基于共建共享提升高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋和感知的研究

朱賀，廖祖鵬，賈東亮，陳潮賢

（中國電信股份有限公司廣州分公司，廣東 廣州 510630）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，鐵路運輸系統(tǒng)承擔(dān)起越來越多的客流運送任務(wù)。在經(jīng)濟增長效應(yīng)方面，高鐵建設(shè)促進了珠三角、遼中南和長三角城市群經(jīng)濟的協(xié)調(diào)發(fā)展[1-2]。2007 年4 月18 日0 時實施第六次大提速，并引入了CRH新型列車，該列車分為CRH1、CRH2、CRH3 和CRH5 這4 個種類，其中，CRH1、2、5 均為200 km 里級別（營運速度200 km/h，最高速度250 km/h）；CRH3 為300 km級別（營運速度330 km/h，最高速度380 km/h）；而CRH2 具有提升至300 km 級別的能力[2]。CRH 列車的高速運動會造成車廂內(nèi)部多普勒頻移[4]和高頻率深度快衰落[5]等現(xiàn)象，會嚴(yán)重影響用戶的切換和重選[6]，這些客觀因素給優(yōu)化工作帶來了極大難度。高鐵通信系統(tǒng)[7]承擔(dān)著確保列車運行安全、提高運輸效率和改善用戶體驗的重任，如何進一步提高網(wǎng)絡(luò)覆蓋率和感知是需要解決的關(guān)鍵問題[8-9]。

以高鐵某路段為例，列車平均運營速度在200 km/h以上，沿線城鎮(zhèn)、城中村、密集城區(qū)交錯分布，場景類型復(fù)雜且無專網(wǎng)覆蓋，高鐵沿線主要靠周邊小區(qū)兼顧覆蓋，由于部分站點對于高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋而言高度不足且易受建筑阻擋，該段高鐵里程覆蓋率僅71.01%，但中國電信周邊小區(qū)的低速用戶感知良好，周邊在網(wǎng)小區(qū)共計404 個。因此同一路段，中國聯(lián)通在高鐵沿線建有2.1 G 專網(wǎng)，該路段高鐵里程覆蓋率為86.14%，相對中國電信較好。但中國聯(lián)通周邊在網(wǎng)小區(qū)相對電信較少（257 個），周邊低速用戶感知速率相對電信較差，且周邊小區(qū)感知長期存在高負荷現(xiàn)象。因此，中國電信中國聯(lián)通雙方達成共識，利用雙方站點資源優(yōu)勢實施共建共享策略[10]，確保雙方高鐵用戶和周邊用戶感知共同提升。

1 高低速用戶分層分流原理

1.1 高速用戶識別原理

高速用戶識別主要應(yīng)用在高鐵、高速等涉及終端高速運動的場景，其作用是使得因脫網(wǎng)、掉話等原因離開高鐵專網(wǎng)小區(qū)的高速用戶返回高鐵專網(wǎng)。高速用戶識別一般分為基于切換參數(shù)的判決[11]、基于頻偏的判決[12]和基于切換次數(shù)的判決[13]。

（1）基于切換參數(shù)的判決。當(dāng)UE 歷史信息中的小區(qū)數(shù)不小于配置參數(shù)CellHoParaCfg.SpeedEvaluated/Num時，統(tǒng)計最近CellHoParaCfg.SpeedEvaluated/Num 個小區(qū)的停留時長累加值，如果累加值小于配置的時間門限CellHoParaCfg.SpeedfvaluatedPeriod，則判決為高速用戶。

（2）基于頻偏的判決。高速用戶基于頻偏遷出原理圖，如圖1 所示。當(dāng)eNodeB 在UE 上行業(yè)務(wù)信道正常發(fā)送時，每秒基于UE 上行信號測量多普勒頻移并估算用戶移動速度，當(dāng)用戶移動速度不小于CellHoParaCfg.HighspeedThresho 參數(shù)配置值時，則判決為高速用戶。一般利用多普勒頻移估算用戶移動速度大于100 km 即定義為高速用戶。判決門限均可按線路速度更改。

圖1 高速用戶基于頻偏遷出原理圖

（3）基于切換次數(shù)。該方法的判決一般30 s 內(nèi)產(chǎn)生切換次數(shù)大于3 次即定義為高速用戶，識別高速用戶后要將其盡快遷入高鐵專網(wǎng)。

1.2 低速用戶識別原理

低速用戶基于頻偏遷出原理圖如圖2 所示。在UE上行業(yè)務(wù)信道正常發(fā)送時，eNodeB 每秒測量UE 上行信號的多普勒頻移并估算用戶移動速度，當(dāng)連續(xù)HighSpdAdaptionPara.UserLowSpeedJudgeNum 次用戶移動速度小于CellHoParaCfg.HighSpeedThreshold 參數(shù)配置值時，則判決為低速用戶。

圖2 低速用戶基于頻偏遷出原理圖

為了讓高鐵專網(wǎng)不被低速用戶占用，需要將進入高鐵專網(wǎng)的低速用戶遷出到周邊小區(qū)。開通場景為高鐵車速大于120 km/h 以上區(qū)域，在車站附近路段（低車速區(qū)間）一般會禁止開啟。

2 中國電信中國聯(lián)通頻譜交叉共享策略

中國電信中國聯(lián)通頻點交叉共享策略即利用特性參數(shù)，將雙方高速用戶遷至中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)，低速用戶遷至中國電信周邊小區(qū)。中國電信利用中國聯(lián)通沿線高鐵專網(wǎng)吸納其高速用戶，中國聯(lián)通利用中國電信高鐵周邊充足站點資源吸納其周邊低速用戶。

2.1 共建共享策略

4G 共建共享包括獨立載波、共享載波兩種方式[14-15]。共享載波方式共享示意圖如圖3 所示。中國聯(lián)通高鐵4G專網(wǎng)由原3G 專網(wǎng)改建而成，UMTS 與LTE 共用設(shè)備，不支持為中國電信配置獨立載波，因此共享中國聯(lián)通專網(wǎng)采取共享載波方式。

圖3 高鐵“共享載波”方式共享示意圖

中國電信中國聯(lián)通交叉共享原理如圖4 所示，該策略是采取“中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)2.1 G 與中國電信高鐵沿線1.8 G 交叉共享”和“高低速用戶負荷分層分流”方式。

圖4 中國電信中國聯(lián)通交叉共享原理圖

中國電信分流共享原理如圖5 所示。該策略是指在中國電信共享中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)的同時，中國電信將高鐵沿線2 層1.8 G 周邊小區(qū)共享給中國聯(lián)通，接收中國聯(lián)通專網(wǎng)遷出的低速用戶，確保高鐵專網(wǎng)負荷不受沖擊，同時提升中國聯(lián)通周邊小區(qū)用戶感知。

圖5 中國電信分流共享原理圖

2.2 電信高速用戶遷入聯(lián)通高鐵專網(wǎng)

高速用戶遷入專網(wǎng)策略如圖6 所示。中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)共享給中國電信78 個高鐵專網(wǎng)小區(qū)，中國電信周邊小區(qū)（共享前中國電信高鐵用戶可能占用的小區(qū)）同時配置高速用戶遷入至中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)的策略。由于高鐵場景隨著列車速度多普勒效應(yīng)會更加明顯，因此選擇基于頻偏判決得方式實現(xiàn)高速用戶靈活精準(zhǔn)判別（列車速度門限設(shè)置可靈活調(diào)整）。結(jié)合高鐵實際運行情況，將判決的速度門限設(shè)置為100 km/h，即識別到速度超過該門限就判定為高速用戶。

圖6 高速用戶遷入專網(wǎng)策略

中國電信周邊小區(qū)配置完成高速遷出參數(shù)后，還需和中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)小區(qū)互配置鄰區(qū)。測試期間根據(jù)網(wǎng)管性能計算器統(tǒng)計基于移動速度觸發(fā)的切換，經(jīng)統(tǒng)計，遷出率接近100%。

2.3 中國聯(lián)通低速用戶遷入中國電信周邊小區(qū)

中國聯(lián)通在該段高鐵周邊站點數(shù)較少且負荷高，因此長期采用高鐵專網(wǎng)來分流周邊小區(qū)負荷。開放共享后，中國電信高速用戶涌入對中國聯(lián)通專網(wǎng)負荷造成沖擊，因此通過將中國聯(lián)通低速用戶遷入中國電信高鐵周邊小區(qū)的方式對高鐵專網(wǎng)進行分流，進而減少低速用戶占用高鐵小區(qū)資源。

低速用戶遷出分為切換策略分流和盲重定向策略分流兩種方式：

（1）切換方式：將低速用戶（最大支持1 秒遷出1個用戶）切換至中國電信周邊小區(qū)，業(yè)務(wù)幾乎不中斷，對用戶感知影響最小，但遷移效率低。

（2）重定向方式：將低速用戶（最大支持1 秒遷出10 個用戶）重定向至中國電信周邊小區(qū)，對低速用戶業(yè)務(wù)中斷影響較大，但遷移效率高。

因此，在保證用戶感知的角度來看，共享方案優(yōu)先采用切換方式，降低對用戶業(yè)務(wù)中斷影響。

3 實驗分析

3.1 中國電信共享中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)小區(qū)

共享前后中國電信高鐵用戶感知指標(biāo)對比如表1 所示。共享中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)后，經(jīng)多次鄰區(qū)關(guān)系和切換參數(shù)優(yōu)化，某路段高鐵4G 網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量、用戶感知速率有顯著改善，其中SINR 提升了3.63 dB，覆蓋率提升了18.09%，下行體驗速率提升1.59 Mbps。

表1 共享前后中國電信高鐵用戶感知指標(biāo)對比

3.2 中國聯(lián)通共享高鐵周邊的中國電信周邊小區(qū)

中國聯(lián)通高鐵周邊站點長期高負荷情況嚴(yán)重，因此將中國聯(lián)通低速用戶遷入中國電信分流小區(qū)，降低低速用戶對高鐵專網(wǎng)小區(qū)資源的占用。為避免中國聯(lián)通低速用戶占用高鐵專網(wǎng)資源，中國電信高鐵周邊共享404 個1.8 G 小區(qū)給中國聯(lián)通用戶。共享后低速用戶遷出可以采用切換和盲重定向兩種方式，不同方式的小區(qū)負荷遷移效果會存在差別。

為保證高鐵專網(wǎng)負荷遷移效果，對中國聯(lián)通某專網(wǎng)站點遷出低速用戶不同策略進行秒級監(jiān)控，對切換方式和盲重定向方式兩種分流策略效果進行了對比，如圖7 所示：

圖7 分流策略效果對比

采用切換方式時，用戶業(yè)務(wù)幾乎不中斷，對用戶感知影響最小，但遷移效率低，低速度用戶只遷出一部分，同時中國電信高速用戶共享接入，中國聯(lián)通專網(wǎng)忙時負荷抬升了2%。

采用盲重定向方式時，用戶業(yè)務(wù)有較大中斷影響，但遷移效率高，基本可將低速用戶全部遷出專網(wǎng)，在疊加中國電信高速用戶遷入專網(wǎng)后，中國聯(lián)通專網(wǎng)忙時負荷下降了11%。

中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)與中國電信周邊小區(qū)業(yè)務(wù)變化情況如圖8 所示。經(jīng)觀察，中國電信高速用戶可有效占用中國聯(lián)通專網(wǎng)，且中國聯(lián)通低速用戶也可有效遷出到中國電信周邊小區(qū)，兩個網(wǎng)絡(luò)負荷波動趨勢相反，符合預(yù)期。

圖8 中國聯(lián)通高鐵專網(wǎng)與中國電信周邊小區(qū)業(yè)務(wù)變化情況

經(jīng)分析，中國電信周邊404 個1.8 G 小區(qū)負荷小幅增長，忙時下行PRB 利用率由22% 抬升至29%，整體漲幅7%；具體到小區(qū)級別，忙時下行PRB 漲幅超10% 小區(qū)141 個，占比35%。因此，中國電信小區(qū)有效實現(xiàn)了對中國聯(lián)通低速用戶的負荷分流。

中國電信1.8 G 分流層共享后負荷流量情況如圖9 所示。中國電信1.8 G 周邊小區(qū)共享后日均流量2 609 GB，其中中國聯(lián)通用戶641 GB，占比24.6%，整體比例符合預(yù)期，整體負荷增長及感知影響情況基本可控。

圖9 中國電信1.8 G分流層共享后負荷流量趨勢

分流中國聯(lián)通低速用戶前后對比如表2 所示。通過沿線開通中國電信周邊小區(qū)分流后，中國聯(lián)通周邊小區(qū)全天無線下行流量（GB）下降16.81%，小區(qū)內(nèi)的平均用戶數(shù)下降20.23%；中國聯(lián)通周邊小區(qū)低速用戶下行用戶感知速率由7.1 Mbps 提升至9.28 Mbps，提升了30.7%。

表2 高鐵某段聯(lián)通分流前后對比

4 結(jié)束語

通過對高鐵某路段實施中國電信中國聯(lián)通頻譜交叉共享策略，中國電信高鐵覆蓋率提升18.09%，高鐵用戶下行速率提升41.19%；中國聯(lián)通高鐵周邊小區(qū)負荷下降16.81%，低速用戶下行速率提升了30.7%。在未新增資源情況下，通過雙方網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢互補，實現(xiàn)了低成本快速部署高鐵專網(wǎng)，且共同提升了雙方高鐵及周邊用戶的感知。同時驗證了新的建網(wǎng)模式得可行性，既能減低成本快速部署基站覆蓋，對加快網(wǎng)絡(luò)覆蓋提升用戶服務(wù)感知有重大意義，又為特殊場景共建共享的優(yōu)化工作積累了重要經(jīng)驗。