低速用戶遷出緩解高鐵容量問題方案探討

摘 要：當前高速鐵路迅猛發(fā)展，高鐵通信需求日益強烈。然而高鐵LTE網絡優(yōu)化中存在諸多的挑戰(zhàn)，如頻譜偏移大、業(yè)務需求量集中導致容量受限等，這對LTE高鐵無線方案設計以及網絡優(yōu)化也提出了更嚴格的要求。本文重點討論如何應用低速用戶遷出功能緩解高鐵專網容量壓力，包括如何判定入侵高鐵專網的用戶（即低速用戶）、入侵用戶遷出等技術方案，并對現網應用效果進行了分析。

關鍵詞：高鐵；低速用戶；LTE；用戶遷出；多普勒頻移

Abstract：With the rapid development of highspeed railway （HSR）， the demand for highspeed telecommunication is growing. However， there are many challenges in the optimization of highspeed LTE network， such as large Doppler frequency shift， overload of service request， which require the better design and optimization of highspeed LTE network. This paper focuses on how to alleviate the overload of HSR network by determining and emigrating the intrusion of HSR network users （i.e.， lowspeed users）， and analyzes the performance of living network.

Key words：highspeed railway；lowspeed users；LTE；emigrating users；Doppler frequency shift

1 背景

高速鐵路在我國以及全球范圍內迅速發(fā)展，高鐵運營里程已達到3萬公里以上并呈快速增長的趨勢。伴隨著高端人群大規(guī)模、長時間乘坐高鐵頻繁流動，高鐵車地間的通信需求日益強烈。LTE系統(tǒng)憑借帶寬大、時延短、支持運動速度快等特性，為高鐵寬帶無線通信提供了迄今為止最佳的技術手段。同時，高鐵又帶來了覆蓋受限、線狀覆蓋、頻率偏移大、業(yè)務需求量集中導致容量受限等問題，這對LTE高鐵無線方案設計以及網絡優(yōu)化也提出了更嚴格的要求。

1.1 容量對網絡感知的影響

HN是中國高鐵大動脈的樞紐省份，高鐵通車里程位居全國前列，日常高鐵客流量達到12萬人次，節(jié)日發(fā)送旅客量超過23萬人次（2017年上半年數據）。高頻次、高密度的人群使得高鐵LTE小區(qū)平均RRC連接用戶數達到380，其中超400的比例高達53.23%，全線面臨嚴重容量壓力，直接影響了客戶滿意度。以HN某高鐵線路為例，隨著用戶數的上升，綜合覆蓋率下滑6%，下載速率下降3Mbps，隨時隨地5M占比從94.19%下降到77.99%，用戶感知下滑嚴重。

1.2 高鐵潮汐效應明顯

高鐵場景下，鐵路沿線一般情況下話務量需求接近某一常數，列車經過時話務量劇增，導致忙時話務量和閑時話務量差距明顯，呈現明顯的波動趨勢。由于高鐵場景用戶的瞬發(fā)性，用戶駐留專網小區(qū)存在“潮汐現象”。通過分析高鐵專網某小區(qū)小時級話統(tǒng)數據（如圖1），可以看出0點6點期間，依然有用戶駐留至專網小區(qū)，而此類“底噪”用戶皆為公網用戶。

通過對高鐵話務模型分析，高鐵容量由兩部分組成：一部分是公網用戶駐留專網小區(qū)，消耗專網資源；另外一部分是純專網用戶。欲解決專網容量壓力，須從以上兩個維度入手。由于HN地形復雜，且站間距不能滿足D頻段部署要求，載波擴容實施難度大，因此可以通過低速用戶遷出方案將入侵的公網用戶遷出專網，在最大程度上緩解專網話務壓力，基本的思路為通過多普勒頻移反求速度做低速用戶判決，然后通過切換手段將用戶“趕出”高鐵專網。

2 技術原理

2.1 低速用戶遷出基本思路

高鐵線路穿過城市和郊區(qū)時，部分公網用戶會進入公網。為了讓專網資源不被公網用戶占用，需要將進入高鐵專網的公網用戶遷出到公網中去，從而保證高鐵專網容量。低速用戶遷出示意圖如圖2。

需要注意的是，由于部分低速用戶所在位置公網覆蓋較弱或者無覆蓋，可能無法保證所有的低速用戶都會被遷出。

2.2 多普勒頻移反向推演車速的原理

列車高速運動會導致接收端接收信號頻率發(fā)生變化，頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關，車速受客觀條件的限制是時變的，所以Doppler頻率擴展也是時變的。

多普勒頻移計算公式為：

Δf=fd=fc×v×cosθ

其中：

Δf為多普勒頻移，上行多普勒頻移計算時f對應上行發(fā)射頻率，下行多普勒頻移計算時f對應下行發(fā)射頻率，對于LTE TDD系統(tǒng)來說，上下行頻率是一樣的；

θ為終端移動方向和信號傳播方向的角度；

v是終端運動速度，m/s；

c為電磁波傳播速度，3*10^8m/s；

f為載波頻率。

圖3為高鐵場景通信時多普勒頻移示意圖，假設頻偏后接收到的頻率為f0，當移動臺靠近基站時為f0=f+fd，當移動臺遠離基站時為f0=ffd：

圖3 多普勒頻移示意圖

假設上下行頻率都為f0，從圖3可以可知，UE遠離基站時候會產生一個fd的頻偏，即UE的工作頻率為f0fd，因此上行發(fā)射頻率為f0fd。在上行接收端，由于UE遠離基站帶來fd的頻偏，可知此時基站接收到的頻率為（f0fd）fd=f02fd，上下行多普勒頻移情況見表1。

同理，UE接近基站時候會產生一個fd的頻偏，基站接收到頻率為f0+2fd。

假設用戶移動方向和基站信號傳播方向的夾角為0或180度，此時為最大頻偏，不同頻段和不同速度時候的最大頻偏計算結果見表2：

基站側通過解析UE頻偏值（上行方向），根據多普勒公式可以反解出當前頻偏值下對應的車速，但是會存在一定的誤判，誤判的主要是來源于角度對于判決的影響，因此低速遷出在功能設計上不能以某一時刻作為判決門限，而是對某一時間段綜合評判達到一定次數，從而更加準確地識別車速。

2.3 低速用戶遷出方案流程

通過對頻偏的解析，可以完成對用戶移動速度的反解，從而獲得用戶的移動速度，當用戶的移動速度低于一定門限時，則eNodeB認為該用戶為低速用戶。在eNodeB側可以周期性選擇一定量的無QCI1承載（VoLTE語音）的低速用戶，通過定向切換的方式切換到公網中去。當eNodeB執(zhí)行低速用戶遷出時，只選擇低速異頻頻點（即宏網異頻頻點）作為測量頻點，如果沒有配置低速異頻頻點，則停止異頻切換?？傮w的方案流程見圖4：

3 方案部署

對于部署低速用戶遷出場景需要做一定的要求，確保功能開啟后，遷出正常，對于符合條件小區(qū)進行遴選，建議選擇場景情況如下：

（1）城區(qū)或郊區(qū)場景，周邊存在大量公網用戶進入專網小區(qū)；

（2）高鐵車速大于120Km/h以上區(qū)域可以全部開啟，車站與低速運行區(qū)間禁止開啟；

（3）高鐵專網與周邊公網屬于異頻組網場景；

（4）高鐵周邊站點條件要求：

A.低速用戶遷出功能要求公網覆蓋，考慮部分終端的感知，建議公網覆蓋要高于105dbm（若僅考慮遷出效果，可以適當降低門限值）；

B.按照105dbm的鏈路預算，并考慮房屋的穿損9db，周邊公網與專網的垂直距離不宜過大，建議在1.2公里范圍內；

C.公網覆蓋空洞區(qū)域無效果，例如橋梁、隧道、大河，或是公網覆蓋明顯無覆蓋的區(qū)域。

4 應用效果

4.1 功能生效情況

HN選取符合條件的小區(qū)共計94個，部署低速用戶遷出方案，日均低速用戶異頻切換出執(zhí)行成功次數達到68910次，具體數據見表3。

以HN省某地市高鐵LTE專網小區(qū)為例，開啟該小區(qū)低速用戶遷出功能后可以看出該小區(qū)各個時段均有遷出（見圖5），可見該功能已經生效。

4.2 功能實施效果

對比功能開啟前后，高鐵專網全天平均RRC連接用戶數下降5.4%，忙時平均下降8.5%，下降最多的小區(qū)可達325%；全天RRC連接用戶數遷出比例5%20%之間的小區(qū)占比43.95%，可以看出部署低速用戶遷出方案后，可以有效減少公網用戶占用高鐵專網資源。

5 總結

高鐵穿過人口密度較高的城區(qū)或區(qū)縣，會存在嚴重的公網用戶入侵高鐵專網小區(qū)的情況，從而推高高鐵專網小區(qū)負荷，影響高鐵用戶感知。本文詳細介紹了如何通過多普勒頻移的計算，反向推演出用戶移動速度，從而判定用戶是否為低速用戶的方法，并論證了低速用戶遷出方案的可行性，能將入侵公網的用戶快速遷出專網小區(qū)，使其駐留在公網小區(qū)上，從而實現了對專網容量壓力的緩解，提升了客戶感知。

參考文獻：

[1]李言兵，石志同，王治國，劉立洋，李宗璋.高鐵4G專網多層組網下用戶分層駐留方案研究[J].電信技術，2017：79.

[2]蔡澤民，譚 麗.基于車載信息的多普勒頻移估計方法研究[J].計算機工程與應用，2017，53（11）：146150.

[3]3GPP TS 36.331，Evolved Universal Terrestrial Radio Access（EUTRA）；Radio Resource Control （RRC） protocol specification[S].

[4]蘇華鴻.移動通信多普勒頻移與高鐵覆蓋技術[J].郵電設計技術，2009（12）：14.

[5]劉素雅.多普勒效應與超聲測速[J].科技經濟導刊，2017（01）：138139.

[6]華為技術有限公司內部文檔“LTE高鐵網絡覆蓋組網解決方案”.

[7]中國移動通信集團內部資料“高鐵優(yōu)化指導意見”.

作者簡介：吳細剛（1983），男，湖南岳陽人，中國移動技術專家，2007年畢業(yè)于北京郵電大學，主要研究方向為無線網絡優(yōu)化、物聯網、大數據挖掘。