（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

TD-LTE高速鐵路規(guī)劃方案研究

朱乃昌

（中國移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司河北分公司，石家莊 050021）

伴隨著電子商務(wù)及互聯(lián)網(wǎng)的飛速發(fā)展，移動(dòng)終端用戶對數(shù)據(jù)傳輸速率的需要日趨強(qiáng)烈。4G時(shí)代的到來，使得高鐵移動(dòng)終端用戶可以有良好的體驗(yàn)。但由于高鐵的高速移動(dòng)性以及高鐵本身的結(jié)構(gòu)特性，在LTE高鐵網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃建設(shè)中會(huì)遇到多普勒效應(yīng)、車體高穿損、小區(qū)間切換困難等諸多難題。對以上問題做了相應(yīng)的研究，并結(jié)合某市LTE高鐵建設(shè)，提出了具體的解決方案。

高鐵；TD-LTE；規(guī)劃；4G

1 引言

近年，高速鐵路飛速發(fā)展，用戶對移動(dòng)終端依賴程度日益增加。用戶在高鐵上的數(shù)據(jù)流量需求日益迫切，現(xiàn)有公網(wǎng)無法滿足在高速移動(dòng)下終端用戶的需求。目前，恰逢TD-LTE全面商用的契機(jī)，由于其高數(shù)據(jù)傳輸速率的優(yōu)勢，將TD-LTE應(yīng)用于高鐵建設(shè)勢在必行。本文對TD-LTE高鐵建設(shè)中遇到的一些技術(shù)問題進(jìn)行分析，提出了相應(yīng)的解決方案。

2 TD-LTE高鐵關(guān)鍵技術(shù)研究

2.1 公網(wǎng)與專網(wǎng)的選擇

在高鐵的覆蓋方面，有公網(wǎng)覆蓋和專網(wǎng)覆蓋兩種選擇。采用公網(wǎng)覆蓋，可充分利用現(xiàn)網(wǎng)資源，工程建設(shè)成本低，速度快。但網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度大，同時(shí)對高鐵沿線基站進(jìn)行大規(guī)模優(yōu)化調(diào)整，必將影響原有大網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。采用專網(wǎng)覆蓋，可根據(jù)用戶特定需求，獨(dú)立進(jìn)行優(yōu)化，特別是高鐵的帶狀區(qū)域覆蓋，多RRU共小區(qū)，避免了公網(wǎng)的小區(qū)間頻繁切換，保障高速用戶性能。高鐵公網(wǎng)與專網(wǎng)的優(yōu)缺點(diǎn)對比如表1所示。

2.2 多普勒效應(yīng)

高鐵的高速移動(dòng)必然對TD-LTE系統(tǒng)的無線信號(hào)傳播帶來多普勒效應(yīng)，公式如下：

fd=f/c×v×cosθ

fd：多普勒頻移 f：工作頻率 c：光速 v：車速

根據(jù)多普勒效應(yīng)原理，在移動(dòng)通信中，當(dāng)移動(dòng)臺(tái)移向基站時(shí)，頻率變高，遠(yuǎn)離基站時(shí)頻率變低。頻率變化的大小和快慢與列車的速度有關(guān)。多普勒頻移對于接收機(jī)接收性能有一定的影響，主要是降低了接收的靈敏度，工作頻率越高，列車運(yùn)行速度越快，多普勒頻移越大。如表2所示，在高速場景下，當(dāng)終端高速移動(dòng)速度達(dá)到300～350 km/h頻點(diǎn)為1.9 GHz或2.6 GHz時(shí)，多普勒上行頻偏將均會(huì)超過1 000 Hz。發(fā)生頻移后，系統(tǒng)測算的信號(hào)接收點(diǎn)，不是實(shí)際信號(hào)的最強(qiáng)接收點(diǎn)，導(dǎo)致基站和手機(jī)的相干解調(diào)性能降低，直接影響到小區(qū)選擇、小區(qū)重選、切換等性能。因此在高鐵場景下，無論是基站側(cè)還是終端側(cè)頻偏估計(jì)和補(bǔ)償都是一個(gè)至關(guān)重要的過程。

表1 LTE高鐵公網(wǎng)與專網(wǎng)組網(wǎng)對比

表2 不同速度、頻率下多普勒頻移

3GPP規(guī)范已考慮對較大多普勒頻偏的容忍能力。在系統(tǒng)側(cè)，OFDM系統(tǒng)子載波間隔的選擇取決于頻譜效率和抗頻偏能力的折中。在保持足夠抗頻偏能力的條件下采用盡可能小的子載波間隔。仿真表明，在3GPP規(guī)范子載波間隔15 kHz設(shè)置下，在350 km/h移動(dòng)速度下的系統(tǒng)吞吐量只比30 km/h下的系統(tǒng)吞吐量略微下降。在終端側(cè)，終端跟蹤頻偏的能力跟廠家具體實(shí)現(xiàn)相關(guān)。eNode B根據(jù)接收的上行信號(hào)頻率進(jìn)行頻偏估計(jì)，然后在基帶測對頻偏信號(hào)進(jìn)行頻率校正，提高上行信號(hào)解調(diào)性能。

2.3 高鐵車體穿透損耗

高鐵列車全部采用全封閉式車體結(jié)構(gòu)，且部分車型采用金屬鍍膜玻璃，電磁波的穿透性大大減弱，特別是電磁波頻率比較高時(shí)穿透損耗非常明顯。目前，所有高鐵車型的車體穿透損耗一般高達(dá)20 dB以上，為了保證用戶的可靠通信，必須克服車體穿透損耗。要求室外的信號(hào)發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，要求更高的基站接收機(jī)靈敏度或者要求用戶終端的發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)。

另外，不同的入射角對應(yīng)的穿透損耗不同，當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)的穿透損耗最小。如圖1所示，實(shí)際測試表明隨著入射角變小，穿透損耗不斷增加。在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，基站與鐵路垂直距離是影響入射角的關(guān)鍵。

圖1 高鐵穿透損耗與入射角關(guān)系

2.4 小區(qū)間切換

當(dāng)高鐵列車已350 km/h的時(shí)速運(yùn)行是，將會(huì)以極短的時(shí)間通過每個(gè)小區(qū)，引起頻繁切換。頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡(luò)的性能，切換失敗的次數(shù)增加，將會(huì)導(dǎo)致掉話率的增加。

高鐵切換問題的解決應(yīng)從以下3方面考慮。

(1)小區(qū)合并，增大小區(qū)覆蓋范圍。采用多RRU共小區(qū)技術(shù)，可以使幾個(gè)RRU的覆蓋區(qū)變成一個(gè)小區(qū)，移動(dòng)終端在這幾個(gè)RRU之間移動(dòng)，不發(fā)生切換，從而大大降低了切換次數(shù)，帶來了網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的提升。目前主設(shè)備支持6CP合并能力，即支持6個(gè)RRU實(shí)現(xiàn)小區(qū)合并，在滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的前提下，覆蓋可達(dá)3 km。

(2)小區(qū)臨區(qū)合理設(shè)置。對高鐵進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋，要避免專網(wǎng)與公網(wǎng)的頻繁切換。高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)已經(jīng)完全能夠滿足高鐵列車內(nèi)手機(jī)用戶的需求，不再需要使用普通公網(wǎng)的資源，因此一般情況下，專網(wǎng)與周圍公網(wǎng)之間不配置臨區(qū)關(guān)系。

在高鐵車站處，旅客出入站流量大，因此，將車站室內(nèi)分布系統(tǒng)與專網(wǎng)互設(shè)臨區(qū)關(guān)系，將車站室分與車站外公網(wǎng)互設(shè)臨區(qū)關(guān)系，如圖2所示。另外，手機(jī)用戶在高鐵車站候車室和站臺(tái)之間的移動(dòng)速度非常慢，越區(qū)切換容易實(shí)現(xiàn)。因此，切換區(qū)域設(shè)置在高鐵車站候車室與站臺(tái)之間。這樣可以保證旅客在列車站臺(tái)與車站之間實(shí)現(xiàn)平穩(wěn)切換。

圖2 高鐵車站臨區(qū)關(guān)系

(3)小區(qū)間設(shè)置重疊覆蓋帶，保證切換成功率。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)使站間距增加，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設(shè)計(jì)重疊覆蓋區(qū)域。

TD-LTE較3G在切換過程中需要的切換時(shí)間更短，約100 ms。TD-LTE系統(tǒng)切換策略基于A3事件觸發(fā)來進(jìn)行，有一定的時(shí)延。因此，一次完整切換時(shí)間包括：

(1) A3切換測量時(shí)間，滿足A3事件到eNode B接收終端測量報(bào)告的時(shí)間（128 ms)，如圖3中A區(qū)。

(2) 切換執(zhí)行時(shí)間（100 ms)，即eNode B下發(fā)切換命令到終端接收切換完成命令的時(shí)間。如圖3中B區(qū)。

(3) 考慮時(shí)間余量，保證切換順利完成而考慮的時(shí)間余量（2 dB)，距離約為40 m。如圖3中C區(qū)。

(4) 同時(shí)，從兩個(gè)小區(qū)電平相當(dāng)，到鄰小區(qū)大于當(dāng)前主服務(wù)小區(qū)切換遲滯需要一定的距離，約40 m。如圖3中D區(qū)。

根據(jù)車速、距離、時(shí)間的關(guān)系，就可以計(jì)算出重疊覆蓋距離，如下式：

TD-LTE重疊覆蓋區(qū)域長度= [40+車速×（128+ 100)+40]×2

經(jīng)計(jì)算的出不同車速時(shí)所需重疊覆蓋區(qū)域長度：速度為250 km/h時(shí)，距離為191 m。速度為300 km/h時(shí)，距離為198 m。速度為350 km/h時(shí)，距離為204 m。

圖3 切換重疊區(qū)示意圖

3 某市TD-LTE高鐵規(guī)劃

某市地處京津冀發(fā)展區(qū)，京廣鐵路橫貫?zāi)媳?。為滿足高鐵高端用戶良好的數(shù)據(jù)、話音體驗(yàn)，提升運(yùn)營商品牌競爭能力，根據(jù)前述原理分析，結(jié)合某市實(shí)際情況，制定了某市4G TD-LTE高鐵規(guī)劃。

3.1 規(guī)劃指標(biāo)

TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率沿線宏基站滿足RSRP＞-113 dBm的概率大于95%，RS-SINR＞-3 dB的概率大于95%。

TD-LTE無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋率車站滿足RSRP＞-105 dBm的概率大于95%，RS-SINR＞6 dB的概率大于95%，業(yè)務(wù)量需求高的區(qū)域覆蓋指標(biāo)為9 dB。

50%負(fù)載下單用戶下行邊緣速率指全網(wǎng)95%以上的用戶邊緣速率高于1 Mbit/s。

3.2 容量分析

3．2．1 終端用戶分析

以CRH3為分析對象，標(biāo)配8節(jié)車廂，通常采用重聯(lián)方式，即單列車共16節(jié)車廂。

列車一等座車2節(jié)，二等座車12節(jié)、帶廚房的二等座車2節(jié)。一等座共160個(gè)，二等座共954個(gè)，整列車定員數(shù)為1 114人。

考慮列車滿載情況，分為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期及后期兩種情況估算終端用戶量。

初期：按照中國移動(dòng)用戶滲透率70%，其中TDLTE終端滲透率30%，則單列車TD-LTE終端用戶數(shù)為234個(gè)。

后期：按照中國移動(dòng)用戶滲透率70%，其中TDLTE終端滲透率80%，則單列車TD-LTE終端用戶數(shù)為624個(gè)。

3．2．2 單列車用戶吞吐量分析

考慮每業(yè)務(wù)用戶下行平均速率1 Mbit/s，上下行比例為1：5，用戶激活附著比為60%，用戶業(yè)務(wù)并發(fā)率初期為10%，后期為20%，計(jì)算得出單用戶平均速率需求初期為上行12 kbit/s，下行60 kbit/s。后期上行24 kbit/s，下行120 kbit/s。

基于TD-LTE終端用戶量可得， 單列車上下行速率初期需求為上行：234×12=2.8 Mbit/s；下行：234×60= 14 Mbit/s。后期需求為上行：624×24=14.9 Mbit/s；下行：624×120=74.9 Mbit/s。

在兩條軌道列車會(huì)車時(shí)，需求吞吐量將翻倍。

3.3 組網(wǎng)方案

由前一章相關(guān)分析及工程經(jīng)驗(yàn)制定出某市京廣鐵路TD-LTE規(guī)劃。本次高速鐵路覆蓋采用專網(wǎng)方式，并通過精細(xì)規(guī)劃、精確建設(shè)保證專網(wǎng)信號(hào)在線路區(qū)域的主導(dǎo)地位。設(shè)計(jì)站點(diǎn)174個(gè)，利舊2G專網(wǎng)站點(diǎn)102個(gè)，2G專網(wǎng)平均站間距2 000，4G專網(wǎng)站平均間距1 020 m。本次規(guī)劃中涉及4個(gè)高鐵站，合理配置其與公網(wǎng)的臨區(qū)關(guān)系，保證網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

PCI用于區(qū)分不用小區(qū)，在終端下行同步時(shí)使用，本次高鐵PCI規(guī)劃原則與宏站基本相同。即同頻臨區(qū)中不出現(xiàn)相同的PCI，高鐵小區(qū)與路線上的前后小區(qū)PCI模3錯(cuò)開，同時(shí)與相近宏網(wǎng)強(qiáng)鄰區(qū)PCI模3不相等。同PCI小區(qū)具有足夠的復(fù)用距離，并在同頻臨小區(qū)之間選擇干擾最小的PCI值。

TA（跟蹤區(qū)）用于終端尋呼及位置更新管理，本次高鐵TA規(guī)劃為：TA邊界盡量設(shè)置在車站附近等低速運(yùn)行地帶。參照高鐵GSM專網(wǎng)的LA進(jìn)行TA劃分，TA邊界不跨MSC Pool。為便于網(wǎng)絡(luò)管理，避免TA跨廠家設(shè)置。

3.4 站址規(guī)劃

某市區(qū)域內(nèi)高鐵總長度為171 km，已有2G高鐵覆蓋，但現(xiàn)有站址無法滿足TD-LTE覆蓋的要求，需新增站點(diǎn)。高鐵橫穿區(qū)域均為農(nóng)村，采用F頻段。不同車型穿透損耗不同引起覆蓋能力的差異，分別進(jìn)行核算，考慮到高鐵線路上同時(shí)運(yùn)營多種車型，因此按最高穿損車型核算站間距。根據(jù)主設(shè)備能力，及實(shí)際地形，劃分2～3個(gè)站點(diǎn)覆蓋區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)邏輯小區(qū)。小區(qū)內(nèi)的RRU之間不預(yù)留重疊切換帶，小區(qū)間預(yù)留，分別計(jì)算站間距。

高鐵環(huán)境簡單，基站與列車之間無遮擋，屬于直視徑傳輸。高鐵覆蓋的傳播模型以COST231-Hata經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ蜑榛鶞?zhǔn)，作為無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的傳播模型工具，具有較好的準(zhǔn)確性和實(shí)用性。

覆蓋規(guī)劃中，考慮列車車體最大損耗（F頻段24 dB)，天線增益18 dBi。本次規(guī)劃涉及到的F頻段農(nóng)村宏站覆蓋半徑鏈路預(yù)算為613 m。參考雙RRU背靠背組網(wǎng)站間距估算（如表3所示），天線掛高10～15 m，采用雙RRU背靠背組網(wǎng)距高鐵100～300 m，小區(qū)間站間距1 000 m，小區(qū)間間距1 200 m。

表3 雙RRU背靠背組網(wǎng)間距估算

借鑒2G高鐵一期覆蓋的工程經(jīng)驗(yàn)，本次高鐵站點(diǎn)的選擇交錯(cuò)分布于鐵路兩側(cè)，以助于改善切換區(qū)域，并利于車廂內(nèi)兩側(cè)用戶接收信號(hào)質(zhì)量相對均勻。對于在拐角區(qū)域選擇拐角內(nèi)進(jìn)行站點(diǎn)規(guī)劃，有助于減小基站覆蓋方向和軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響。

4 結(jié)語

本文對TD-LTE高鐵規(guī)劃中遇到的關(guān)鍵性問題進(jìn)行了研究，并結(jié)合某市實(shí)際工程具體提出了指導(dǎo)工程實(shí)踐的規(guī)劃方案，即在利用現(xiàn)有2G專網(wǎng)基礎(chǔ)上規(guī)劃TD-LTE 4G專網(wǎng)覆蓋。目前，TD-LTE高鐵施工建設(shè)正在進(jìn)行當(dāng)中，為使高鐵終端用戶有良好的上網(wǎng)體驗(yàn)，提升高鐵專網(wǎng)性能，還需要在專網(wǎng)建成之后對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。

[1] 原燕斌． 高速鐵路環(huán)境下LTE切換技術(shù)的研究[D]． 北京：北京郵電大學(xué)． 2012．

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A study on planning TD-LTE high-speed rail

ZHU Nai-chang
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

With the rapid development of e-commerce and internet, the need of high speed data’s transmmison increases strongly and the mobile terminal users on high-speed rail could have good experience with the arrival of the 4G era. Because of the structure characteristics and high speed mobility of high-speed rail, there are some diff cult problems in the planning of TD-LTE high-speed rail such as the Doppler effect, the loss of penetration, the switch between cells and so on. This paper does some research on the problems above and put forward specif c solutions combined with construction of a city’s TD-LTE highspeed rail.

high-speed rail; TD-LTE; planning; 4G

TN929.5

A

1008-5599（2014）11-0029-05

2014-06-10