卜 翠

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800MLTE高鐵覆蓋解決方案研究

卜 翠

貴州省郵電規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，貴州 貴陽 550003

高鐵覆蓋的困難主要體現(xiàn)在多普勒頻移大、小區(qū)重選和切換頻繁以及穿透損耗大3個(gè)方面。分別從LTE高鐵覆蓋的組網(wǎng)方式、基站部署、天饋系統(tǒng)建設(shè)方面對(duì)LTE高鐵覆蓋解決方案進(jìn)行了研究，通過降低基站站間距和限制掠射角的方式解決穿透損耗大的問題，通過小區(qū)合并解決小區(qū)重選和切換頻繁的問題。

800M；LTE；組網(wǎng)方案；鏈路預(yù)算；天饋系統(tǒng)

1 概述

高速鐵路是當(dāng)今時(shí)代高新技術(shù)的集成和鐵路現(xiàn)代化的重要標(biāo)志，反映了一個(gè)國(guó)家的綜合國(guó)力。未來幾年內(nèi)高速鐵路將成為我國(guó)地面客運(yùn)的主要力量。高鐵新型車廂采用全封閉式車體結(jié)構(gòu)，損耗較普通列車大很多；高鐵高速運(yùn)動(dòng)引起的大頻偏對(duì)于接收機(jī)解調(diào)性能的提升是個(gè)大挑戰(zhàn)；由于單站覆蓋范圍有限，列車高速移動(dòng)時(shí)將在短時(shí)間內(nèi)穿過多個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)切換。

頻繁的小區(qū)重選和切換會(huì)導(dǎo)致成功率下降，甚至因切換不及時(shí)而導(dǎo)致掉話，頻繁的小區(qū)重選也將影響PS業(yè)務(wù)速率等指標(biāo)；高速列車在給用戶帶來更好的出行體驗(yàn)時(shí)也為移動(dòng)通信系統(tǒng)的覆蓋帶來了一定的困難。如何做好LTE高鐵覆蓋是亟待解決的問題。本文從LTE高鐵覆蓋頻率選擇，組網(wǎng)方案分析入手，給出高鐵覆蓋組網(wǎng)方案建議，基站部署方案建議，以及天饋線系統(tǒng)建設(shè)方案[1]。

2 組網(wǎng)方案

目前LTE FDD分配頻段為1.8G，但對(duì)于中國(guó)電信來講，2G/3G網(wǎng)絡(luò)基于800M 頻段，若采用1.8G實(shí)現(xiàn)全覆蓋，必將涉及新建大量的站點(diǎn)，尤其是目前站間距較大的農(nóng)村區(qū)域，增站比例將更高。但是，如果利用CDMA800M頻段建設(shè)LTE800M進(jìn)行覆蓋的話，可以節(jié)約大量的建站成本，在郊區(qū)農(nóng)村區(qū)域的效益尤為明顯[2]。 CDMA使用頻段為825～835 MHz/870～880 MHz，上下行各10M頻段7個(gè)頻點(diǎn)，2G和3G占用不同的頻點(diǎn)。目前城區(qū)已經(jīng)占到了6～7個(gè)頻點(diǎn)，而郊區(qū)/農(nóng)村則主要為2～4個(gè)頻點(diǎn)?？紤]到4G的帶寬設(shè)置及速率情況，4G單載波帶寬達(dá)到5M及以上能夠給予用戶較好的體驗(yàn)。目前農(nóng)村區(qū)域多為2載波站，可在該類區(qū)域采用夾心方案移出4個(gè)載波5M帶寬來承載LTE業(yè)務(wù)實(shí)現(xiàn)廣覆蓋。

為避免列車高速行駛中頻繁地跨越小區(qū)，高鐵場(chǎng)景全線采用小區(qū)合并技術(shù)BBU+RRU分布式基站方式組網(wǎng)。

小區(qū)合并技術(shù)使多個(gè)RRU共小區(qū)，從而增加單小區(qū)覆蓋范圍，降低高鐵切換次數(shù)，提高切換成功率。在城區(qū)，對(duì)于距離鐵軌距離較近的站點(diǎn)，朝向高鐵線路覆蓋的兩個(gè)扇區(qū)做小區(qū)合并；在郊區(qū)及農(nóng)村場(chǎng)景，對(duì)于高鐵覆蓋站點(diǎn)可以做同BBU下的跨物理站址的小區(qū)合并，從而降低小區(qū)間重選和切換次數(shù)。

3 基站部署方案

3.1 站間距

鏈路預(yù)算是無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋規(guī)劃的前提，高速鐵路LTE無線網(wǎng)絡(luò)鏈路預(yù)算的目的是為確定基站覆蓋能力即小區(qū)覆蓋半徑提供參考。結(jié)合高速鐵路經(jīng)過的不同場(chǎng)景，通過采用適當(dāng)?shù)母采w預(yù)測(cè)模型，計(jì)算滿足一定數(shù)據(jù)速率下鏈路允許的最大損耗值就可以得到小區(qū)覆蓋半徑。無線鏈路預(yù)算分為上行鏈路預(yù)算和下行鏈路預(yù)算，由于上下行鏈路通信實(shí)現(xiàn)原理不同，上下行鏈路預(yù)算也不一樣，一般由于基站的發(fā)射功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于手機(jī)的發(fā)射功率，下行覆蓋的距離不是問題，基站的覆蓋距離主要受限于上行覆蓋的限制。

鏈路預(yù)算主要的參數(shù)介紹如下：

小區(qū)邊緣速率設(shè)定：邊緣用戶下、上行速率滿足4 MB256kb/s。

車體損耗：CHR為全封閉結(jié)構(gòu)，部分采用金屬鍍膜玻璃，車體損耗大，各種車型損耗不一致。另外，還存在掠射角損耗，隨著掠射角的逐漸減小，在10 度以內(nèi)，車體穿透損耗值迅速增大。綜合以上因素，車體穿透損耗取30 dB。

陰影衰落余量：覆蓋率95%情況下，靠近密集市區(qū)、一般市區(qū)、郊區(qū)陰影衰落余量取8 dB，農(nóng)村陰影余量取6 dB。

干擾余量：3 dB。

高鐵采用的頻率在COST231-Hata傳播模型的150～2 000 MHz范圍內(nèi)。高速鐵路FDD-LTE網(wǎng)絡(luò)無線傳播模選取COST231-Hata傳播模型。

LTE系統(tǒng)切換時(shí)間由三部分構(gòu)成，測(cè)量時(shí)間d1、遲滯時(shí)間d2和執(zhí)行時(shí)間d3，其中d1=200 ms，d2一般配置為40 ms，d3根據(jù)測(cè)試經(jīng)驗(yàn)不超過250 ms，因此切換時(shí)間為500 ms左右，同時(shí)預(yù)留一次切換失敗重建時(shí)延和冗余時(shí)延，切換時(shí)間考慮1 s的時(shí)間，雙向切換考慮2 s的時(shí)間。根據(jù)列車的運(yùn)行速度，結(jié)合LTE切換所需的時(shí)間，可以計(jì)算出滿足切換所需要的重疊覆蓋距離。

根據(jù)鏈路預(yù)算和重疊覆蓋距離估算，在滿足上行256 K的情況下，350 km時(shí)速下的LTE基站站間距在郊區(qū)場(chǎng)景下為1.6 km，農(nóng)村場(chǎng)景下為3.5 km。

3.2 基站到鐵軌的垂直距離

基站到鐵軌的垂直距離主要和掠射角有關(guān)，掠射角越小，穿透損耗越大，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，一般掠射角不宜小于10°，但也不能過大，過大將影響覆蓋距離，一般取25°。在郊區(qū)1.6～1.8 k站間距的情況下，基站到鐵軌的垂直距離一般取200～500 m。

4 天饋系統(tǒng)建設(shè)方案

4.1 天線選型原則

當(dāng)站點(diǎn)與鐵軌沿線垂直距離較近時(shí)，可選用窄波束高增益天線，如33°21 dBi天線，可以保證小區(qū)徑向覆蓋能力，避免覆蓋周邊區(qū)域，提升覆蓋能力，減少站點(diǎn)數(shù)量；當(dāng)站點(diǎn)與鐵路沿線的垂直距離較大時(shí)可選用65°18 dBi天線，有效擴(kuò)寬高鐵軌道沿線的覆蓋，可兼顧鐵路和周邊區(qū)域的覆蓋。

4.2 天線掛高設(shè)置原則

天線掛高設(shè)置應(yīng)考慮鐵軌高度，天線掛高需高出軌面15 m以上，應(yīng)保證天線與軌面視通。

4.3 天線方位角設(shè)置原則

天線方位角的設(shè)置應(yīng)該使小區(qū)主波瓣更好地沿鐵路方向覆蓋，有效地提高覆蓋距離。方向角的調(diào)整與基站與鐵路的垂直距離相關(guān)，一般原則是距離越近則方向可越貼近鐵路線方向，距離越遠(yuǎn)，則天線方向越朝垂直鐵路方向。由于天線主瓣方向和高鐵列車車廂體形成的夾角小于10°時(shí)，車廂體的穿透損耗迅速增加，設(shè)置天線方位角的時(shí)候應(yīng)避免掠射角小于10°。

5 總結(jié)

本文對(duì)高鐵800M LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋的站間距、基站到鐵軌的垂直距離進(jìn)行詳細(xì)的分析，得出理論上的合理站間距，然而為了更好地滿足用戶的實(shí)際體驗(yàn)，部分路段站間距將進(jìn)一步縮小，在靠近密集城區(qū)部分，由于用戶量以及無線環(huán)境的變化，中心城區(qū)的站間距在0.7 km左右。在高鐵覆蓋特性的基礎(chǔ)上，可通過利用大功率2T4R RRU設(shè)備解決城郊大站間距問題。通過配置多普勒頻移補(bǔ)償以及高速小區(qū)特性等多種手段，全方面優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋效果，提升網(wǎng)絡(luò)性能以及用戶體驗(yàn)感知。

[1]蔣曉虞，劉遠(yuǎn)高.基于800M頻段建設(shè)4G網(wǎng)絡(luò)的策略[J].電信快報(bào)，2014（9）：15-18.

[2]彭鵬，高速鐵路CDMA無線覆蓋研究[D].北京：北京郵電大學(xué)，2012.

The Solution 800MLTE High-speed Rail Cover

Bu Cui

Guizhou Provincial Posts and Telecommunications Planning and Design Institute Limited, Guizhou Guiyang 550003

The difficulty of covering the high-speed rail is mainly reflected in the large Doppler shift, frequent switching and cell reselection and the penetration loss of large three aspects. In this paper, respectively, from high-speed rail covered networking LTE base station deployment, building antenna system for high-speed LTE coverage solution was studied by reducing the distance between base stations and limit grazing angle of penetration loss solution to a big problem, by the combined cell reselection and handover to resolve the frequent problems.

800M; LTE; networking schemes; link budget; antenna system

TN929.5

A

1009-6434（2016）08-0142-02