高速铁路TD-LTE网络覆盖关键问题探讨

（中国移动通信集团设计院有限公司安徽分公司，合肥 230041）

1 概述

近年来，数据业务呈爆炸式增长，用户对带宽的需求也飞速发展。深入分析现有移动数据业务的热点区域，可以发现数据业务热点区域基本具备了两个主要特点，一是区域人流量较大；二是区域人流有驻留（至少间歇性驻留），比如机场、车站等。在TD-LTE商用试验网的建设过程中，杭州公司的“一条公交线”建设投入运营后，该线路的数据业务也迅猛增长。列车，特别是高速铁路，面向的主要客户以及其具备的用户业务特征，都展现出了列车乘客对数据业务的需求是巨大的，做好铁路沿线特别是高铁沿线的TD-LTE网络覆盖、提供乘客高质量的数据业务是当前不可忽视的课题。

同时，高速铁路特殊的移动通信场景，增大了网络覆盖的难度。主要特征有以下几点：（1）运行速度快：高速的运动，多普勒频移，导致接收机的解调性能的下降；终端穿越切换区的时间变得较短，切换难度加大；（2）车体穿透损耗大，无线覆盖能力降低；（3）线状覆盖区域； (4)高铁沿线场景复杂多样，高速铁路组网技术应该满足多种场景的要求。

2 关键问题分析

2.1 覆盖分析

2.1.1 链路预算

首先对TD-LTE（F频段）的下行覆盖无线链路预算分析如下，链路预算基于以下几个前提：

（1） 高铁沿线通常位于城市郊区地带，环境开阔；基站与列车呈直视径传输，综合考虑地形地物等的影响，场景模型选用农村模型；

（2） F频段车体穿透损耗设置为24 dB；

（3） 天线配置：基站侧采用2T2R，UE侧采用1T2R；基站侧天线增益18 dBi，UE侧0 dBi;

（4） 功率配置：基站侧RRU发射功率43 dBm（考虑双模场景，预留20 W功率给TD-SCDMA），终端侧功率23 dBm。

表1列出了下行覆盖目标（-110 dBm）覆盖估算值。

表1 下行覆盖目标（-110 dBm）覆盖估算

2.1.2 站间距选择

目前高铁覆盖GSM和TD-SCDMA均逐渐用专网进行专项覆盖，为确保高质量的覆盖，TD-LTE下行电平强度在-100 dBm左右为佳，将某省现网高铁专网的平均站高统计如表2所示。

表2 现网高铁专网平均站高统计表

由表2可以看出，站高主要集中在15～30 m，基于此，在高速铁路沿线的站间距计算如下：

综合考虑以上几个因素，在高铁TD-LTE站间距选择如下：

在F频段、平均站高20 m左右的情况下，非边界小区站间距在1 km左右为宜，边界小区站点考虑重叠覆盖区，站间距在600 m左右为宜。

以某省现网GSM高铁专网规划站间距为例统计，如表3所示。

表3 现GSM高铁专网站间距统计表

现网高铁专网的站间距主要集中在500～1000 m之间，绝大部份站点满足TD-LTE网络站间距建设需求，大部分可以共址建设。

2.2 多普勒频移

终端高速运动时，从基站发向终端的信号和终端发向基站的信号均会产生多普勒频偏， 如图1所示。

图1 频偏示意图

在靠近基站的时候，波长变短，频率增大，远离基站的时候，波长变长，频率减少，频偏大小和载波大小、运动速度成正比，而频偏会导致信号畸变，影响接收质量，当频偏到达一定程度时，甚至会出现信号完全不可接收。

基于频偏带来的影响，目前主流的解决办法是通过一定的算法，快速测算由于高速所带来的频率偏移，并进行频偏补偿，改善无线链路的稳定性，对解调性能的改善有着明显的提升，该算法对TD-SCDMA和TDLTE都同样适用。

2.3 切换问题

解决高速铁路切换问题主要从两个方面入手：（1）减少切换次数，小区合并技术；（2）设置高质量的切换带。

2.3.1 小区合并技术

小区合并技术指将多个单通道RRU接于同一个BBU，并设置为同一逻辑小区。BBU利用上行信道估计的结果对各天线发送的用户上行信号分别进行联合检测，然后将不同天线的同一用户的上行数据进行合并。BBU根据各天线上的用户上行信号接收质量，选择下行发送的RRU。采用单通道小区合并技术后，对于上行链路采用数据合并，提高了接收增益；对于下行链路，在所选择的天线上发送用户下行数据，更有针对性，有效提高了用户接收的下行数据的质量，并降低了其余天线的负荷。对高速铁路覆盖来说，小区合并主要作用是延长了单小区的覆盖范围，极大的减少了切换次数，如图2所示。

根据对目前现网主要设备供货商的调研，主要厂家TD-SCDMA支持的小区合并和TD-LTE支持的基本一致，技术上不存在问题。

2.3.2 切换带设置

目前高铁覆盖中，对沿线两个小区边界的切换带，主要有两种处理方式，一种是采用常规链接方法，两个相邻小区的RRU链接各自小区天线，不采用耦合器对相邻小区引入差分信号，这样尽管有利于上下行平衡，但对于高速行驶的列车来说，两个小区间的切换带（共同覆盖区域）距离较短，易导致切换失败，掉话等；另一种现网已经存在的处理方式，是在两个RRU间采用耦合器对信号进行差分处理，使每个小区的发射天线都耦合入一路邻小区的信号，对切换带进行补偿，但采用该方式时，RRU使用单通道输出，载波最大发射功率受限，下行覆盖收缩；每个小区只有一路耦合入邻小区差分信号，不能形成上行分集增益，此外耦合器等无源器件未经封装直接暴露在铁塔平台上，遇到雨水易渗透影响驻波比等指标。在此基础上，我院网优部门专门针对此问题开发的多路差分控制器，显著拓宽了高铁小区间切换带长度，提升了高铁小区上行覆盖能力，改善了无线切换成功率，切换掉话等指标。同时，该方法完全可以应用于TD-SCDMA和TD-LTE系统，该设备经过元器件的改造也能应用于TD-SCDMA和TD-LTE系统，基于此出于TD-LTE平滑升级的考虑，TD-SCDMA建设过程中RRU、天线及相关元器件需要支持F、A两个频段。

延长切换带是提高切换成功率的手段之一，另外切换带位置的选择也关系着切换成功率，切换带一般应设置在人流流动性相对较小的区域，避免大量、频繁的切换，高速铁路沿线的切换带位置选择主要有以下几个场景，根据其人流特点分析如下：

图2 小区合并示意图

（1） 站内切换带设置。车站内用户流动主要由以下几种类型和特征：1、待进站上车用户，从候车场所到月台到列车内；2、原列车内非本站下站用户，保持在列车内，沿铁路沿线进站、驻留、出站；3、原列车内本站下站用户，从列车内到月台到出站口出站。对以上3类主要用户的前进、驻留的趋势分析，建议对站内切换带的设置（中间涉及到公网和铁路专网的切换），该切换带设置方案通过在月台上增加一个过渡小区，过渡小区与专网拉远小区配置双向邻区，过渡小区与室分小区配置双向邻区，室分小区与拉远小区不配置邻区，同时合理控制火车站公网室分在月台上的信号强度。经过多次的测试和效果验证，在火车站上车、下车均能借助月台过渡小区在公网与专网之间顺利重选、切换，提高整体切换成功率。

（2） 铁道三岔口切换带设置。为了避免铁路分叉口切换错误，通常在叉道口处设置共小区，并适当向外延伸，避免切换带落在三岔口附近，防止频繁的乒乓切换和错误切换。

（3） 大桥覆盖及切换带设置。普通长度的大桥两端桥头各建一个站点，配置成共小区方式，解决切换问题；桥头站点双RRU背靠背方式解决覆盖场强问题。对长度特别长的，如跨海大桥之类的特殊场景，应合理设置小区数量，尽量将切换带设置在桥上，避开桥头位置切换（桥头位置除铁路专网外、公网信号也较强， 信号复杂，切换选择较多，容易失败）。

（4） 隧道覆盖及切换带设置。同样，隧道的覆盖和切换带的设置可以类比大桥的覆盖方式。只是隧道在覆盖方式上选择性更多一些，比如短隧道可以通过普通天线对打方式实现，长隧道可以选择泄漏电缆覆盖等。

3 总结

移动数据业务和高速铁路二者的迅猛发展在铁路沿线融合在一起，巨大的数据业务需求和解决方案的高难度形成鲜明对比，在4G已经全球启动的今天，TDLTE无疑是我们解决这个矛盾的技术首选。本文通过对TD-LTE在高速铁路沿线覆盖中可能遇到的几个关键问题进行探讨分析，得出一定的结论，对高铁沿线的网络建设提出一定要求，无论是当下正在改造的GSM或是正在新建的TD-SCDMA铁路专网，如果可以提前考虑TD-LTE的建设需求，为下一步TD-LTE建设做好铺垫，当TD-LTE高铁专网建设的时候，我们将水到渠成。

[1] 蒋远、汤利民. TD-LTE原理与网络规划设计[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.

[2]（瑞典）达尔曼. 4G移动通信技术权威指南：LTE与LTEAdvanced[M]. 北京：人民邮电出版社，2012.