利用后台实时跟踪及多载波解决全覆盖高铁网络质量

梁松柏　魏宁　韩广平

摘要：后台实时跟踪方法准确定位、分析W网完全覆盖高铁场景下，列车经过时载干比（Ec/Io）和宽带接收总功率（RTWP）急剧恶化的原因，得出突发网络负荷和干扰是影响高铁网络质量的关键因素。同时验证了双载波策略能快速有效解决高铁W网突发网络负荷及Ec/Io恶化等问题。认为双（多）载波策略是W网高铁建设规划设计解决负荷、容量和质量矛盾的唯一手段。

关键词： Ec/Io；实时跟踪；网络负荷；双载波

Abstract： In this paper， we use background real-time tracking to determine the reason for sharp deterioration of Ec /Io and received total wideband power （RTWP） on a complete-coverage high-speed railway. Burst network load and interference are the key factors that affect the quality of high-speed railway. Due to rapidly improved network quality， double（multi） carrier will be the only way to resolve the contradiction of load， capacity and quality in W network high-speed railway construction planning and designing.

Key words： Ec/Io； real-time tracking； network load； double carrier

近年来部分路段高速铁路已正式运营，越来越多的人选择乘坐高铁出行。为此，中国联通针对高铁进行了W网专项覆盖。但在实际运营过程中，人们发现专项覆盖后的网络容量和质量仍无法满足用户通信需求。如何保证高铁场景W网覆盖区域满足高铁用户的通信需求已成为目前高铁移动网络优化的最重要课题。由于W网容量、质量和覆盖可替换性，载干比（Ec/Io）是当前W网络中各类终端进行选择、重选和切换时首选的策略标准。文章以提升Ec/Io为切入点，找出质量和容量同步提升方法，以实现高铁内信号质量和容量满足用户各类业务需求。

1 下行质量问题定位

京广高铁河南段W网专项覆盖在京广高铁全线贯通时完成，为提升专项覆盖后W网网络质量，经过长时间的精细化覆盖控制，精准的切换链优化，小区合并技改以及同频改异频等方法解决了干扰，提升了Ec/Io。同时将覆盖高铁的所有小区的功率从20 W提升至40 W，解决覆盖和容量不足的问题[1-3]。拉网评估取得效果如图1所示。

图1显示，在现有高铁上座率为40%～60%的情况下，40 W功率异频组网对覆盖没有提升，但在负荷相当的情况下对Ec/Io > -10 dB的比例提升可以达到25%，但会时常伴随着接入类、接续类等异常事件，同时还存在下载速率低、时延长等问题[4]。

为准确定位高铁质量问题，进一步提升Ec/Io，彻底解决未知原因导致的异常事件，我们选取其中一段W网做试点提升[5]。

1.1 常规分析方法

主要采用专用测试软件拉网测试和后台网络性能统计方法结合来定位质量问题。通过来回、多次拉网评估测试，得到表1所示结果。

我们发现在覆盖基本达标的情况下，Ec/Io > -10 dB比例与目标值有一定的差距，结合后台忙时性能数据分析，结果如表2所示，载频接收功率均正常，载频的发射功率利用率也正常，最大载频发射功率和功率利用率在用户集中接入时似乎也无太大异常。由此得出常规分析方法已无法准确定位高铁质量短板问题[6]。

1.2 后台实时跟踪分析方法

1.2.1 理论分析

依据第三代合作伙伴计划（3GPP）定义，对应的收发端及信道类型不同有着不同的Ec/Io计算公式：比如

[P-CCPCHEcIo] （1）

式（1）反映用户终端接收端主公共控制信道的Ec/Io。

[P-CCPCH_EcIo] （2）

式（2）反映基站发射端主公共控制信道的Ec/Io。

[P-CPICH_Ec_sIo_total] （3）

式（3）反映用户终端接收到的主公共导频信道的Ec/Io。其中

P-CPICH_Ec_s为服务小区主导频信道每码片功率能量；Io_total表示手机当前所接收到的所有信号强度，即UE接收机在5M工作带宽范围内接收的总能量功率，由服务小区总功率（Io_s）和其他邻近小区同频干扰噪声（Io_n）组成。在实际应用中，一般用公式（3）反映终端当前接收的导频信号的质量水平[7-8]。

在异频组网且频率隔离度足够的前提条件下，依据式（3）可以得出式（4）：

[P-CPICH_Ec_sIo_s] （4）

此式基本反映了京广高铁河南南段当前W网异频组网模式下仅有主服务小区、单腿软切换、无外部信源干扰的情形。

从发射端来看，导频信道的Ec/Io值会随着小区下行负载的增加而变差。如果单小区额定功率为20 W（43 dBm），并以额定功率发射，且小区的导频信道功率配置为33 dBm时，依据式（4）可知该小区的主导频信道的Ec/Io将最多能达到-10 db（33～43 dBm）。由可推测京广高铁南段W网Ec/Io过低的根源只可能与高铁用户的业务负荷有关[9]。

从接收端来看，经过实地、多轮次测试分析，结果如表1、2统计所示，前后台性能统计指标无异常、无法找到下行质量恶化的根本原因是高铁列车通过单小区的时间不会超过60 s，后台网管指标的统计粒度最小为15 min，采用常规分析方法分析高铁小区指标时，秒级粒度的短暂突发业务被均摊到15 min甚至60 min粒度。因此无法真正反映高铁经过时的网络质量情况，只能通过呼叫跟踪等后台实时跟踪方法，分析、查找真正影响Ec/Io的关键负荷因子[10]。

1.2.2 跟踪结果分析

在单载波异频（40 W）条件下，依据列车时刻表，该实验段某列高铁通过时，后台专业网管实时跟踪高铁W网小区的瞬时功率利用率及发射功率情况如图2所示。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时发射功率从40 dBm增强至45 dBm，比平时最高值还提升了5 dB；功率利用率从平均30%增至80%左右，比平时提升了50%，占到额定发射功率（46 dBm）的97.8%。

依据式（4）可知，部分小区下终端接收到的Ec/Io < 12 dB，已经满足不了某些业务的质量需求[11-12]。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时宽带接收总功率（RTWP）从-105.5 dBm平均提升至-87 dBm，比平时提升18.5 dB；最高可以提升至-77 dBm[13]。如图3所示。

这种情况说明上行干扰已很严重，直接影响无线网络控制器（RNC）对用户终端的随机接入控制、拥塞控制、接续控制和功率控制。同时说明上行方向单载波已无力承担如此大量用户业务需求[14]。图4为单小区在列车经过时RTWP提升情况。

由以上信息我们可以总结出在现有单向高铁列车（16节车厢，额度载客人数1 220人，用户上座率40%以上），后台实时跟踪显示高铁用户业务负荷居高不下，实时在线用户数过多（最大H用户数达到30人，加上普通语音用户20人）[15]。下行方向，网络下行功率接近满负荷发射，体现下行功率严重不足，导致高速下行链路分组接入业务（HSDPA）调度速率降低，无法满足突发容量需求。上行方向，终端的Tx-Power达到较高水平，RTWP恶化明显，无法满足W网业务质量需求[16]。

2下行质量问题的解决

根据以上分析，我们需要采取双载波策略解决高负荷及由此引起的干扰问题。

2.1双载波策略分析

依据以上结论，必须对现有高铁W网进行紧急扩容。目前高铁常用双载波策略如表3所示。

半交互方式（双载波单异频）因存在基础载波，具有可以实现用户向大网平滑过度，基础载波存在较大干扰等特点。完全独立方式（双载波双异频）因与大网异频，具有无线环境好，吸收大网用户少，负载低等特点；在部分场景需要设置过度切换带；存在用户掉入大网后不能及时返回专网问题，对高铁站点维护要求高。本次试验主要采取半交互方式（双载波单异频）双载波策略，应对高铁用户突发业务负荷的冲击。

2.2实施效果分析

对该段网络实施了双载波单异频及随机驻留话务均衡策略，Ec/Io得以持续提升，Ec/Io > 0 dB的比例提升至91.3%。Ec/Io > 2 dB的比例提升至96.49%。如图5所示。

配合双载波实施，RTWP及TX-POWER可以得到同步优化和提升，如图6所示。高铁列车内用户移动终端经过高铁覆盖小区时TX-POWER从平均0 dBm下降至-15 dBm以下；而RTWP则会从-80 dBm改善至-100 dBm（为业务状态的正常值）[17]。

3 结束语

基于以上分析，可以得出两点：在高铁全覆盖网络场景下的问题分析和定位办法必须采用实时跟踪方法，才能精准定位问题；无论从前向还是从反向来看，导致高铁W网Ec/Io和RTWP严重恶化的因素为高网络负荷及由此产生的网络干扰。经验证，采用双载波话务均衡策略方式能有效解决高铁W网络突发业务问题。

在以后的高铁网络建设规划设计中，除考虑W网全覆盖外，还需考虑双向高铁列车交汇时的用户业务需求。因此要彻底解决W网网络干扰和负荷问题，在建设阶段可直接采用双载波策略。随着高铁用户量的持续提升，高铁在线用户数对W网负荷、容量和质量是一大挑战，三载波甚至更多载波将是未来应对网络负荷不断增加等的不二选择。

参考文献

[1] Radio Propagation Modeling [EB/OL]. http：//morse.colorado.edu/～tlen5510/text/

[2] HarriHolma，AnttiToskala著. UMTS中的WCDMA—HSPA演进及LTE（原书第5版）[M].杨大成等译. 北京：机械工业出版社，2011.

[3] 王有为，徐志宇，夏国忠编著. WCDMA特殊场景覆盖规划与优化[M].北京：人民邮电出版社， 2011.

[4] 3GPP.3GPP TS 25.101[S].

[5] 张传福著. WCDMA通信网络规划与设计[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[6] 姜波著.WCDMA关键技术详解（第二版）[M].北京：人民邮电出版社， 2008.

[7] 3GPP.TS 23.002 Network architecture：5.3.0[S].

[8] 3GPP. TS 23.060 General Packet Radio Service；Service description 5.1.0[S].

[9] 窦中兆，雷湘编著.WCDMA系统原理与无线网络优化[M].北京：清华大学出版社， 2009.

[10] 张建华，王莹著. WCDMA无线网络技术[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[11] 徐志宇，韩玮，蒲迎春.HSDPA技术原理与网络规划实践[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[12]麦罗拉著.蜂窝移动通信工程设计[M].聂涛等译.北京：人民邮电出版社， 1997.

[13]张平等.WCDMA移动通信系统[M]. 北京：人民邮电出版社， 2004.

[14] ITU-R.P. 1238-6-2009[S].

[15] ETSI. TR 101 112.p33-35[S]

[16] 郭东亮等.WCDMA规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社， 2005.

[17] 孙记明，张惠谦，李广彬。WCDMA网络无线行业应用信息安全分析[J]、邮电设计技术. 2012，（2）： 13-16

1.2.2 跟踪结果分析

在单载波异频（40 W）条件下，依据列车时刻表，该实验段某列高铁通过时，后台专业网管实时跟踪高铁W网小区的瞬时功率利用率及发射功率情况如图2所示。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时发射功率从40 dBm增强至45 dBm，比平时最高值还提升了5 dB；功率利用率从平均30%增至80%左右，比平时提升了50%，占到额定发射功率（46 dBm）的97.8%。

依据式（4）可知，部分小区下终端接收到的Ec/Io < 12 dB，已经满足不了某些业务的质量需求[11-12]。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时宽带接收总功率（RTWP）从-105.5 dBm平均提升至-87 dBm，比平时提升18.5 dB；最高可以提升至-77 dBm[13]。如图3所示。

这种情况说明上行干扰已很严重，直接影响无线网络控制器（RNC）对用户终端的随机接入控制、拥塞控制、接续控制和功率控制。同时说明上行方向单载波已无力承担如此大量用户业务需求[14]。图4为单小区在列车经过时RTWP提升情况。

由以上信息我们可以总结出在现有单向高铁列车（16节车厢，额度载客人数1 220人，用户上座率40%以上），后台实时跟踪显示高铁用户业务负荷居高不下，实时在线用户数过多（最大H用户数达到30人，加上普通语音用户20人）[15]。下行方向，网络下行功率接近满负荷发射，体现下行功率严重不足，导致高速下行链路分组接入业务（HSDPA）调度速率降低，无法满足突发容量需求。上行方向，终端的Tx-Power达到较高水平，RTWP恶化明显，无法满足W网业务质量需求[16]。

2下行质量问题的解决

根据以上分析，我们需要采取双载波策略解决高负荷及由此引起的干扰问题。

2.1双载波策略分析

依据以上结论，必须对现有高铁W网进行紧急扩容。目前高铁常用双载波策略如表3所示。

半交互方式（双载波单异频）因存在基础载波，具有可以实现用户向大网平滑过度，基础载波存在较大干扰等特点。完全独立方式（双载波双异频）因与大网异频，具有无线环境好，吸收大网用户少，负载低等特点；在部分场景需要设置过度切换带；存在用户掉入大网后不能及时返回专网问题，对高铁站点维护要求高。本次试验主要采取半交互方式（双载波单异频）双载波策略，应对高铁用户突发业务负荷的冲击。

2.2实施效果分析

对该段网络实施了双载波单异频及随机驻留话务均衡策略，Ec/Io得以持续提升，Ec/Io > 0 dB的比例提升至91.3%。Ec/Io > 2 dB的比例提升至96.49%。如图5所示。

配合双载波实施，RTWP及TX-POWER可以得到同步优化和提升，如图6所示。高铁列车内用户移动终端经过高铁覆盖小区时TX-POWER从平均0 dBm下降至-15 dBm以下；而RTWP则会从-80 dBm改善至-100 dBm（为业务状态的正常值）[17]。

3 结束语

基于以上分析，可以得出两点：在高铁全覆盖网络场景下的问题分析和定位办法必须采用实时跟踪方法，才能精准定位问题；无论从前向还是从反向来看，导致高铁W网Ec/Io和RTWP严重恶化的因素为高网络负荷及由此产生的网络干扰。经验证，采用双载波话务均衡策略方式能有效解决高铁W网络突发业务问题。

在以后的高铁网络建设规划设计中，除考虑W网全覆盖外，还需考虑双向高铁列车交汇时的用户业务需求。因此要彻底解决W网网络干扰和负荷问题，在建设阶段可直接采用双载波策略。随着高铁用户量的持续提升，高铁在线用户数对W网负荷、容量和质量是一大挑战，三载波甚至更多载波将是未来应对网络负荷不断增加等的不二选择。

参考文献

[1] Radio Propagation Modeling [EB/OL]. http：//morse.colorado.edu/～tlen5510/text/

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[9] 窦中兆，雷湘编著.WCDMA系统原理与无线网络优化[M].北京：清华大学出版社， 2009.

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[11] 徐志宇，韩玮，蒲迎春.HSDPA技术原理与网络规划实践[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[12]麦罗拉著.蜂窝移动通信工程设计[M].聂涛等译.北京：人民邮电出版社， 1997.

[13]张平等.WCDMA移动通信系统[M]. 北京：人民邮电出版社， 2004.

[14] ITU-R.P. 1238-6-2009[S].

[15] ETSI. TR 101 112.p33-35[S]

[16] 郭东亮等.WCDMA规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社， 2005.

[17] 孙记明，张惠谦，李广彬。WCDMA网络无线行业应用信息安全分析[J]、邮电设计技术. 2012，（2）： 13-16

1.2.2 跟踪结果分析

在单载波异频（40 W）条件下，依据列车时刻表，该实验段某列高铁通过时，后台专业网管实时跟踪高铁W网小区的瞬时功率利用率及发射功率情况如图2所示。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时发射功率从40 dBm增强至45 dBm，比平时最高值还提升了5 dB；功率利用率从平均30%增至80%左右，比平时提升了50%，占到额定发射功率（46 dBm）的97.8%。

依据式（4）可知，部分小区下终端接收到的Ec/Io < 12 dB，已经满足不了某些业务的质量需求[11-12]。

当列车经过时，单载波异频高铁小区瞬时宽带接收总功率（RTWP）从-105.5 dBm平均提升至-87 dBm，比平时提升18.5 dB；最高可以提升至-77 dBm[13]。如图3所示。

这种情况说明上行干扰已很严重，直接影响无线网络控制器（RNC）对用户终端的随机接入控制、拥塞控制、接续控制和功率控制。同时说明上行方向单载波已无力承担如此大量用户业务需求[14]。图4为单小区在列车经过时RTWP提升情况。

由以上信息我们可以总结出在现有单向高铁列车（16节车厢，额度载客人数1 220人，用户上座率40%以上），后台实时跟踪显示高铁用户业务负荷居高不下，实时在线用户数过多（最大H用户数达到30人，加上普通语音用户20人）[15]。下行方向，网络下行功率接近满负荷发射，体现下行功率严重不足，导致高速下行链路分组接入业务（HSDPA）调度速率降低，无法满足突发容量需求。上行方向，终端的Tx-Power达到较高水平，RTWP恶化明显，无法满足W网业务质量需求[16]。

2下行质量问题的解决

根据以上分析，我们需要采取双载波策略解决高负荷及由此引起的干扰问题。

2.1双载波策略分析

依据以上结论，必须对现有高铁W网进行紧急扩容。目前高铁常用双载波策略如表3所示。

半交互方式（双载波单异频）因存在基础载波，具有可以实现用户向大网平滑过度，基础载波存在较大干扰等特点。完全独立方式（双载波双异频）因与大网异频，具有无线环境好，吸收大网用户少，负载低等特点；在部分场景需要设置过度切换带；存在用户掉入大网后不能及时返回专网问题，对高铁站点维护要求高。本次试验主要采取半交互方式（双载波单异频）双载波策略，应对高铁用户突发业务负荷的冲击。

2.2实施效果分析

对该段网络实施了双载波单异频及随机驻留话务均衡策略，Ec/Io得以持续提升，Ec/Io > 0 dB的比例提升至91.3%。Ec/Io > 2 dB的比例提升至96.49%。如图5所示。

配合双载波实施，RTWP及TX-POWER可以得到同步优化和提升，如图6所示。高铁列车内用户移动终端经过高铁覆盖小区时TX-POWER从平均0 dBm下降至-15 dBm以下；而RTWP则会从-80 dBm改善至-100 dBm（为业务状态的正常值）[17]。

3 结束语

基于以上分析，可以得出两点：在高铁全覆盖网络场景下的问题分析和定位办法必须采用实时跟踪方法，才能精准定位问题；无论从前向还是从反向来看，导致高铁W网Ec/Io和RTWP严重恶化的因素为高网络负荷及由此产生的网络干扰。经验证，采用双载波话务均衡策略方式能有效解决高铁W网络突发业务问题。

在以后的高铁网络建设规划设计中，除考虑W网全覆盖外，还需考虑双向高铁列车交汇时的用户业务需求。因此要彻底解决W网网络干扰和负荷问题，在建设阶段可直接采用双载波策略。随着高铁用户量的持续提升，高铁在线用户数对W网负荷、容量和质量是一大挑战，三载波甚至更多载波将是未来应对网络负荷不断增加等的不二选择。

参考文献

[1] Radio Propagation Modeling [EB/OL]. http：//morse.colorado.edu/～tlen5510/text/

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[4] 3GPP.3GPP TS 25.101[S].

[5] 张传福著. WCDMA通信网络规划与设计[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[6] 姜波著.WCDMA关键技术详解（第二版）[M].北京：人民邮电出版社， 2008.

[7] 3GPP.TS 23.002 Network architecture：5.3.0[S].

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[9] 窦中兆，雷湘编著.WCDMA系统原理与无线网络优化[M].北京：清华大学出版社， 2009.

[10] 张建华，王莹著. WCDMA无线网络技术[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[11] 徐志宇，韩玮，蒲迎春.HSDPA技术原理与网络规划实践[M].北京：人民邮电出版社， 2007.

[12]麦罗拉著.蜂窝移动通信工程设计[M].聂涛等译.北京：人民邮电出版社， 1997.

[13]张平等.WCDMA移动通信系统[M]. 北京：人民邮电出版社， 2004.

[14] ITU-R.P. 1238-6-2009[S].

[15] ETSI. TR 101 112.p33-35[S]

[16] 郭东亮等.WCDMA规划设计手册[M].北京：人民邮电出版社， 2005.

[17] 孙记明，张惠谦，李广彬。WCDMA网络无线行业应用信息安全分析[J]、邮电设计技术. 2012，（2）： 13-16