高铁TD-LTE无线网络覆盖研究

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

高铁TD-LTE无线网络覆盖研究

吕晨光，郭建光，王宇欣

（中国移动通信集团设计院有限公司河北分公司，石家庄 050021）

对高铁TD-LTE覆盖时遇到的车厢穿透损耗、多普勒频移、频繁小区切换等问题进行分析，总结出了在工程实施中规避上述问题方法，希望能够为实际工程建设提供参考。

TD-LTE；损耗；高速；切换

1 前言

高铁及通信已经成为现代生活中不可或缺的两个部分，如何在高速的列车上实现高速的数据通信已成为亟待解决的热点。高铁有着客户资源优质、多普勒频移明显、车体穿损较大等特点，TD-LTE有着速率高、时延小等优点，两者的特点要求在规划建设中采用新技术新方法才能将4G技术很好的服务于高铁场景，满足用户乘坐高铁时的高速数据需求。

2 关键问题分析

2.1 穿透损耗大

高速铁路的新型列车采用全封闭车厢结构，车箱体为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的玻璃材料，导室外无线信号在高速列车内的穿透损耗较大，给车体内的无线覆盖带来较大困难，高铁列车比普通列车高出将近10 dB，而高铁乘客往往又是业务需求强烈，体验要求较高的用户群。测试结果表明，高速铁路列车穿透损耗可取定为28 dB（F频段），30 dB（D频段），从而达到较优的链路预算效果。

实际的测试表明，不同的信号入射角对应的穿透损耗值亦不同，实际测试表明随着入射角变小，穿透损耗不断增加。在规划设计当中，为了避免过小的入射角，建议基站与轨道间距不小于100 m。

2.2 多普勒频偏

列车高速运动将引起多普勒频偏，导致接收端接收信号频率发生变化，且频率变化的大小和快慢与列车的速度相关。多普勒计算公式如：

fd=(f/c)×v×cosθ其中v为车速，c为光速，f为工作频率。

在高铁的规划设计当中需要重点考虑多普勒频移，可采用无线设备的高速移动功能，eNode B根据接收的上行信号频率进行频偏估计，然后在基带侧对频偏进行频率校正，提高上行信号解调性能。终端侧具备频偏校正和自动频偏控制功能，终端侧会按一定周期和步长来调整频偏，使终端频率跟上频偏变化。

2.3 切换频繁

由于高铁列车的穿透损耗，为满足覆盖目标单RRU覆盖范围较小，列车高速移动时将在短时间内穿越多个RRU的覆盖范围，引起频繁的切换，进而影响网络的整体性能。假设列车以300 km/h运行，则列车每12 s左右将进行一次小区间切换，频繁的小区切换将极大降低网络的性能。在高铁规划设计当中需要考虑采用多RRU小区合并技术来对抗频繁切换，从而提高高铁的4G覆盖性能。小区合并技术将部分RRU之间的切换由站间切换变为站内协作，有效减少了切换次数，提高了网络性能。

以京津高铁为例，高铁试验网18 km路段采用6个小区覆盖，平均每个小区覆盖3 km，非试验网路段20个小区覆盖11 km，平均每个小区覆盖550 m，平均车速均接近290 km/h，测试结果如表1所示。

从表1以及图1可以发现非试验网路段区域的下载速率低于试验网路段区域且存在较多切换失败，RRC重建等空口异常事件。试验网路段切换尝试6次（试验网内5次，向试验网外切换1次）；非试验网路段内发生11次切换，切换次数多且频繁对平均速率影响很大。非试验网路段宏站3扇区组网，面向高铁的两个扇区未做合并，容易出现切换失败等异常。

表1 高铁小区合并与非合并对比测试结果

3 LTE高铁无线网络规划建议

3.1 天线选型及站点布局建议

3．1．1 天线选型

图1 高铁小区合并与非合并切换对比结果

铁路覆盖为带状狭长区域，智能天线无法发挥特性。选择天线选择应考虑高增益、窄波束的双通道双极化天线。为增加基站的覆盖距离，减少切换次数，高铁场景建议采用高增益窄波瓣天线对进行覆盖。高增益窄波瓣天线通常可以做到增益18～21 dBi，波瓣宽度约35°。考虑高铁站点天面受限，若采用多频合路天线时，天线水平波瓣建议不大于65°，增益18 dBi左右，双通道并支持F频段（1880～1920 MHz）、D频段（2575～2635 MHz）。

3．1．2 站点布局

高铁站点的选择应尽量左右交错分布于铁路两侧，以助于改善切换区域，并利于车厢内两侧用户接收信号质量相对均匀。高铁转弯拐角区域应选择拐角内侧进行站点规划，有助于减小基站覆盖方向和轨道方向夹角，减小多普勒频移的影响。按照入射角10°以上原则，可得站点离铁路在100 m左右，考虑高铁网络与宏网干扰问题，建议站点离铁路距离不超过200 m。高铁基本上都是在高架桥上建设，考虑到高架桥高约10 m，为保障高铁线路覆盖效果，建议站点距离地面高度25～40 m，即天线相对铁轨高度在15～30 m左右。

但是实际网络中，因工期和站址所处环境的不同，现网已开通的基站站高和站距也不尽相同，在做网络工程设计时，需要对现网基站情况进行整理，再规划新建基站时，通过调整新建基站的站高和站距以达到优化网络的目的。站高、站距、基站与高铁铁轨距离及高铁穿越场景之间的关系如表2所示。

3.2 多RRU共小区技术

由于高速铁路速度较快，且单个基站覆盖面积有限，使切换频繁。解决切换频繁问题，可使用多RRU共小区技术减少切换次数。

多RRU共小区技术极大的拓宽了单小区的覆盖范围铁路沿线的话务量分布有特殊性，列车相隔距离较远，对于一段铁路线来说，虽然有连续几个小区覆盖，但是主要话务量往往集中在一个小区中。RRU多站点共小区拉长了小区的覆盖长度，很大程度上减少了切换次数，提高了频点的利用率，同时减少了相邻小区的频点干扰。

为了获得良好的切换体验，还需要设置好相邻基站重叠覆盖区域的设置，合理的重叠覆盖区域规划是实现网络业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会导致干扰增加，进而影响用户业务感知，因此高铁覆盖规划中要合理设计重叠覆盖区域。重叠覆盖带构成如图2所示。

图2 小区合并示意图

A区域为过渡区域，信号到满足切换电平迟滞（2 dB）需要的距离；B区域为切换区域，系统内同频切换即发生在该切换区域。A区域相同大约需要40 m距离，B区域系统内同频切换分析如图3所示。

图3为系统内同频切换带示意图，B区域由终端测量上报周期距离、切换时间迟滞距离和切换执行距离3部分构成，终端测量上报周期需要200 ms，切换时间迟滞需要128 ms，切换执行时延需要50 ms。考虑单次切换时，重叠距离= 2×(电平迟滞对应距离+终端测量上报周期距离+切换时间迟滞距离+切换执行距离)。高铁专网场景下，考虑适当预留，重叠切换带按200 m考虑。

表2 高铁站间距建议

图3 B区域系统内同频切换带示意图

3.3 隧道的覆盖建议

对于隧道的覆盖有两种方式，定向天线和泄漏电缆进行覆盖，均有各自的优缺点，实际网络中隧道种类繁多，覆盖方式也不尽相同。按照GSM高铁的经验以及LTE RRU的覆盖能力，推荐小于300～400 m的没有弯曲的隧道，可以采用定向天线。更长的隧道或者有弯曲的短隧道，建设中建议隧道进出口采用定向天线，而隧道内部采用泄漏电缆的方式进行覆盖。

定向天线覆盖的特点有：隧道内天线架设难度大，适合短隧道覆盖场景；直线传播，对于弯曲的隧道场景效果相对较差；隧道信号填充效果明显，信号覆盖效果不佳。泄露电缆特点有：布放简单、难度小，适用多种隧道场景；损耗较大，成本较高。

隧道规划指标要求隧道（泄露电缆）覆盖指标(95%概率)RSRP要求为-113 dBm，RS-SINR要求为-3 dB。经过链路预算计算，泄露电缆的估算覆盖距离为353 m，隧道内小区间重叠覆盖区域约200 m左右。采用泄露电缆F频段覆盖时，小区内RRU间距不需要预留切换重叠带，建议为0.7 km；小区间RRU间距需要预留200m切换重叠带，建议为0.5 km，实际设置应综合传播特性，基站设置以及工程实施条件等因素综合考虑调整。

4 总结

在国内，TD-LTE已经开始商用的今天，高速铁路也在迅猛发展，如何使4G信号更好的对高铁进行覆盖，满足乘客日益增长的对数据业务的需求，是一个急迫的需求。本文通过对TD-LTE在高铁覆盖时的遇到的几个关键问题进行分析和探讨，得到了一些结论，对高铁沿线进行覆盖时，提出了一些要求，希望可以对TD-LTE高铁专网建设具有一定的指导意义。

[1] 沈嘉，索士强，全海洋． 3GPP长期演进(LTE)技术原理与系统设计[M]． 北京：人民邮电出版社，2008．

[2] 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．

Research of TD-LTE network coverage of high speed railway

LV Chen-guang, GAO Jian-guang, WANG Yu-xin
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd. Hebei Branch, Shijiazhuang 050021, China)

This thesis aims to analyze the problem of the carriage penetration loss, Doppler shift, frequently cell handover, and summarize some solutions with a purpose of avoiding the problems mentioned and providing references for practices.

TD-LTE; loss; high-speed; handover

TN929.5

A

1008-5599（2014）10-0029-04

2014-05-13