開始測量門限，使長期演進(jìn)語音承載業(yè)務(wù)保持在FDD。

2.3 容量與頻率優(yōu)化

分析高鐵場景小區(qū)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，無線資源控制(Radio Resource Control, RRC)連接最大用戶數(shù)與物理資源塊(Physical Resource Block, PRB)利用率的關(guān)系如圖12所示。隨著用戶數(shù)增加網(wǎng)絡(luò)利用率升高。

圖11 切換和下載速率的關(guān)系

圖12 用戶數(shù)與利用率的關(guān)系

根據(jù)不同業(yè)務(wù)時(shí)延及流量需求估算，各業(yè)務(wù)保障帶寬需求如表5所示。

表5 業(yè)務(wù)保障帶寬需求

容量規(guī)劃以峰值負(fù)荷為基礎(chǔ)，并根據(jù)業(yè)務(wù)預(yù)測確定擴(kuò)容方案。擴(kuò)容門限以RRC連接最大用戶數(shù)為主要依據(jù)，同時(shí)參考設(shè)備承載能力、用戶業(yè)務(wù)感知等因素評(píng)估。以某供應(yīng)商為例，不同組網(wǎng)方式的小區(qū)最大用戶數(shù)如表6所示，其中F1，F(xiàn)2，D2和D3為LTE頻點(diǎn)。

表6 小區(qū)支持容量

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

通過TDD/FDD融合模式下的高鐵無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，依據(jù)10d的測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分別從網(wǎng)絡(luò)覆蓋、感知速率和業(yè)務(wù)流量等3個(gè)維度進(jìn)行對(duì)比分析。測試實(shí)驗(yàn)涉及eNodeB總共42個(gè)，其中城市A有14個(gè)，城市B有2個(gè)，城市C有26個(gè)。網(wǎng)絡(luò)參數(shù)如表7所示，融合后的天線為4端口，融合前的天線為2端口，即融合前后天線數(shù)量不變。

3.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋

TDD/FDD融合網(wǎng)絡(luò)覆蓋率變化如圖13所示，融合前網(wǎng)絡(luò)覆蓋率91.68%，融合后增幅2.24%，其中城市A，城市B和城市C網(wǎng)絡(luò)覆蓋率增幅分別為2.0765%，2.49%和1.55%。

3.2 感知速率

TDD/FDD融合感知速率變化如圖14所示，下載業(yè)務(wù)融合前感知速率4.28Mbps，融合后增幅50.46%；上傳業(yè)務(wù)融合前感知速率0.23Mbps，融合后增長2.43倍。

3.3 業(yè)務(wù)流量

TDD/FDD融合業(yè)務(wù)流量變化如圖15所示，融合前業(yè)務(wù)流量1.45TB，融合后增幅63.28%，其中城市C站點(diǎn)最多業(yè)務(wù)流量增幅最大79.03%，城市A和城市B業(yè)務(wù)流量增幅分別為47.07%和25.17%。

表7 網(wǎng)絡(luò)融合前后參數(shù)對(duì)比

圖13 TDD/FDD融合網(wǎng)絡(luò)覆蓋率變化

圖14 TDD/FDD融合感知速率變化

圖15 TDD/FDD融合業(yè)務(wù)流量變化

4 結(jié)論

1) 高鐵場景中的多普勒頻移需考慮eNodeB高度、基站與軌道距離等因素，在計(jì)算上行、下行最大多普勒頻移時(shí)才更合理，可應(yīng)用于頻率估計(jì)和校正。列車快速移動(dòng)時(shí)，小區(qū)頻繁切換的次數(shù)與通信設(shè)備小區(qū)合并的能力相關(guān)。網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃、建設(shè)必須結(jié)合地形地貌，隧道、山地、高架橋、U型槽和市區(qū)等區(qū)域均有相應(yīng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案。

2) 融合組網(wǎng)策略優(yōu)先考慮參考信號(hào)接收功率、信號(hào)與干擾和噪聲比加邊緣用戶速率等指標(biāo)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋互補(bǔ)、網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷分擔(dān)的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化目的。容量規(guī)劃受用戶規(guī)模、業(yè)務(wù)保障帶寬、頻率優(yōu)化和小區(qū)最大用戶數(shù)等因素影響。

3) 分析3個(gè)城市高鐵無線通信網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)變化情況，TDD/FDD融合模式下的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法可大幅度提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率、下載業(yè)務(wù)感知速率、上傳業(yè)務(wù)感知速率和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)流量。隨著高鐵運(yùn)營里程和旅客數(shù)量逐年增加，多層網(wǎng)融合是高鐵專網(wǎng)覆蓋的趨勢。

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Wireless network optimization based on TDD/FDD integration mode in high-speed railway

DUAN Baofeng, LI Cuiran, XIE Jianli

(School of Electronic and Information Engineering, Lanzhou Jiaotong University, Lanzhou 730070, China)

This paper first analyzed the network coverage characteristics of high-speed railway scenario, mainly showing doppler frequency shift, frequent cell handover and complex channel types, and proposed corresponding solutions. According to different coverage areas, network indicator requirements and integration mode were established. In order to make multi-layer networks complement each other and share network load, the strategy of fusion network was studied. The relationship between the maximum number of users of wireless resource control connection and the utilization rate of physical resource block was analyzed. Through the test and experiment on 42 stations of Lanxin high-speed railway, the results show that the integrated network optimization method increases the network coverage rate by 2.24%, the perceived speed of download service by 50.46%, the perceived speed of upload service by 2.43 times, and the traffic flow by 63.28%, effectively improving the network operation quality.

high-speed railway scenario; network integration; coverage performance; perception rate; data traffic

U285.2

A

1672 ? 7029(2020)05 ? 1097 ? 08

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190745

2019?08?26

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61661025，61661026)；蘭州交通大學(xué)“百名青年優(yōu)秀人才培養(yǎng)計(jì)劃”基金資助項(xiàng)目(152022)

李翠然(1975?)，女，山西黎城人，教授，博士，從事鐵路無線通信、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)和協(xié)同通信技術(shù)研究；E?mail：licr@mail.lzjtu.cn

(編輯 蔣學(xué)東)