羅康其++鄭國莘

【摘 要】為了解決TD-LTE在高速軌道場景中的覆蓋問題，通過研究TD-LTE在高速軌道場景下的組網方式、鏈路預算以及天線的選型，提出了TD-LTE在高速軌道沿線的站間距設置及在高速軌道不同隧道場景下的覆蓋解決方案，從而應用到不同高速軌道場景下的覆蓋中。

【關鍵詞】高速軌道交通 TD-LTE 組網方式 鏈路預算

1 引言

軌道覆蓋中，除了需要重點關注隧道、橋梁等特殊場景外，對于時速超過200 km的高速鐵路，實現良好的TD-LTE業(yè)務體驗也是一大挑戰(zhàn)。目前，全球運營的高速鐵路最高運營時速約為200～350 km/h，為了吸引客戶，體現技術領先優(yōu)勢，運營商對高速軌道交通也提出了連續(xù)覆蓋需求。文獻[1]分析了高速鐵路場景下宏蜂窩專網覆蓋及性能；文獻[2]探討高鐵覆蓋網絡的站址規(guī)劃和組網方案等；文獻[3]提出了TD-LTE高鐵規(guī)劃對未來高鐵網絡覆蓋具有重要的指導意義；文獻[4]分析了車體穿透損耗、多普勒效應等因素對高鐵覆蓋的具體影響；文獻[5]介紹了TD-LTE與2G和3G網絡鏈路預算的差異；文獻[6]分析了TD-LTE容量問題，初步提出TD-LTE組網建議；文獻[7]提出TD-LTE在高鐵環(huán)境下的主要問題；文獻[8]介紹了TD-SCDMA在上海磁懸浮的解決方案及仿真；文獻[9]探討了TD-LTE的演進和發(fā)展前景；文獻[10]從LTE覆蓋、參數、組網方面進行分析，并提出覆蓋優(yōu)化方案；文獻[11]分析了TD-LTE在高鐵場景下站間距的確定。而在各種復雜的場景下的鏈路預算過程及基站站間距的布局上，仍沒有詳細的文獻報道。

因此，本文將分析高速軌道交通下的TD-LTE組網、天線選型以及鏈路預算等問題，對TD-LTE在高速軌道不同場景下的覆蓋方案進行研究。

2 軌道場景TD-LTE組網方式

根據軌道場景的特點，從規(guī)劃組網的角度考慮減少切換以及多普勒頻偏對網絡性能的影響，同時需要考慮與周邊宏網絡的融合，所以在設計小區(qū)覆蓋時要求呈現帶狀，小區(qū)與小區(qū)之間呈鏈形結構。根據此特點，通常要求站點距離鐵路近一些，采用窄波瓣高增益的天線覆蓋。

考慮到列車穿越的地區(qū)較多，地形多變，站址選擇困難，多采用BBU+RRU光纖拉遠型的分布式基站進行覆蓋。每個RRU與一個雙極化的定向高增益天線相連，分別覆蓋兩側的鐵路。每個RRU可稱為一個子站，為節(jié)省站址資源，子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。

高鐵速度較快，頻繁的切換會帶來通信的效率降低，因此宜采用以下兩種方法減少切換次數。

（1）SFN（Single Frequency Network，單頻網）組網

SFN是將多個RRU合并為一個邏輯小區(qū)，相比普通情況下每個RRU各自為一個小區(qū)的組網方式，SFN小區(qū)內各RRU控制信道沒有干擾，反而可以通過聯合收發(fā)獲得增益。SFN組網要求每個RRU都分別和BBU連接。

（2）RRU級聯組網

RRU級聯組網是將多個RRU級聯成一個邏輯小區(qū)，RRU之間通過光纖級聯，只有靠近BBU的一個RRU和BBU連接。

SFN和多RRU共小區(qū)組網技術極大地拓寬了單小區(qū)的覆蓋范圍，不同子站之間不再需要切換，以1個BBU配置6個子站共小區(qū)為例，通過共小區(qū)組網形成連續(xù)覆蓋區(qū)域，移動臺在穿越該覆蓋區(qū)域時只發(fā)生入小區(qū)切換和出小區(qū)2次切換，而之前每個子站獨立小區(qū)，覆蓋時整個區(qū)域內將發(fā)生7次切換。可見，SFN和多RRU共小區(qū)組網有效減少了切換，在6個子站共小區(qū)組網時，覆蓋區(qū)域的切換次數減少71.43%，同時由于切換區(qū)域都需要規(guī)劃相應的重疊區(qū)域保證切換，而SFN或者RRU級聯組網的同一個小區(qū)的RRU之間不需要預留重疊區(qū)作為切換帶，因此采用6個子站共小區(qū)時，切換重疊區(qū)域也減少了71.43%，有效提升了覆蓋效率，從而保證了整個覆蓋的切換成功率和服務質量。

多RRU共小區(qū)組網與傳統(tǒng)組網對比如圖1所示：

值得注意的是，雖然以上兩種方法減少了切換，但是容量也會下降，因此應預測一個小區(qū)內的列車數量，在保證容量的基礎上，采取小區(qū)合并。切換不僅涉及到與周邊大網宏基站的鄰區(qū)關系，還會涉及到與周邊大網間的干擾問題，因此應充分利用鐵路線型覆蓋的特點，形成鏈型鄰區(qū)，優(yōu)先切向鏈型鄰區(qū)，保證向運動方向前方切換。對高鐵進行鏈式小區(qū)結合多RRU共小區(qū)覆蓋，才能從根本上解決高速鐵路覆蓋問題。

3 軌道沿線覆蓋方案

3.1 天線選型

為了增加單基站的覆蓋距離，減少切換次數，一般采用高增益窄波瓣天線對高鐵進行覆蓋，這樣不但可以彌補多普勒頻移對性能的影響，又可以增大覆蓋距離。如果需要兼顧覆蓋周圍區(qū)域，則選擇普通定向天線；如果覆蓋線路的弧度較大，則選擇寬波束天線；如果弧度較小則選擇窄波束天線。

常用窄波瓣天線天線性能指標如表1所示：

3.2 站間距的確定

（1）傳播模型

高鐵環(huán)境基站與列車之間基本沒有阻擋，因此傳播模型可以參照cost231-hata模型，公式如下：

Lb=46.3+33.9lgf-13.82lg（hb）-α（hm）+（44.9-

6.55lg（hm））×（lgd）γ+Cm （1）

其中，Lb為路徑損耗，單位為dB；f為頻率，單位為MHz；hb為天線的有效高度，單位為m；α（hm）為移動臺天線高度修正因子，單位為dB；d為基站和移動臺之間的距離，單位為km；γ為遠距離傳播修正因子；Cm為環(huán)境校正因子，單位為dB。

（2）鏈路預算

高鐵通常位于城市的郊區(qū)地帶，環(huán)境比較開闊，基站與列車基本呈直視徑傳輸，綜合考慮地形地物等相關環(huán)境的影響，本文場景模型選用農村模型。各項因子取值如表2所示。endprint

當RRU輸出總功率為20 W時，對于單載波20 M帶寬而言，其發(fā)射功率為12.2 dBm。根據以上分析，可得鏈路預算如表3所示。

根據表3鏈路預算表，高鐵TD-LTE基站覆蓋半徑約566 m，在此基礎上考慮列車時速為300 km/h，小區(qū)之間基站重疊覆蓋區(qū)域約為300 m，則可得小區(qū)之間站間距為832 m（小區(qū)之間站間距=覆蓋半徑×2-重疊覆蓋距離）。

4 隧道場景覆蓋方案

4.1 隧道場景鏈路預算

（1）泄露電纜指標

一般泄漏電纜中僅采用某一移動通信制式時，采用收發(fā)共纜，若多系統(tǒng)合路則需要考慮系統(tǒng)間干擾共存，現有多系統(tǒng)合路器無法滿足設計需求，則需要使用收發(fā)分纜建設。收發(fā)分纜和收發(fā)共纜的鏈路預算方法一致。

隧道的無線通信環(huán)境封閉，除了隧道口有信號滲入外，外面的信號很難傳入，外部環(huán)境對內部覆蓋影響小。

常用泄露電纜廠家指標如表4所示。

（2）鏈路預算

本文以RFS公司生產的泄漏電纜（RLKU158-50J）為例進行1800 MHz頻段覆蓋估算。

下行隧道邊緣場強分別以-100 dBm和-110 dBm為目標進行鏈路估算，方法如下：

最大允許路損：PLmax=PRRU–（LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4+L5） （2）

各參數說明如下：PLmax：最大允許路徑損耗；PRRU：RRU子載波的輸出功率為12.2 dBm；LPOI（Point of Interface）：POI系統(tǒng)的插損，一般POI插損為5 dB；Pdes：接收端的覆蓋電平要求，此處為-100 dBm或-110 dBm；L1：泄露電纜95%、2 m處的耦合損耗；L2：人體損耗，LTE主要為數據業(yè)務，暫不考慮人體損耗，默認取0 dB；L3：寬度因子，取4 m；L4：車體損耗，同鏈狀覆蓋場景，1.8G頻段為24 dB；L5：饋線和接頭損耗。

根據泄露電纜損耗指標S（每百米損耗值），即可計算出滿足覆蓋目標下的RRU最遠覆蓋半徑D=PLmax/S，具體如表5所示。

根據以上鏈路預算，可估算出隧道內相鄰站點的最大間距（重疊覆蓋區(qū)域以列車300 km/h的速度為例，重疊區(qū)域設置為300 m）：

RRU間距=2×RRU覆蓋半徑-重疊覆蓋長度 （3）

小區(qū)之間RRU間距表如表6所示：

根據以上結果，在中長隧道以及長隧道區(qū)間使用泄露電纜覆蓋，并且集約化建設使用POI的情況下，為確保覆蓋，RRU的間距需要設置在386 m以內。

4.2 短隧道覆蓋方案

短隧道一般小于200 m，可以直接使用一個小區(qū)加窄波束天線進行隧道內的覆蓋，信號源可以采用從隧道外RRU耦合一部分信號或者直接使用一個RRU的信號。

如果存在隧道彎曲等情況，而且對隧道信號質量要求比較高，則可以使用泄漏電纜對隧道進行覆蓋。

建議隧道出口的基站和隧道內組成一個共小區(qū)，使小區(qū)間切換在隧道外及早完成，避免高鐵列車快速進入隧道可能導致的掉話或切換失敗。若隧道長度無法滿足兩個隧道口外基站和隧道內成為一個小區(qū)，盡量選擇一側隧道外基站進行共小區(qū)組合，示意圖如圖2所示：

4.3 中長隧道覆蓋方案

中長隧道一般為200～500 m，可以直接使用一個小區(qū)加泄露電纜或者多個窄波束天線進行隧道內的覆蓋，一般使用泄露電纜效果比較好。信號源可以采用從隧道外RRU耦合一部分信號或者直接獨立使用一個RRU的信號，示意圖如圖3所示。

4.4 長隧道覆蓋方案

長隧道一般大于500 m，則需要考慮單獨使用一個RRU或多個RRU來進行覆蓋，在隧道內使用泄露電纜，示意圖如圖4所示：

如果有條件，可以將圖4中隧道出入口外兩側的基站同隧道出入口的RRU合并成一個小區(qū)，可以降低高鐵列車進出隧道的掉話風險。

4.5 連續(xù)隧道覆蓋方案

連續(xù)短隧道組成的隧道群，若隧道間距較小，建議采用泄漏電纜覆蓋隧道間空隙段，若連續(xù)隧道間距較大，則采用隧道口安裝天線進行覆蓋。

5 結論

通過對高速軌道交通特點的分析，傳統(tǒng)的覆蓋方式不能很好地解決TD-LTE在高速軌道各種場景下的覆蓋問題。本文針對TD-LTE在高速軌道場景特點的分析，提出了與其相適應的組網方式、特有的天線選型以及基站間距的設置，從而應用到不同高速軌道場景下的覆蓋解決方案中。

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