高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案研究

［楊一帆 崔波 李冬 滕琳雅］

高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案研究

［楊一帆 崔波 李冬 滕琳雅］

受車廂高損耗、小區(qū)頻繁切換及沿線環(huán)境復(fù)雜多變等諸多因素影響，高鐵線路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難點(diǎn)。本文針對(duì)高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案展開研究，對(duì)組網(wǎng)方式、重疊覆蓋區(qū)和小區(qū)合并等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，最后提出高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方案。提出的建設(shè)方案已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高鐵線路覆蓋中，并取得良好的覆蓋效果。

高鐵無(wú)線覆蓋 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)

楊一帆

工程師，2007年畢業(yè)于華南理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。

崔波

工程師，2008年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。

李冬

工程師，2014年畢業(yè)于暨南大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。

滕琳雅

助理工程師，2014年畢業(yè)于香港大學(xué)電子電機(jī)工程專業(yè)，工學(xué)碩士，現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。

1　背景

隨著國(guó)家十三五規(guī)劃的實(shí)施，新一輪高速鐵路建設(shè)將全面啟動(dòng)。是否能在高鐵列車上提供無(wú)線高速寬帶服務(wù)已成為電信運(yùn)營(yíng)商綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。然而，由于高鐵具有車體封閉性高、移動(dòng)速度快，沿途環(huán)境復(fù)雜多樣等特點(diǎn)，使得高鐵沿線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為一大難題。高鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的主要困難如下。

（1）密封性的提高及材質(zhì)的升級(jí)導(dǎo)致高鐵車體的信號(hào)損耗較普通列車大幅提升。

國(guó)內(nèi)高鐵一般為CRH車型，CRH列車采用密閉式鋁合金廂體設(shè)計(jì)，增大了車體損耗。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，為保證有足夠的冗余度，應(yīng)選取車體損耗最大的CRH1車型（龐巴迪列車）進(jìn)行考慮，即車體損耗應(yīng)取24dB。［4］

（2）高速移動(dòng)導(dǎo)致小區(qū)切換過于頻繁

假設(shè)列車以300km/h運(yùn)行，終端約每12秒左右將進(jìn)行一次小區(qū)切換，這提高了小區(qū)切換難度，同時(shí)也加大了網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷。［3］

（3）高速移動(dòng)產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”，影響信號(hào)接收。

移動(dòng)臺(tái)在高鐵上通信時(shí)，由于與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，無(wú)線電波會(huì)產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”，發(fā)射機(jī)的信號(hào)頻率在到達(dá)接收機(jī)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生一定的頻率偏差。［1］［2］多普勒頻移會(huì)造成接收機(jī)解調(diào)性能的下降，影響網(wǎng)絡(luò)性能。

2　高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵問題分析

2.1組網(wǎng)方式選擇

針對(duì)高鐵覆蓋，可采用無(wú)線公網(wǎng)覆蓋或?qū)＞W(wǎng)覆蓋兩種組網(wǎng)方式，其具體定義如下：

公網(wǎng)覆蓋方案：將高鐵線路覆蓋與周邊區(qū)域覆蓋合并考慮，采用相同的宏蜂窩組網(wǎng)方式規(guī)劃建設(shè)。

專網(wǎng)覆蓋方案：針對(duì)高速鐵路的特定需求制定專門的覆蓋方案，建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)。

專網(wǎng)覆蓋方案在頻率選擇、設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)功能開啟及參數(shù)配置等方面均有特殊的要求。主要特性如下：

（1）頻率配置優(yōu)先選擇低頻段頻率提升覆蓋能力，減少站址需求。優(yōu)先采用專用頻率，如無(wú)專有頻率，應(yīng)盡量規(guī)避公網(wǎng)的同頻干擾。［5］

（2）設(shè)備選型

主要采用兩通道分布式基站設(shè)備。

利用小區(qū)合并功能擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋范圍。

天線選用窄波束、高增益定向天線。

（3）參數(shù)設(shè)置

配置高速移動(dòng)功能及小區(qū)合并功能。

簡(jiǎn)化系統(tǒng)信息，縮短獲取小區(qū)信息的時(shí)間。

優(yōu)化重選、切換控制參數(shù)，加快重選、切換速度。

通過頻率優(yōu)先級(jí)設(shè)置、基于負(fù)荷的切換機(jī)制等保證專網(wǎng)覆蓋質(zhì)量。［5］

公網(wǎng)與專網(wǎng)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。

表1　公網(wǎng)覆蓋與專網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)對(duì)比表［5］

2.2重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃（如圖1所示）

圖 1重疊覆蓋帶設(shè)計(jì)

重疊區(qū)域切換時(shí)延由以下兩部分組成：

區(qū)域A：過渡帶，從相鄰兩基站間中點(diǎn)位置到信號(hào)電平值滿足切換遲滯需要點(diǎn)間的區(qū)域

區(qū)域B：切換帶，在終端切換時(shí)間遲滯以及切換執(zhí)行時(shí)間內(nèi)列車所移動(dòng)的距離。

根據(jù)目前設(shè)備狀況，

切換測(cè)量時(shí)間設(shè)為：128ms：

切換執(zhí)行時(shí)間設(shè)為：100ms。

重疊覆蓋區(qū)域需考慮雙向，則

重疊帶=2*（切換遲滯對(duì)應(yīng)距離+車速*切換時(shí)延）

其中：TD-LTE切換遲滯（2dB）對(duì)應(yīng)距離為40米，切換時(shí)延為128ms+100ms，則在不同速率下的重疊帶需求距離如表2所示。

表2　不同移動(dòng)速率下的重疊需求距離

2.3小區(qū)合并技術(shù)

高鐵專網(wǎng)中采用把多個(gè)RRU合并成為同一個(gè)小區(qū)的小區(qū)合并技術(shù)，成倍加大了小區(qū)的覆蓋范圍，從而減少了高鐵中移動(dòng)臺(tái)的小區(qū)切換次數(shù)，提升整體吞吐量，如圖2、表3所示。

圖2　普通小區(qū)組網(wǎng)與小區(qū)合并組網(wǎng)差異

表3　不同RRU小區(qū)合并下差異對(duì)比

高鐵場(chǎng)景下可根據(jù)設(shè)備支持能力，主干光纜資源，配套資源等因素選擇單小區(qū)或多小區(qū)的站型配置方式，不同配置下小區(qū)合并對(duì)比如圖3、表4所示。

圖3　不同配置下小區(qū)合并BBU+RRU連接示意圖

表4　不同小區(qū)配置方案對(duì)比

3　高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案

3.1多場(chǎng)景建設(shè)方案

（1）室外覆蓋場(chǎng)景

高鐵沿線覆蓋以直視徑為主，采取鏈型小區(qū)連續(xù)覆蓋的方案，采用BBU+RRU光纖拉遠(yuǎn)型的分布式基站進(jìn)行覆蓋，組網(wǎng)主要采用單抱桿雙RRU背靠背和單抱桿單RRU功分兩種方式，如圖4所示。

兩種建設(shè)方案的特點(diǎn)如下：

① 單抱桿雙RRU背靠背方案：每個(gè)抱桿上放置2個(gè)雙通道的RRU，每個(gè)RRU與一個(gè)兩通道天線相連，分別覆蓋抱桿兩側(cè)的鐵路。每個(gè)抱桿可稱為一個(gè)子站，子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。

② 單抱桿單RRU功分方案：每個(gè)抱桿上放置1個(gè)雙通道的RRU，RRU采用功分器連接到2個(gè)兩通道天線；子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。

由于功分器的引入，使單抱桿單RRU功分方案單子站覆蓋距離比單抱桿雙RRU背靠背方案短。

（2）隧道場(chǎng)景

隧道場(chǎng)景的特點(diǎn)是空間狹小封閉，存在填充效應(yīng)，造成無(wú)線傳播環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。隧道場(chǎng)景可采用射頻拉遠(yuǎn)單元（RRU）配合泄漏電纜與定向天線的混合覆蓋方案進(jìn)行覆蓋。

圖4　高鐵BBU+RRU鏈狀覆蓋方案

① 短隧道方案

對(duì)于長(zhǎng)度小于300米的短隧道，如果隧道內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)彎，且隧道沿線未布放泄露電纜，可在隧道口設(shè)置定向天線對(duì)隧道內(nèi)區(qū)域直接覆蓋。如果隧道沿線已布放泄露電纜，可采用泄露電纜和定向天線相結(jié)合的方式進(jìn)行覆蓋，如圖5所示。

圖5　短隧道覆蓋方案

② 長(zhǎng)隧道覆蓋方案

對(duì)于長(zhǎng)度大于300米的長(zhǎng)隧道，因?yàn)樗淼雷呦蛲ǔ?huì)彎曲多變，且無(wú)足夠空間安裝定向天線，所以無(wú)法使用定向天線進(jìn)行覆蓋。泄露電纜能很好地適應(yīng)隧道空間狹長(zhǎng)，彎曲多變的特征，而且在隧道內(nèi)布放施工難度小，因此在長(zhǎng)隧道場(chǎng)景推薦采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋，建議泄漏電纜安裝在車窗上方位置的隧道墻壁，如圖6所示。

圖6　長(zhǎng)隧道覆蓋方案

③ 連續(xù)隧道覆蓋方案

對(duì)于多條連續(xù)隧道場(chǎng)景，在隧道與隧道之間的空曠路段建議在隧道口架設(shè)定向天線進(jìn)行覆蓋，在連續(xù)隧道之間不設(shè)置小區(qū)切換區(qū)域，以避免切換掉話，組網(wǎng)方式如圖7所示。

綜上分析，隧道組網(wǎng)方案建議采用RRU+泄露電纜的方式進(jìn)行隧道內(nèi)覆蓋，同時(shí)采用定向天線進(jìn)行隧道外覆蓋，保證與隧道內(nèi)外高鐵專網(wǎng)的覆蓋銜接。

（3）大型橋梁場(chǎng)景

大型橋梁的普遍特點(diǎn)為橋面?zhèn)鞑キh(huán)境空曠，橋上架設(shè)天線難度大，工程條件非常有限；對(duì)于大型橋梁場(chǎng)景，優(yōu)先建議在橋梁兩側(cè)架設(shè)天線進(jìn)行覆蓋

由于實(shí)際環(huán)境復(fù)雜，部分橋梁可能存在一定的彎度，這種情況下，天線可對(duì)準(zhǔn)橋面中部覆蓋，并針對(duì)具體場(chǎng)景條件選擇不同波束寬度和增益的天線。

圖7　連續(xù)隧道覆蓋方案

3.2天線發(fā)射點(diǎn)布局方案

（1）發(fā)射點(diǎn)交錯(cuò)布局

高鐵沿線發(fā)射點(diǎn)的布局方案應(yīng)結(jié)合具體場(chǎng)景而確定，發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量交錯(cuò)建設(shè)于鐵路兩側(cè)，以保證車廂內(nèi)兩側(cè)用戶接收信號(hào)質(zhì)量均勻，并有利于小區(qū)切換，如圖8所示。

圖8　發(fā)射點(diǎn)交錯(cuò)布局方案示意圖

（2）拐彎處發(fā)射點(diǎn)布局

在高鐵的拐彎區(qū)域，天線發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在拐角內(nèi)側(cè)，以減小基站覆蓋方向與軌道方向夾角，減小多普勒頻移的影響，同時(shí)天線的選型需配合軌道弧度，弧度較大的選擇波瓣較寬的天線，如圖9所示。

圖9　拐彎處發(fā)射點(diǎn)布局示意圖

（3）站點(diǎn)與軌道距離

依據(jù)信號(hào)穿透特點(diǎn)，當(dāng)信號(hào)與列車入射角小于10度時(shí)，信號(hào)的穿透損耗將明顯增大；以站間距1千米左右計(jì)算，在信號(hào)入射角10度左右時(shí)，站點(diǎn)離鐵軌距離約100米左右，因此高鐵紅線外選點(diǎn)建議在100米左右。

根據(jù)規(guī)劃信息以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，高鐵高架度約為10～15米之間，為保障高鐵在高架橋上覆蓋效果，建議天線距離地面高度為25-40米，即天線相對(duì)高架橋高度在10～30米左右。

4　結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案展開研究，對(duì)組網(wǎng)方式、重疊覆蓋區(qū)和小區(qū)合并等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析，最后提出高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的具體建設(shè)方案，指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文提出的建設(shè)方案已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高鐵線路覆蓋中，并取得良好的覆蓋效果。

1 梁寅明，潘峮，袁超. TDD_LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)高速鐵路場(chǎng)景共存研究［J］. 《廣東通信技術(shù)》， 2011（2）： 45-49

2 蔣遠(yuǎn)，湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)［M］. 1版. 北京：人民郵電出版社， 2012： 288-292

3 王映民，孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)［M］. 1版 北京：人民郵電出版社， 2012： 208-429

4 楊一帆. 高速鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究［J］. 《移動(dòng)通信》，2014，第18期（18）： 13-17

5 高明皓，高天，劉培欣，徐江. 高速鐵路LTE專網(wǎng)覆蓋和建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究［J］， 《電信技術(shù)》， 2015， 8期（08）：65-68

10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.002

（2016-05-05）