TD-LTE在高鐵場(chǎng)景覆蓋下的關(guān)鍵性技術(shù)和方案分析

鐘志成 宋永勝

（中睿通信規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司，廣東 廣州510630）

0 概述

隨著鐵路業(yè)務(wù)的不斷增加，以及數(shù)字鐵路發(fā)展需要，寬帶、高效、可靠的無線通信服務(wù)是鐵路公司和鐵路乘客迫切需求。TD-LTE作為3GPP國際組織推出的并擁有中國自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的LTE長(zhǎng)期演進(jìn)(Long Term Evolution)寬帶無線通信技術(shù)，能夠?qū)崿F(xiàn)更高的數(shù)據(jù)速率、更短的時(shí)延、更低的成本、更好的系統(tǒng)容量和覆蓋質(zhì)量。TD-LTE作為GSM-R平滑過渡升級(jí)的解決方案，符合未來無線通信系統(tǒng)移動(dòng)化、寬帶化和IP化的趨勢(shì)，為鐵路無線通信提供強(qiáng)大的業(yè)務(wù)承載平臺(tái)。而由于高鐵的高速、車體強(qiáng)度大、電氣化程度高等特點(diǎn)使得高鐵的TDLTE覆蓋技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)高、難度大，需要不斷深化研究覆蓋方案，提升覆蓋效果。

圖1 鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)與拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

1 TD-LTE在高鐵深度覆蓋和廣度覆蓋上面臨的主要問題

1.1 穿透損耗大

高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，車箱體為不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的玻璃材料，導(dǎo)室外無線信號(hào)在高速列車內(nèi)的穿透損耗較大，給車體內(nèi)的無線覆蓋帶來較大困難。

圖2 不同高鐵列車的穿透損耗

1.2 多普勒頻偏

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列車的速度相關(guān)。高速引起的大頻偏對(duì)于接收機(jī)解調(diào)性能提升是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。

圖3 多普勒頻移與移動(dòng)終端距離的關(guān)系

1.3 切換頻繁

由于單站覆蓋范圍有限，列車高速移動(dòng)將在短時(shí)間內(nèi)穿越多個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)間切換，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。

圖4 高鐵小區(qū)切換

2 高鐵TD-LTE組網(wǎng)關(guān)鍵性技術(shù)

2.1 高鐵主干道組網(wǎng)技術(shù)

高鐵采用雙通道RRU進(jìn)行覆蓋組網(wǎng)，體積小，方便部署，同時(shí)可結(jié)合雙通道天線實(shí)現(xiàn)MIMO，可實(shí)現(xiàn)多個(gè)RRU級(jí)聯(lián)，降低工程實(shí)施難度利用MIMO提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率；同時(shí)采用多RRU小區(qū)合并，減少小區(qū)間切換，從而提升網(wǎng)絡(luò)性能。

圖5 高鐵主干道TD-LTE覆蓋

2.2 高鐵覆蓋鏈路預(yù)算

高鐵覆蓋規(guī)劃:考慮終端在車內(nèi)，即規(guī)劃中需要考慮列車車體的穿透損耗。高鐵環(huán)境簡(jiǎn)單，基站與列車之間無遮擋，屬于直視徑傳輸；因此傳播模型采用Cost231-hata模型，其中高鐵場(chǎng)景Cm修正值：Cm=-20（F）。覆蓋規(guī)劃中，考慮列車車體最大損耗（F頻段24dB）,天線增益18dBi；高鐵覆蓋規(guī)劃目標(biāo)基于RSRP＞-110dBm進(jìn)行鏈路預(yù)算；估算主要考慮3種典型站高結(jié)構(gòu)：10m，20m以及35m；出于安全考慮高鐵鐵軌通常比地面高出10米左右，因此該站高均為相對(duì)鐵軌的高度。

表1 高鐵F頻段覆蓋距離估算

2.3 高鐵容量規(guī)劃

乘客量估算（以CRH3型列車為例），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1114人。

終端用戶量估算，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。初期：按照中國移動(dòng)用戶滲透率70%，其中LTE終端滲透率30%，則單列車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LTE終端滲透率80%，則單列車LTE終端用戶數(shù)為：624個(gè)。

單列車用戶吞吐量需求考慮每業(yè)務(wù)用戶下行平均速率1mbps，上下行比例為1:5，用戶激活附著比為60%（即60%用戶處于激活態(tài)），用戶業(yè)務(wù)并發(fā)率初期為10%，后期為20%，則單用戶平均速率需求為上行12kbps，下行60kbps（初期）上行24kbps，下行120kbps（后期）基于LTE終端用戶量可得，單列車上下行速率需求為初期：上行：234*12=2.8mbps；下行：234*60=14mbps，后期：上行：624*24=14.9mbps；下行：624*120=74.9mbps，在列車會(huì)車時(shí)，需求吞吐量將翻倍。

2.4 隧道覆蓋方案

隧道覆蓋方案可分為定向天線隧道覆蓋方案和泄露電纜隧道覆蓋方案。定向天線與泄露電纜覆蓋均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中隧道種類繁多，建設(shè)中建議采用定向天線+泄露電纜的方式進(jìn)行覆蓋。

隧道傳播模型為：PLmax=PRRU-(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4)；各參數(shù)說明如下：

PRRU：RRU的輸出功率

LPOI：POI系統(tǒng)的插損，一般設(shè)計(jì)要求POI插損小于6dB，此處取5dB

Pdes：接收端的覆蓋電平要求，此處為-110dBm

L1：泄露電纜95%2m處的耦合損耗

L2：人體損耗，LTE主要為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，暫不考慮人體損耗，默認(rèn)取0dB

L3：寬度因子，L3=10lg(d/2)，d為移動(dòng)臺(tái)距離漏纜的距離，默認(rèn)取4m

隧道內(nèi)重疊覆蓋估算方法同宏站，估算結(jié)果為300km/h左右時(shí)，隧道內(nèi)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域約200米左右。采用泄露電纜覆蓋，F(xiàn)頻段小區(qū)邊界RRU間距建議不大于850m，非小區(qū)邊界站點(diǎn)間距不大于1.1km；對(duì)于中小型隧道，建議隧道覆蓋區(qū)域RRU合并為一個(gè)小區(qū)，以避免隧道內(nèi)的小區(qū)切換。

圖6 兩種高鐵隧道覆蓋方案

3 總結(jié)

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，有針對(duì)性的進(jìn)行高鐵場(chǎng)景網(wǎng)絡(luò)覆蓋，打造出優(yōu)質(zhì)的LTE高鐵覆蓋網(wǎng)絡(luò)。不僅僅能提升用戶感知，更能提高運(yùn)營商的品牌價(jià)值，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力，維系高端客戶。

［1］3GPP,Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)；Carrier Aggregation Base Station(BS)Radio transmission and reception,3GPPTR 36.808[Z].

［2］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；Base Station(BS)Radio transmission and reception,3GPPTS 36.104[Z].

［3］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access(E-UTRA)；Base Station(BS)conformance testing,3GPPTS 36.141[Z].

［4］FCC,Title 47 of the Code of Federal Regulations(CFR),Federal Communications Commission[Z].

［5］3GPP,3rd generation partnership project；Technical specification group radio access network；Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA)；Radio Frequency(RF)system scenarios,3GPPTR 36.942[Z].

［6］ITU-R,Unwanted Emissions in the Spurious Domain,Recommendation ITU-R SM.329-10,February 2003[Z].