葛瑤，徐光

（華信郵電咨詢設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310014）

高鐵場景下TD-SCDMA/TD-LTE共模無線解決方案

葛瑤，徐光

（華信郵電咨詢設(shè)計研究院有限公司， 杭州 310014）

分析高速移動用戶產(chǎn)生的多普勒頻移、高鐵車廂的高穿透損耗、小區(qū)間頻繁產(chǎn)生的問題。針對TD-SCDMA和TD-LTE的共模方式下，提出組網(wǎng)全面解決方案。并通過移動系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)的測試分析驗證了覆蓋方案的有效性和實用性。

多普勒偏移；高鐵；站間距；切換區(qū)；小區(qū)合并

近年來，高鐵憑借350 km/h高速拉近了不同區(qū)域人與人之間的距離，高鐵這種新場景在2G網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)中積累了大量的經(jīng)驗和成果。隨著數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的不斷攀升和人們接受程度的不斷提高，高速列車上越來越多的高端用戶有數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)需求，僅僅提供高質(zhì)量的通話業(yè)務(wù)已經(jīng)不能滿足這些高端用戶的需求，高鐵場景下建設(shè)TDSCDMA和TD-LTE網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)變得刻不容緩。文章針對高鐵密封性好、時速快、信號衰落大等特點，提出TD-SCDMA和TD-LTE共模形式下的無線解決方案。

1 高速多普勒頻移解決方案

列車高速運行時由于多譜勒效應(yīng)，對于射頻信號的中心頻率產(chǎn)生頻率偏差，多譜勒公式如下：

F：中心頻率，單位：Hz；

V：列車運行速度，單位：m/s；

C：光速=3×108m/s；

θ：列車運行方向與電磁波傳播方向的夾角。

從上式可以看出：

＊ 多普勒頻移的大小和運動速度成正比，運動速度越快頻偏越大。

＊ 假定移動速度不變，用戶先朝向基站運動而后遠離基站，多普勒頻偏先正后負?；緦⒊惺?倍的頻移效應(yīng)。

＊ 終端需要能夠處理多普勒頻移Δf。

＊ 入射角度越大，多普勒頻移的效應(yīng)越小。

列車運行的速度不同，多普勒頻移的頻偏如表1所示。

TD-SCDMA：3GPP標準協(xié)議中定義的最高移動速度為120 km/h，明顯低于高速鐵路的需求，因此無論是終端還是基站都需要做頻率補償。

TD-SCDMA終端：通過AFC（Automatic Frequency Control，自動頻率控制)技術(shù)進行載波頻率跟蹤。

TD-SCDMA基站：目前主設(shè)備廠家設(shè)備均支持頻偏補償，具體實現(xiàn)方法是基站根據(jù)接收到的上行信號的頻偏，調(diào)整收信機接收頻率，抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移；同時相應(yīng)對下行發(fā)信頻率置相同的偏移量，保證同手機的正常通信。

表1 不同時速下各系統(tǒng)最大頻偏

TD-SCDMA終端、TD-SCDMA基站的新技術(shù)應(yīng)用，使得高速鐵路沿線的TD-SCDMA/TD-LTE基站最大多普勒頻偏可達1 400 Hz，滿足高鐵350 km/h時速的多普勒頻移要求。

2 高鐵組網(wǎng)TD-SCDMA/TD-LTE組網(wǎng)方案

2.1 高鐵覆蓋組網(wǎng)模式

由于高速鐵路屬于狹長地形，高鐵的覆蓋區(qū)域應(yīng)成帶狀分布。用戶沿運動方向優(yōu)先切換到前向鏈形鄰區(qū)，提高切換效率，從而避免前后小區(qū)乒乓切換和側(cè)向小區(qū)無序無效切換。

為避免列車高速行駛，頻繁的跨越小區(qū)，高鐵場景全線采用小區(qū)合并技術(shù)BBU+RRU分布式基站方式組網(wǎng)。小區(qū)合并技術(shù)使多個RRU共小區(qū)，從而增加單小區(qū)覆蓋范圍，降低高鐵切換次數(shù)、提高切換成功率。

為避免基站跨RNC和LAN碼的頻繁切換，高鐵全線采用專網(wǎng)方式的拓撲結(jié)構(gòu)，各區(qū)域采用同一個RNC和LAC碼，進而提高切換成功率。

2.2 宏專網(wǎng)、微專網(wǎng)的定義和建設(shè)方案

宏專網(wǎng)：利用原有宏基站組成的專網(wǎng)，稱為宏專網(wǎng)。天線掛高一般需高出軌面15m以上，站間距為0.8 m～1.2 km左右。

宏專網(wǎng)組網(wǎng)方案為每個基站上配置兩個雙通道FA RRU，每個RRU分別連接一副雙極化天線。

宏專網(wǎng)全線采用FA頻段；增益為20.5 dBi，±45°極化的雙極化天線；方案如圖1所示。

圖1 宏專網(wǎng)建設(shè)方案

微專網(wǎng)：一般為紅線內(nèi)基站，主要集中在城區(qū)內(nèi)或隧道內(nèi)，天線掛高一般高出軌面高度為6～10 m，站間距250～500 m左右。

因需滿足TD-LTE的MIMO方式的建設(shè)需求，天饋線需采用多發(fā)多收方式，以提高上下行速率。微專網(wǎng)建設(shè)方案采用每站點配置一個雙通道FAD RRU，采用功分器的方式分別連接兩幅雙極化天線。此種建設(shè)方式不僅可以節(jié)省主設(shè)備RRU的數(shù)量和投資，還可以有效控制基站的覆蓋范圍。

微專網(wǎng)大部分為紅線內(nèi)站點，因紅線內(nèi)站點今后維護、協(xié)調(diào)和施工具有一定困難，所以微專網(wǎng)RRU和天饋線采用一次性規(guī)劃施工到位的方式。RRU選用支持TD-LTE D頻段的FAD RRU，天線采用頻段為FAD、增益為20.5 dBi、±45°極化的雙極化天線。具體方案如圖2所示。

站點選擇建議：

＊ 站點距鐵路線垂直距離建議在100～300 m左右范圍內(nèi)，不宜超過300 m；

圖2 微專網(wǎng)建設(shè)方案

＊ 對于直線軌道，相鄰站點宜交錯分布于鐵路的兩側(cè)，形成“之”字型布局，有助于改善切換區(qū)域，有利于車廂內(nèi)兩側(cè)信號質(zhì)量的均衡；

＊ 對于鐵路彎道，站址宜設(shè)置在彎道的內(nèi)側(cè)，可提高入射角，保證覆蓋的均衡性。

2.3 切換區(qū)設(shè)置方案

切換區(qū)的設(shè)置需要考慮TD-SCDMA和TD-LTE兩個網(wǎng)絡(luò)需求，因為TD-LTE網(wǎng)絡(luò)中eNode B起到了基站和RNC的雙重功能，所以TD-LTE網(wǎng)絡(luò)在切換過程中需要更少的切換時間，在設(shè)置切換區(qū)時應(yīng)按照時間需求較大的TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)考慮。

TD-SCDMA切換時延由以下3部分組成：

＊ 小區(qū)切換遲滯：指從兩個小區(qū)電平相當，到鄰小區(qū)大于主小區(qū)切換遲滯的這段時間；

＊ 切換觸發(fā)時間：滿足切換電平條件維持的時間；

＊ 切換執(zhí)行時間：RNC收到測量報告到切換完成命令的時間。

根據(jù)速度和距離的關(guān)系，可以獲得UE運動速度與所需切換區(qū)大小的對應(yīng)關(guān)系。

重疊覆蓋區(qū)的規(guī)劃設(shè)計不僅僅要考慮切換執(zhí)行區(qū)域，還需考慮切換過渡及保護區(qū)等，具體如圖3所示。

＊ 過渡區(qū)域A ：對應(yīng)小區(qū)切換遲滯需要的距離；

＊ 切換觸發(fā)B ：切換觸發(fā)時間內(nèi)對應(yīng)的距離；

圖3 重疊覆蓋區(qū)規(guī)劃圖

＊ 切換執(zhí)行C ：切換執(zhí)行時間對應(yīng)的距離；

＊ 依據(jù)TD-SCDMA切換遲滯（2 dB）、切換觸發(fā)（640 ms）、切換執(zhí)行0.6 s，其中切換遲滯及余量皆考慮主鄰差值，即1 dB的物理過渡區(qū)域，宏專網(wǎng)、微專網(wǎng)得出切換重疊區(qū)域大小如表2和表3所示。

表2 宏專網(wǎng)重疊覆蓋區(qū)距離表

表3 微專網(wǎng)重疊覆蓋區(qū)距離表

無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，基站發(fā)射功率遠大于手機的發(fā)射功率，小區(qū)的覆蓋半徑一般取決于上行鏈路預(yù)算計算的覆蓋半徑。2G/3G/4G高鐵鏈路預(yù)算為無線設(shè)計人員所熟知，本文不再詳細闡述，F(xiàn)A頻段宏專網(wǎng)AMR小區(qū)上行覆蓋半徑約為760 m，F(xiàn)A頻段微專網(wǎng)AMR小區(qū)上行覆蓋半徑約為530 m。

綜上所述推算出切換區(qū)設(shè)置結(jié)論：

＊ 列車運行中，專網(wǎng)小區(qū)和公網(wǎng)小區(qū)不設(shè)置為鄰區(qū)，用戶不允許切換到公網(wǎng)，公網(wǎng)用戶也不能占用專網(wǎng)資源；

＊ 高鐵專網(wǎng)相對“封閉”，用戶僅通過車站候車室室分系統(tǒng)進出入“專網(wǎng)”。

＊ FA頻段宏專網(wǎng)：邏輯小區(qū)間的站間距控制在1 km之內(nèi)，重疊覆蓋區(qū)域為350 m。

＊ FA頻段微專網(wǎng)：邏輯小區(qū)間的站間距控制在500 m之內(nèi)，重疊覆蓋區(qū)域為310 m。

＊ FA頻段隧道漏纜：邏輯小區(qū)間的站間距控制在500 m之內(nèi)，重疊覆蓋區(qū)域為310 m。

3 測試數(shù)據(jù)

高鐵建設(shè)完成后，分別對TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)單模，TD-LTE網(wǎng)絡(luò)單模以及TD-SCDMA/TD-LTE共模場景下做了測試。其中共模場景下測試結(jié)果如表4所示。

其中TD-LTE平均速率24.9 Mbit/s，大于30 Mbit/s的比例達27.77%，下載速率表現(xiàn)較好。

4 結(jié)語

本文從高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋的“高速率、高損耗、高架、高頻次”4個特點出發(fā)，從切換區(qū)設(shè)置、鏈路預(yù)算、多普勒頻移等方面考慮，得出針對“四高”無線解決方案。并提出宏專網(wǎng)、微專網(wǎng)的建設(shè)方案，通過對網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)的覆蓋測試，有效的論證了TD-SCDMA、TD-LTE共模方式下無線解決方案的有效性和合理性，為今后高鐵場景TD-SCDMA/TD-LTE共模方式的工程建設(shè)提供了寶貴的經(jīng)驗。

表4 高鐵場景下TD-SCDMA/TD-LTE共模測試結(jié)果

[1] 中國移動通信有限公司． 中國移動TD-LTE系統(tǒng)設(shè)備規(guī)范V1．0．0[S]． 2010．

[2] 韋泉， 蘇文莉． 帥丹TD-SCDMA無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中的鏈路預(yù)算[J]． 電信工程技術(shù)與標準化， 2006，4．

[3] 李新． TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋特性淺析[J]． 電信科學， 2009，1．

Solution of the common mode of TD-SCDMA/TD-LTE

GE Yao, XU Guang
(Huaxin Post&Telecom Consulting and Designing Institute Co., Ltd., Hangzhou 310014, China)

It analyzes the major issues in high-speed rail scene such as doppler frequency shift, frequent handover and high penetrationg loss. A comprehensive solution are given according to the common mode of TDSCDMA and TD-LTE. Coverage scheme is verif i ed to be effective and practical by analysis of mobile network testing.

doppler frequency shift; high-speed railway; station distance; switching zone; multi-cell merger

TN929.5

A

1008-5599（2013）09-0022-04

2013-08-01