高速鐵路場景下TD—SCDMA和TD—LTE的聯(lián)合覆蓋技術(shù)研究

肖飛　郎琪　劉佳奇

【摘要】 本文結(jié)合TD-SCDMA和TD-LTE技術(shù)，分析了2種制式在高速鐵路場景下的特點(diǎn)及相應(yīng)的覆蓋技術(shù)，同時(shí)深入探討了高速鐵路場景下列車的多普勒頻移和鏈路預(yù)算的特點(diǎn)，針對性的提出了可能的頻率補(bǔ)償技術(shù)和穿透損耗準(zhǔn)確數(shù)值，為高速鐵路TD-SCDMA和TD-LTE的聯(lián)合覆蓋找到了理論計(jì)算依據(jù)。

【關(guān)鍵詞】 多普勒頻移 小區(qū)合并 鏈路預(yù)算 高鐵列車穿透損耗

我國鐵路經(jīng)過幾次大幅度的提速后，列車運(yùn)行速度越來越快。目前正在運(yùn)行的高速鐵路包括武廣高鐵、鄭西高鐵、京津高鐵、京滬高鐵以及京石高鐵列車速度已經(jīng)達(dá)到了350km/h，這標(biāo)志著我國高速鐵路已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平。列車速度的提升和新型車廂的出現(xiàn)帶來了高效和舒適，同時(shí)對高速環(huán)境下通信服務(wù)的種類和質(zhì)量的要求也越來越高，這無疑對鐵路無線通信提出了更為苛刻的要求。

高速鐵路的無線通信環(huán)境包羅萬象，除了城市和平原，還有高山、丘陵、戈壁、沙漠、橋梁和隧道。可以說涵蓋了幾乎所有的無線通信場景。所以，如何在高速移動(dòng)環(huán)境下保持好的網(wǎng)絡(luò)覆蓋和通信質(zhì)量，是對目前TDS&TD-LTE技術(shù)的挑戰(zhàn)。

一、覆蓋關(guān)鍵技術(shù)

對于移動(dòng)通信系統(tǒng)而言，當(dāng)移動(dòng)終端速度達(dá)到350km/h以后，則需要考慮以下關(guān)鍵技術(shù)。

第一，高速列車使用的傳播模型；第二，列車的高速移動(dòng)使得多普勒頻移效應(yīng)明顯；第三，列車的高速移動(dòng)使得終端頻繁的切換；第四，高速列車強(qiáng)度的加大使得電波的穿透損耗也進(jìn)一步增加；第五，高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)和公網(wǎng)之間的相互影響。

（1）傳播模型。在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中，通常使用經(jīng)驗(yàn)的傳播模型預(yù)測路徑損耗中值，目的是得到規(guī)劃區(qū)域的無線傳播特性。高鐵使用的傳播模型，在整個(gè)網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中具有非常重要的作用。傳播模型在具體應(yīng)用時(shí)，必須對模型中各系數(shù)進(jìn)行必要的修正，它的準(zhǔn)確度直接影響無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃的規(guī)模、覆蓋預(yù)測的準(zhǔn)確度，以及基站的布局情況。（2）多普勒頻移效應(yīng)。高速覆蓋場景對LTE系統(tǒng)性能影響最大的效應(yīng)是多普勒效應(yīng)。當(dāng)電磁波發(fā)射源與接收器發(fā)生相對運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，會(huì)導(dǎo)致所接收到的傳播頻率發(fā)生改變。當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度達(dá)到一定閥值時(shí)，將會(huì)引起傳輸頻率的明顯改變，這稱之為多普勒頻移。多普勒頻移將使接收機(jī)和發(fā)射機(jī)之間產(chǎn)生頻率偏差，而且多普勒頻移會(huì)影響上行接入成功率、切換成功率還會(huì)對系統(tǒng)的容量和覆蓋產(chǎn)生影響。（3）小區(qū)切換。對于高速移動(dòng)的終端而言。高速移動(dòng)會(huì)造成終端在小區(qū)之間的快速切換。而高速移動(dòng)的終端頻繁的切換會(huì)對系統(tǒng)的性能產(chǎn)生較大的影響，因此必須解決在高鐵通信建設(shè)中的小區(qū)切換問題。為保證用戶無縫移動(dòng)性及QoS要求：最基本的要求就是需要保證用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間一定要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無法完成，會(huì)造成用戶因切換不及時(shí)而導(dǎo)致掉話，影響用戶的正常使用。（4）穿透損耗。高速鐵路列車采用密閉箱體設(shè)計(jì)，車體對無線信號(hào)的穿透損耗較高。不同車型的火車車廂穿透損耗差異很大，全封閉的新型列車比普通列車穿透損耗大5-10dB。高鐵覆蓋鏈路預(yù)算的取值應(yīng)按未來可能采用的車體類型的損耗考慮以滿足、兼容對全系列高速列車的覆蓋要求。（5）公網(wǎng)和高鐵覆蓋。若在現(xiàn)網(wǎng)上采用小區(qū)分裂方式來覆蓋高鐵，則資源利用率較高，成本相對較低，但是現(xiàn)網(wǎng)很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求。對于網(wǎng)優(yōu)部門來說，優(yōu)化難度非常大。而當(dāng)使用專網(wǎng)覆蓋高速鐵路時(shí)，有利于切換帶的設(shè)計(jì)，可以很好提高通信質(zhì)量，有利于應(yīng)用專用于高速場景的無線資源管理算法、切換和重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，從而更好地提高整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

二、高速鐵路覆蓋方法

（1）無線傳播模型

在無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃中不同的傳播模型可應(yīng)用于不同的無線場景。在這些模型中，影響電波傳播的一些主要因素，如收發(fā)天線距離、天線相對高度和地型地貌因子等，都作為路徑損耗預(yù)測公式的變量或函數(shù)。

（2）多普勒效應(yīng)

TD-SCDMA頻段范圍內(nèi)典型的多普勒頻偏如圖1所示：

列車高速運(yùn)動(dòng)將引起多普勒頻偏，導(dǎo)致接收端接收信號(hào)頻率發(fā)生變化，且頻率變化的大小和快慢與車速相關(guān)，高速引起的大頻偏將導(dǎo)致接收機(jī)解調(diào)性能大幅下降。

從前面描述可知，對于高速移動(dòng)的用戶，多普勒頻偏往往非常大，對于基站接收機(jī)來說，估計(jì)和發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是接收機(jī)必須完成的功能，否則將對鏈路性能造成很大影響；另外：基站接收機(jī)還需要應(yīng)對頻偏快速變化的問題，即保證能夠迅速跟上頻偏變化速度并進(jìn)行有效的補(bǔ)償。適應(yīng)頻偏校正算法，能在基帶層面實(shí)時(shí)地檢測出當(dāng)前子幀頻率偏移的相關(guān)信息，然后對頻偏造成的基帶信號(hào)相位偏移予以校正，提升基帶性解調(diào)能。具體實(shí)現(xiàn)方法是基站根據(jù)接收到的上行信號(hào)的頻偏，調(diào)整收信機(jī)接收頻率，抵消多普勒效應(yīng)導(dǎo)致的上行頻率偏移，同時(shí)對下行發(fā)信頻率置相同的偏移量，保證同手機(jī)的正常通信。

當(dāng)基站處于普通模式下，下行速率“掉坑”現(xiàn)象明顯，波動(dòng)很大；改成高速模式頻率補(bǔ)償技術(shù)后，掉坑現(xiàn)象改善明顯。

試驗(yàn)網(wǎng)區(qū)域基站模式由普通模式改為高速頻率補(bǔ)償模式后，F(xiàn)頻段平均下載速率別由16M提升到24M，提升約50%。D頻段平均下載速率由6M提升到20M。D頻段受多普勒頻偏影響更大，因此平均速率的改善更加明顯！

（3）小區(qū)切換

對于高速移動(dòng)物體而言，高速的移動(dòng)會(huì)造成小區(qū)之間的快速切換。350km/h的最大列車運(yùn)行速度就是每秒移動(dòng)97m，以目前高鐵沿線的基站密度來說，高速列車經(jīng)過沿途幾百米覆蓋范圍的小區(qū)就只有短短數(shù)秒。在這種高速場景下，容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。主要原因是：①UE移動(dòng)速度越大，在一個(gè)小區(qū)中駐留的時(shí)間越短，造成UE駐留小區(qū)時(shí)間小于小區(qū)選擇過程；②UE移動(dòng)速度越快，在相同小區(qū)重選時(shí)延情況下，小區(qū)間需要設(shè)置越長的重疊區(qū)；③UE移動(dòng)速度越快，相同切換時(shí)延情況下，小區(qū)間需要設(shè)置越長的切換重疊區(qū)小區(qū)切換帶的設(shè)置主要和列車運(yùn)行速度、小區(qū)重選與小區(qū)切換時(shí)間有關(guān)。兩個(gè)相鄰小區(qū)之間必須保證足夠的重疊覆蓋區(qū)域，以滿足終端在高速移動(dòng)過程中對切換的時(shí)間要求。

因此，鐵路專網(wǎng)建議采用小區(qū)合并技術(shù)進(jìn)行覆蓋規(guī)劃，以避免頻繁小區(qū)間的切換帶來的諸多問題。

小區(qū)合并技術(shù)是指，將多個(gè)RRU接于同一BBU，并設(shè)置為同一邏輯小區(qū)，BBU根據(jù)各天線的用戶上行信號(hào)接收質(zhì)量，選擇下行發(fā)送的RRU。小區(qū)合并技術(shù)具有覆蓋強(qiáng)、信號(hào)質(zhì)量高的優(yōu)勢，可將地理位置完全不同的RRU設(shè)置為同一邏輯小區(qū)，穿過不同位置區(qū)可不發(fā)生切換，大大減少切換次數(shù)，保證高鐵沿線網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量。如圖4所示：

從LTE高鐵覆蓋特點(diǎn)來看：為了保證小區(qū)間的可靠切換，需要增加小區(qū)的覆蓋范圍，減小小區(qū)切換次數(shù)。為了擴(kuò)大小區(qū)覆蓋范圍，可采用基帶池+RRU，射頻拉遠(yuǎn)單元，的網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，可以將多個(gè)RRU組網(wǎng)，利用基帶合并技術(shù)組合到一個(gè)小區(qū)內(nèi)。屬于同一小區(qū)的RRU沿高速鐵路部署，從而減少切換頻率以提高網(wǎng)絡(luò)性能。在下行方向，基站相當(dāng)于多個(gè)站點(diǎn)同頻分集發(fā)射，每個(gè)RRU的發(fā)射信號(hào)是相同的，手機(jī)可以在多RRU的覆蓋重疊區(qū)得到接收增益，增強(qiáng)了下行信號(hào)的接收效果。

上行方向，基站相當(dāng)于多路接收，處于多個(gè)RRU覆蓋重疊區(qū)手機(jī)的上行信號(hào)，由多個(gè)RRU的天線同時(shí)接收到，接收數(shù)據(jù)通過光纖傳遞到基帶池之后，基帶處理板實(shí)現(xiàn)多路合并分集接收，提高了上行接收靈敏度和抗干擾能力。

高鐵列車車體有較強(qiáng)的屏蔽效果，需要足夠的覆蓋信號(hào)強(qiáng)度，這樣便限制了覆蓋區(qū)域的不能太大。當(dāng)屬于同一邏輯小區(qū)的多個(gè)RRU，覆蓋區(qū)域部分重疊連環(huán)相連之后，構(gòu)成一個(gè)狹長地帶的高信號(hào)強(qiáng)度的適合鐵路沿線的小區(qū)覆蓋方案，有利于增加覆蓋信號(hào)強(qiáng)度。

（4）穿透損耗

高速列車采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，車體對無線信號(hào)的穿透損耗較高。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗。全封閉的新型CRH列車比普通列車穿透損耗大5-10dB，穿透損耗最高可達(dá)26dB，因此專網(wǎng)設(shè)計(jì)中，高鐵覆蓋鏈路預(yù)算的取值應(yīng)按未來可能采用的車體類型的損耗考慮，以滿足、兼容對全系列高速列車的覆蓋要求。假如要求車廂內(nèi)提供用戶通信的電平值要達(dá)到-86dB以上，則列車車廂外的覆蓋電平需達(dá)到-60dB。

（5）公網(wǎng)和高鐵覆蓋

為了保證列車用戶順利進(jìn)入專網(wǎng)，在專網(wǎng)起點(diǎn)處要設(shè)置與北京南站室內(nèi)覆蓋的鄰區(qū)關(guān)系，通過站臺(tái)的室內(nèi)分布系統(tǒng)進(jìn)出鐵路的專網(wǎng)。建設(shè)時(shí)，北京南站的室內(nèi)覆蓋天線向室外延伸部分覆蓋，專網(wǎng)覆蓋天線向室內(nèi)延伸部分覆蓋。保證切換重疊區(qū)域，確保進(jìn)站時(shí)列車用戶通過站臺(tái)的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)選到專網(wǎng)小區(qū)，出站時(shí)列車用戶通過站臺(tái)的室內(nèi)覆蓋系統(tǒng)過渡到大網(wǎng)的覆蓋。為了保證列車用戶能夠進(jìn)入專網(wǎng)，需要調(diào)整周邊基站的天線，適當(dāng)減弱其對鐵路沿線的覆蓋強(qiáng)度，進(jìn)出專網(wǎng)設(shè)置示意圖如圖5所示。

三、總結(jié)

我國高速鐵路的飛速發(fā)展是日新月異，隨著信息化時(shí)代的到來，鐵路旅客乘車時(shí)信息傳輸?shù)臅惩ㄅc否，關(guān)系到移動(dòng)運(yùn)營商的服務(wù)質(zhì)量及鐵路旅客乘車環(huán)境的好壞，因此公眾移動(dòng)通信系統(tǒng)在鐵路范圍內(nèi)的無線覆蓋更加突出。通過使用專用網(wǎng)絡(luò)的LTE高鐵覆蓋方案，有針對性的進(jìn)行高鐵場景網(wǎng)絡(luò)覆蓋，能夠幫助運(yùn)營商打造出優(yōu)質(zhì)的LTE高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)。