運營商之間高鐵場景深度合作淺析

向淵，王科偉

（北京中網(wǎng)華通設計咨詢有限公司, 北京 100070）

運營商之間高鐵場景深度合作淺析

向淵，王科偉

（北京中網(wǎng)華通設計咨詢有限公司, 北京 100070）

高鐵行駛速度遠高于普通鐵路，傳統(tǒng)建設方式不能完全滿足高鐵覆蓋要求。根據(jù)蘭渝高鐵廣安支線的實際案例，對高鐵場景提升用戶感知、低成本覆蓋以及運營商之間深度合作方式進行分析研究，總結積累經(jīng)驗，探索更優(yōu)的設計方案。

高鐵；深度合作；小區(qū)合并

2014年12月底，中國200 km/h以上的高鐵已超14 000 km，2020年將超30 000 km。高鐵作為高等級交通干線，高端用戶眾多，用戶感知的優(yōu)劣將極大影響運營商品牌，因此高速鐵路必將成為運營商競爭新戰(zhàn)場。

與此同時，由于高鐵速度快、車輛相對較少，單站業(yè)務量并不大。并且高鐵基站站距較近，隧道泄露電纜價格昂貴，投資一般都比較大，因此如何平衡用戶感知與投資效益，低成本快速的實現(xiàn)高鐵覆蓋是運營商面臨的一個難題。2016年年初，某兩大運營商之間簽署戰(zhàn)略合作協(xié)議，將深入推進網(wǎng)絡共建共享，加快網(wǎng)絡覆蓋，提升網(wǎng)絡的服務能力。本文根據(jù)蘭渝高鐵實際案例，對高鐵場景覆蓋難題、深度合作進行分析研究，總結積累經(jīng)驗，探索更優(yōu)化的設計方案。

蘭渝高鐵為時速160～250 km的一條快速鐵路，蘭渝高鐵廣安支線又稱蘭渝鐵路南高支線，該線路于2014年8月8日建成通車，是蘭渝高鐵的重要組成部分。

1 高鐵無線覆蓋需要解決兩大問題

1.1 多普勒頻移

多普勒效應：列車高速運動將會導致接收端接收信號頻率發(fā)生變化，頻率的變化將降低接收機的解調性能，多普勒頻移計算方法：

其中V為車速，C為光速，f為工作頻率；由于cosθ的存在，列車在小區(qū)邊緣時頻偏最大，因此應合理控制站點與鐵路間距，避免天線覆蓋方向和鐵路平行。

1.2 頻繁小區(qū)切換

高鐵列車穿透損耗大，為滿足覆蓋目標，單RRU覆蓋范圍不會太大。若在無多RRU小區(qū)合并的情況下，假設列車以200 km/h速度運行，則列車每15 s左右將進行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡的性能。

2 深度合作方案

2.1 深度合作目的

某兩大運營商開展深度合作的主要目的：以實際行動深入貫徹落實“十三五”規(guī)劃提出的“創(chuàng)新、協(xié)調、綠色、開放、共享”的發(fā)展新理念，開放、共享包括網(wǎng)絡、業(yè)務和服務在內的各類資源，以及探索業(yè)務、資本等各層面的合作。

2.2 深度合作必要性

運營商之間深度合作可以有效支撐業(yè)務發(fā)展。加快網(wǎng)絡覆蓋，節(jié)約設備投資?？梢蕴嵘W(wǎng)絡的服務能力，在重大災害、突發(fā)事件及重要保障情況下互相協(xié)助業(yè)務恢復，提高雙方應急通信保障能力；通過增強網(wǎng)絡互聯(lián)互通，提升雙方用戶服務感知。

2.3 深度合作方案

2.3.1 總體架構

兩運營商之間4G深度合作采用MOCN（Multi-Operator Core Network)方式，即兩運營商僅共享RAN，核心網(wǎng)獨立，如圖1所示。

圖1 深度合作總體架構圖

基站共享：單個基站同時虛擬為A運營商和B運營商基站，同時為雙方用戶服務。

業(yè)務層面：不需要改造，各自發(fā)展。

承載網(wǎng)：雙方承載網(wǎng)以VPN方式互連，通過承載B與B運營商IPAN省網(wǎng)、UTN/IPRAN兩種方式實現(xiàn)承載網(wǎng)絡互通。

無線網(wǎng)：所有廠家的4G基站均可升級或直接打開功能支持共享，共享的最小顆粒度為單個基站（包括BBU、RRU、天線等），共享基站需要同時接兩家運營商的核心網(wǎng)。

用戶及終端：用戶無感知，不降低業(yè)務和體驗，也不需要做業(yè)務開通關閉，終端基本無要求；語音策略維持原有，無需變更。

2.3.2 基站共享方案

雙方基站深度合作可以分成獨立載波方式和共享載波兩種方式。

獨立載波方式如圖2所示，是指A、B運營商各自擁有獨立的頻譜資源，只共享eNode B的硬件資源，物理上是一個基站，但內部邏輯上是兩個獨立的基站。

圖2 獨立載波方式

共享載波方式如圖3所示，是指A運營商、B運營商之間共享基站資源，包括頻譜資源和eNode B硬件資源，即物理和邏輯上都實現(xiàn)共享。

兩種共享方式特性比較如表1所示。

圖3 共享載波方式

廣安運營商之間本次深度合作采用獨立載波方式。A運營商和B運營商各配置一個獨立的載波，要求設備工作頻段至少支持1840～1880 MHz，IBW至少40 MHz。每個獨立載波只廣播各自運營商的PLMN。每個運營商可以配置獨立的小區(qū)級特性參數(shù)。A運營商和B運營商終端在各自獨立的載波作業(yè)務，不需要考慮復雜空口資源分配和控制算法。A運營商和B運營商各自使用自己的頻點，保持與周邊非共享站以同頻組網(wǎng)為主。

3 站點設置方案

3.1 站距規(guī)劃

根據(jù)規(guī)劃指標要求，LTE邊緣接收電平：-110 dBm，上行邊緣：512 kbit/s，下行邊緣：2 Mbit/s。

滿足此要求的不同站高的站距規(guī)劃如下：

郊區(qū)：站高20 m，發(fā)射功率40 W時，RRU背靠背組網(wǎng)小區(qū)半徑可以達到750 m，站間距可以達到1.3 km。

郊區(qū)：站高30 m，發(fā)射功率40 W，RRU背靠背組網(wǎng)時，小區(qū)半徑可以達到850 m，站間距可以達到1.5 km。

3.2 站點高度

天線相對鐵軌高度在10～20 m為宜，如果站軌距離遠，可適當提高，以保障高鐵覆蓋效果。

3.3 站軌距離

信號與列車入射角小于10°時，穿透損耗明顯增大。城市站軌距建議小于100 m，農村建議小于200 m，以確保高鐵小區(qū)對軌道形成有效主覆蓋。

3.4 天線選擇

根據(jù)場景選擇天線類型，以保障對高鐵的有效覆蓋。不同增益天線應用情況如下。

21 dBi窄波束天線：站間距較大，站軌距小于200 m區(qū)域。

18 dBi寬波束天線：站間距正常，站軌距大于200 m區(qū)域。

3.5 站點規(guī)劃結果

本次站點建設采用小區(qū)合并技術。以便解決列車高速移動過程中小區(qū)頻繁切換導致的掉話等問題，如圖4所示，廣安化龍渡口村、廣安化龍鄉(xiāng)規(guī)劃及廣安化龍倪家村共用一臺BBU，3個基站共6個RRU合并為一個小區(qū)。全程切換比例大幅降低為傳統(tǒng)LTE方案的1/12，降低掉話風險，保障了用戶感知，利于提升呼叫成功率、平均下載速率以及切換區(qū)速率。

表1 獨立載波共享載波方案對比表

圖4 BBU集中舉例

4 共享站點參數(shù)規(guī)劃

4.1 eNode B ID規(guī)劃

ECGI（E-UTRAN Cell Global Identifer）為 E-UTRAN小區(qū)全局標識符，ECGI由PLMN，eNode B ID， Cell ID三部分組成，用于在全球范圍內唯一標識一個小區(qū)。

eNode B ID：標識LTE網(wǎng)絡中的基站，共20 bit，組成5位16進制數(shù)（X1X2X3X4X5），X1X2由集團統(tǒng)一規(guī)劃分配，其余3位16進制編號（X3X4X5）由各省自行分配，兩運營商均采用此規(guī)則。

Cell ID：基站的小區(qū)標識，共8 bit，由兩位16進制數(shù)（X6X7），A運營商方面由省分公司自行分配，B運營商要求：其中X6用于區(qū)分頻段和eNode B ID跨省復用的基站、X7用于頻段下的載扇標識。如圖5所示。

4.1.1 存在的問題

由于基站設備只能使用一個eNode B ID，共享基站按照A運營商或B運營商分配號段進行編號，可能導致一方與現(xiàn)網(wǎng)發(fā)生沖突，從而引起漫游計費問題（B運營商），屬于獨立載波、共享載波共有問題。

圖5 ECGI組成

4.1.2 解決方案

根據(jù)相關規(guī)則，B運營商已經(jīng)采用非相鄰省間eNode B ID跨省復用的模式倍增編號資源以應對今后LTE基站擴容的需求。為區(qū)分eNode B ID跨省復用的基站，eNode B ID“主用省”基站的Cell ID最高位bit為0，eNode B ID“復用省”基站的Cell ID最高位bit為1。實際復用號段使用率非常低。

根據(jù)A運營商的調研反饋情況來看，安徽、北京、吉林、江西、上海共5個省占用了Cell ID最高位。集團運維部將采用非相鄰省間eNode B ID跨省復用的模式倍增編號資源方式，復用通過Cell ID最高位bit進行區(qū)分，即對采用相同eNode B ID的基站，“主用號段”基站Cell ID最高位bit編為0； “復用號段”（綠色部分）的Cell ID最高位bit編為1。將“復用號段”中部分資源用于共享基站。

具有可擴展性，滿足未來LTE規(guī)模擴大的需求；但是可能出現(xiàn)相鄰省間eNode B ID不復用。eNode B ID在S1/X2接口用于連接建立、用戶切換等信令過程，需要詳細分析規(guī)劃避免出現(xiàn)此問題。

4.2 TAC規(guī)劃

TA（Tracking Area）：即UE不需要進行位置更新的自由移動區(qū)域，是LTE系統(tǒng)為UE終端的位置管理設立的區(qū)域劃分概念。跟蹤區(qū)主要實現(xiàn)對UE終端位置的管理（尋呼管理和位置更新管理），UE通過跟蹤區(qū)注冊告知EPC自己的跟蹤區(qū)號。

TAI（Tracking Area Identity）：即LTE的跟蹤區(qū)標識，由PLMN和TAC兩部分組成。

PLMN（Public Land Mobile Network）：公共陸地移動通信網(wǎng)，標識運營商網(wǎng)絡號。

TAC(Tracking Area Code)：共 16 bit，組成4位16進制數(shù)（X1X2X3X4），X1X2由集團統(tǒng)一分配，X3X4由省份自行分配，兩運營商均采用此規(guī)則，但分配省份號段不一致。如圖6所示。

圖6 TAC組成

4.2.1 存在的問題

TAI在LTE小區(qū)和EPC上均有配置。單個EPC上可配置多個TAI；多個小區(qū)可配置相同的TAI，但一個小區(qū)只能配置一個TAI。

獨立載波方案，A運營商和B運營商各自一個頻點，小區(qū)獨立，TAC也可以由各自獨立規(guī)劃。

共享載波方案，A運營商和B運營商共享頻點，小區(qū)共享，TAC也必須共享，需要按照A運營商或B運營商規(guī)則進行編號，可能導致一方與現(xiàn)網(wǎng)發(fā)生沖突，從而引起漫游計費等問題，屬于共享載波專有問題。

4.2.2 解決方案

目前A運營商TAC編號按照每省1個號段進行分配，共使用31個號段。根據(jù)A運營商各省調研反饋情況，目前不存在使用非總部授權范圍的TAC號段情況，因此TAC編號預留資源相對豐富B運營商為便于管理，TAC的前兩位16進制編號（X1X2）與eNode B ID（X1X2）編號的分配表相同，已經(jīng)全部分配。但根據(jù)B運營商反饋的《eNID及TAC號段使用情況調查表》，TAC號段實際占用率較低，各省均有大量預留。綜合考慮兩家TAC實際分配及使用情況、B運營商需求（TAC與eNode B ID編號相同），建議從B運營商已分配號段中選出未使用的且與A運營商未分配的，統(tǒng)一分配號段用于共享區(qū)域的TAC編號。目前雙方運維已協(xié)商達成一致，為各個省份分配專有號段（ 1～2個）用于共享基站。

5 結束語

本次雙方深度合作建設的高鐵室外基站達24個，有效縮短高鐵動車4G建設工期，根據(jù)集團公司“無線網(wǎng)絡深度合作節(jié)省估算標準”，預計可節(jié)省工程投資達156萬元，并節(jié)省了后期基站維護、水電費等費用，減少了運維成本支出。

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AbstractThe traditional base station construction can not fully meet the requirements of high-speed rail coverage,because the speed of high-speed rail is higher than the ordinary railways. According to the actual case of Guangan branch of Lanzhou-Chongqin high-speed railway, mainly analysis and research how to inhance user’s perception, how to do the coverage with low cost and the way of cooperation between the operators, summarize experience and explore a better way of communication design.

Keywordshigh-speed rail; deep cooperation; cell combination

A brief analysis of high-speed rail scene cooperation between the operators

XIANG Yuan, WANG Ke-wei
(China Comm Design & Consulting Co., Ltd., Beijing 100070, China)

TN929.5

A

1008-5599（2017）10-0063-05

2017-06-16