高速铁路TD—LTE网络覆盖方案研究

杨一帆

针对高速铁路TD-LTE网络覆盖展开研究，首先分析在高铁部署TD-LTE网络所面临的问题，然后通过链路预算得出在不同服务等级下的建议站间距，最后通过仿真论证覆盖方案的科学性。事实证明，该方案能有效指导高铁TD-LTE网络的规划与建设。

高铁覆盖 TD-LTE 链路预算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

经过10多年的高速铁路建设，我国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，总里程达到10 463公里，“四纵”干线基本成型，运营里程约占世界高铁运营里程的45%，稳居世界高铁里程榜首。

伴随着高铁的建设，我国通信运营商也积累了较为丰富的高铁无线网络建设经验，在武广、广深港等运营铁路上已有成熟的2G/3G覆盖运营实例。然而目前方案仅限于2G/3G的应用，仍然存在带宽不足的问题，未能满足用户对高速数据业务的需求。TD-LTE网络的商用为数据业务的承载提供了一个更宽阔的平台，高铁沿线部署TD-LTE网络将是下一步高铁无线网建设的必然趋势。

由表1可见，随着车速的不断提高，最大频偏值越来越大，多普勒频移的影响也越来越明显。多普勒频移的最大影响是造成接收机解调性能的下降，直接影响到小区选择、小区重选和切换等性能。

对于TD-LTE频段，由于多普勒频移较大，一般设备厂商都会有相应的频偏校正技术。目前业内各厂家TD-LTE设备均支持频偏校正技术，容忍能力为1 400—2 000Hz，能够满足高速铁路场景下的多普勒频偏校正需求。而鉴于D频段频偏范围更大，建议采用F频段进行高速铁路覆盖，以降低多普勒频移对接收机的影响。

2.2 切换影响分析

在高铁场景下，由于列车运行速度非常快，用户将快速地从一个小区进入到另一个小区，从而造成频繁切换，这样一方面会给网络资源带来很大的压力，另一方面为保证高速运行下的切换成功率带来了很大难度。

针对频繁切换的问题，目前主流做法是采用光纤拉远组网和小区合并技术，将相邻若干个子小区合并成一个小区，这样同小区内将不存在切换，从而在整个路段减少切换次数，同时也降低了切换失败的可能性。

为保证移动终端的切换和通话质量，相邻小区需要有一定的信号重叠覆盖区。列车在高速运行情况下，需设计足够的重叠覆盖区长度，以确保移动终端有足够的时间完成切换。切换重叠覆盖区长度由切换时间和列车运行速度决定。从试验网的测试来看，TD-LTE系统的切换时延在200ms以内、切换带的距离控制在100m以内即可，按照现有铁路覆盖的重叠接入方式，需保留1个发射点进行双路馈入。

2.3 车体损耗分析

高速铁路运行的车辆一般为CRH车型，该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4种。广东境内铁路目前行驶的CRH多为CRH1、CRH2和CRH3型列车。

CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。在规划设计时，为保证有足够的冗余度，应选取车体损耗最大的CRH1车型（庞巴迪列车）进行考虑，即车体损耗取24dB。

根据中国移动对TD-LTE边缘速率的规定，TD-LTE网络需保障为小区边缘用户提供最小上行500kbps、下行1Mbps的传输速率。根据上述的上下行链路预算可以得出，高铁沿线隧道外TD-LTE基站覆盖半径在F频段组网时应取731m、D频段组网时应取552m，考虑两发射点间应有100～150m的信号重叠区，故建议TD-LTE系统隧道外的发射点间距在F频段组网时应取1 000～1 300m、D频段组网时应取800～900m。

3.2 隧道内链路预算

假定TD-LTE网络在隧道内仍能提供与隧道外同样的边缘服务等级，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外链路预算结果可知，TD-LTE网络应为上行业务受限，故隧道内链路预算只需满足上行512kbps业务即可。

结合隧道外链路预算结果，TD-LTE隧道内链路预算各参数取值如下：

（1）eUE EIRP为23dBm；

（2）eNodeB接收灵敏度为104.5dBm；

（3）阴影衰落余量为5.9dB；

（4）在2 600MHz频段2m距离的耦合损耗和主干损耗为70dB；

（5）宽度因子取定为20lg8/2=12dB；

（6）车体损耗取定为10dB（泄漏电缆挂高在与车窗平齐的位置，穿透损耗主要考虑穿透玻璃的情况）；

（7）瑞利衰落余量取定为7dB；

（8）POI插损取定为5.5dB；

（9）功分器插损取定为3dB。

根据以上参数取定进行链路预算，得出高铁沿线隧道中允许的泄漏电缆最大长度建议值如下：

（1）TD-LTE系统（F频段）：370m；

（2）TD-LTE系统（D频段）：230m。

3.3 系统仿真

对国内某条高速铁路的建设方案进行仿真验证，该铁路采取专网覆盖建设，覆盖发射点间距为500m，天线距铁轨距离为100m左右。对应以上的链路预算结果，此建设方案能满足TD-LTE的覆盖需求，并提供边缘速率上行500kbps、下行1Mbps的服务。

对此专网方案进行TD-LTE网络覆盖情况仿真，其结果如图1所示：

4 结束语

本文主要针对高速铁路TD-LTE网络覆盖进行研究，通过链路预算提出高速铁路部署TD-LTE网络时所需的站间距要求，并通过系统仿真，获得在此站间距范围内的铁路沿线RSRP、服务等级及吞吐量等规划数据，从而论证站间距建议的正确性。实践证明，本文提出的站间距要求以及仿真结果对高速铁路的TD-LTE网络规划建设具有指导意义。

参考文献：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移动通信系统高速铁路场景共存研究[J]. 广东通信技术， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 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.

[5] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.endprint

针对高速铁路TD-LTE网络覆盖展开研究，首先分析在高铁部署TD-LTE网络所面临的问题，然后通过链路预算得出在不同服务等级下的建议站间距，最后通过仿真论证覆盖方案的科学性。事实证明，该方案能有效指导高铁TD-LTE网络的规划与建设。

高铁覆盖 TD-LTE 链路预算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

经过10多年的高速铁路建设，我国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，总里程达到10 463公里，“四纵”干线基本成型，运营里程约占世界高铁运营里程的45%，稳居世界高铁里程榜首。

伴随着高铁的建设，我国通信运营商也积累了较为丰富的高铁无线网络建设经验，在武广、广深港等运营铁路上已有成熟的2G/3G覆盖运营实例。然而目前方案仅限于2G/3G的应用，仍然存在带宽不足的问题，未能满足用户对高速数据业务的需求。TD-LTE网络的商用为数据业务的承载提供了一个更宽阔的平台，高铁沿线部署TD-LTE网络将是下一步高铁无线网建设的必然趋势。

由表1可见，随着车速的不断提高，最大频偏值越来越大，多普勒频移的影响也越来越明显。多普勒频移的最大影响是造成接收机解调性能的下降，直接影响到小区选择、小区重选和切换等性能。

对于TD-LTE频段，由于多普勒频移较大，一般设备厂商都会有相应的频偏校正技术。目前业内各厂家TD-LTE设备均支持频偏校正技术，容忍能力为1 400—2 000Hz，能够满足高速铁路场景下的多普勒频偏校正需求。而鉴于D频段频偏范围更大，建议采用F频段进行高速铁路覆盖，以降低多普勒频移对接收机的影响。

2.2 切换影响分析

在高铁场景下，由于列车运行速度非常快，用户将快速地从一个小区进入到另一个小区，从而造成频繁切换，这样一方面会给网络资源带来很大的压力，另一方面为保证高速运行下的切换成功率带来了很大难度。

针对频繁切换的问题，目前主流做法是采用光纤拉远组网和小区合并技术，将相邻若干个子小区合并成一个小区，这样同小区内将不存在切换，从而在整个路段减少切换次数，同时也降低了切换失败的可能性。

为保证移动终端的切换和通话质量，相邻小区需要有一定的信号重叠覆盖区。列车在高速运行情况下，需设计足够的重叠覆盖区长度，以确保移动终端有足够的时间完成切换。切换重叠覆盖区长度由切换时间和列车运行速度决定。从试验网的测试来看，TD-LTE系统的切换时延在200ms以内、切换带的距离控制在100m以内即可，按照现有铁路覆盖的重叠接入方式，需保留1个发射点进行双路馈入。

2.3 车体损耗分析

高速铁路运行的车辆一般为CRH车型，该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4种。广东境内铁路目前行驶的CRH多为CRH1、CRH2和CRH3型列车。

CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。在规划设计时，为保证有足够的冗余度，应选取车体损耗最大的CRH1车型（庞巴迪列车）进行考虑，即车体损耗取24dB。

根据中国移动对TD-LTE边缘速率的规定，TD-LTE网络需保障为小区边缘用户提供最小上行500kbps、下行1Mbps的传输速率。根据上述的上下行链路预算可以得出，高铁沿线隧道外TD-LTE基站覆盖半径在F频段组网时应取731m、D频段组网时应取552m，考虑两发射点间应有100～150m的信号重叠区，故建议TD-LTE系统隧道外的发射点间距在F频段组网时应取1 000～1 300m、D频段组网时应取800～900m。

3.2 隧道内链路预算

假定TD-LTE网络在隧道内仍能提供与隧道外同样的边缘服务等级，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外链路预算结果可知，TD-LTE网络应为上行业务受限，故隧道内链路预算只需满足上行512kbps业务即可。

结合隧道外链路预算结果，TD-LTE隧道内链路预算各参数取值如下：

（1）eUE EIRP为23dBm；

（2）eNodeB接收灵敏度为104.5dBm；

（3）阴影衰落余量为5.9dB；

（4）在2 600MHz频段2m距离的耦合损耗和主干损耗为70dB；

（5）宽度因子取定为20lg8/2=12dB；

（6）车体损耗取定为10dB（泄漏电缆挂高在与车窗平齐的位置，穿透损耗主要考虑穿透玻璃的情况）；

（7）瑞利衰落余量取定为7dB；

（8）POI插损取定为5.5dB；

（9）功分器插损取定为3dB。

根据以上参数取定进行链路预算，得出高铁沿线隧道中允许的泄漏电缆最大长度建议值如下：

（1）TD-LTE系统（F频段）：370m；

（2）TD-LTE系统（D频段）：230m。

3.3 系统仿真

对国内某条高速铁路的建设方案进行仿真验证，该铁路采取专网覆盖建设，覆盖发射点间距为500m，天线距铁轨距离为100m左右。对应以上的链路预算结果，此建设方案能满足TD-LTE的覆盖需求，并提供边缘速率上行500kbps、下行1Mbps的服务。

对此专网方案进行TD-LTE网络覆盖情况仿真，其结果如图1所示：

4 结束语

本文主要针对高速铁路TD-LTE网络覆盖进行研究，通过链路预算提出高速铁路部署TD-LTE网络时所需的站间距要求，并通过系统仿真，获得在此站间距范围内的铁路沿线RSRP、服务等级及吞吐量等规划数据，从而论证站间距建议的正确性。实践证明，本文提出的站间距要求以及仿真结果对高速铁路的TD-LTE网络规划建设具有指导意义。

参考文献：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移动通信系统高速铁路场景共存研究[J]. 广东通信技术， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 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.

[5] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.endprint

针对高速铁路TD-LTE网络覆盖展开研究，首先分析在高铁部署TD-LTE网络所面临的问题，然后通过链路预算得出在不同服务等级下的建议站间距，最后通过仿真论证覆盖方案的科学性。事实证明，该方案能有效指导高铁TD-LTE网络的规划与建设。

高铁覆盖 TD-LTE 链路预算

Aiming at the TD-LTE network coverage for high-speed railway， the problems on constructing TD-LTE network on high-speed railway are analyzed. The recommended distances between stations under different service classes are obtained through the link budget. Finally， the coverage solution is verified through the simulation demonstration. The facts prove that the coverage solution can effectively guide the planning and construction of TD-LTE network for high-speed railway.

high-speed railway coverage TD-LTE link budget

1 引言

经过10多年的高速铁路建设，我国目前已经拥有全世界最大规模以及最高运营速度的高速铁路网，总里程达到10 463公里，“四纵”干线基本成型，运营里程约占世界高铁运营里程的45%，稳居世界高铁里程榜首。

伴随着高铁的建设，我国通信运营商也积累了较为丰富的高铁无线网络建设经验，在武广、广深港等运营铁路上已有成熟的2G/3G覆盖运营实例。然而目前方案仅限于2G/3G的应用，仍然存在带宽不足的问题，未能满足用户对高速数据业务的需求。TD-LTE网络的商用为数据业务的承载提供了一个更宽阔的平台，高铁沿线部署TD-LTE网络将是下一步高铁无线网建设的必然趋势。

由表1可见，随着车速的不断提高，最大频偏值越来越大，多普勒频移的影响也越来越明显。多普勒频移的最大影响是造成接收机解调性能的下降，直接影响到小区选择、小区重选和切换等性能。

对于TD-LTE频段，由于多普勒频移较大，一般设备厂商都会有相应的频偏校正技术。目前业内各厂家TD-LTE设备均支持频偏校正技术，容忍能力为1 400—2 000Hz，能够满足高速铁路场景下的多普勒频偏校正需求。而鉴于D频段频偏范围更大，建议采用F频段进行高速铁路覆盖，以降低多普勒频移对接收机的影响。

2.2 切换影响分析

在高铁场景下，由于列车运行速度非常快，用户将快速地从一个小区进入到另一个小区，从而造成频繁切换，这样一方面会给网络资源带来很大的压力，另一方面为保证高速运行下的切换成功率带来了很大难度。

针对频繁切换的问题，目前主流做法是采用光纤拉远组网和小区合并技术，将相邻若干个子小区合并成一个小区，这样同小区内将不存在切换，从而在整个路段减少切换次数，同时也降低了切换失败的可能性。

为保证移动终端的切换和通话质量，相邻小区需要有一定的信号重叠覆盖区。列车在高速运行情况下，需设计足够的重叠覆盖区长度，以确保移动终端有足够的时间完成切换。切换重叠覆盖区长度由切换时间和列车运行速度决定。从试验网的测试来看，TD-LTE系统的切换时延在200ms以内、切换带的距离控制在100m以内即可，按照现有铁路覆盖的重叠接入方式，需保留1个发射点进行双路馈入。

2.3 车体损耗分析

高速铁路运行的车辆一般为CRH车型，该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4种。广东境内铁路目前行驶的CRH多为CRH1、CRH2和CRH3型列车。

CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗。在规划设计时，为保证有足够的冗余度，应选取车体损耗最大的CRH1车型（庞巴迪列车）进行考虑，即车体损耗取24dB。

根据中国移动对TD-LTE边缘速率的规定，TD-LTE网络需保障为小区边缘用户提供最小上行500kbps、下行1Mbps的传输速率。根据上述的上下行链路预算可以得出，高铁沿线隧道外TD-LTE基站覆盖半径在F频段组网时应取731m、D频段组网时应取552m，考虑两发射点间应有100～150m的信号重叠区，故建议TD-LTE系统隧道外的发射点间距在F频段组网时应取1 000～1 300m、D频段组网时应取800～900m。

3.2 隧道内链路预算

假定TD-LTE网络在隧道内仍能提供与隧道外同样的边缘服务等级，即上行500kbps、下行1Mbps。由上述的隧道外链路预算结果可知，TD-LTE网络应为上行业务受限，故隧道内链路预算只需满足上行512kbps业务即可。

结合隧道外链路预算结果，TD-LTE隧道内链路预算各参数取值如下：

（1）eUE EIRP为23dBm；

（2）eNodeB接收灵敏度为104.5dBm；

（3）阴影衰落余量为5.9dB；

（4）在2 600MHz频段2m距离的耦合损耗和主干损耗为70dB；

（5）宽度因子取定为20lg8/2=12dB；

（6）车体损耗取定为10dB（泄漏电缆挂高在与车窗平齐的位置，穿透损耗主要考虑穿透玻璃的情况）；

（7）瑞利衰落余量取定为7dB；

（8）POI插损取定为5.5dB；

（9）功分器插损取定为3dB。

根据以上参数取定进行链路预算，得出高铁沿线隧道中允许的泄漏电缆最大长度建议值如下：

（1）TD-LTE系统（F频段）：370m；

（2）TD-LTE系统（D频段）：230m。

3.3 系统仿真

对国内某条高速铁路的建设方案进行仿真验证，该铁路采取专网覆盖建设，覆盖发射点间距为500m，天线距铁轨距离为100m左右。对应以上的链路预算结果，此建设方案能满足TD-LTE的覆盖需求，并提供边缘速率上行500kbps、下行1Mbps的服务。

对此专网方案进行TD-LTE网络覆盖情况仿真，其结果如图1所示：

4 结束语

本文主要针对高速铁路TD-LTE网络覆盖进行研究，通过链路预算提出高速铁路部署TD-LTE网络时所需的站间距要求，并通过系统仿真，获得在此站间距范围内的铁路沿线RSRP、服务等级及吞吐量等规划数据，从而论证站间距建议的正确性。实践证明，本文提出的站间距要求以及仿真结果对高速铁路的TD-LTE网络规划建设具有指导意义。

参考文献：

[1] 梁寅明，潘峮，袁超，等. TDD-LTE移动通信系统高速铁路场景共存研究[J]. 广东通信技术， 2011（2）： 45-49.

[2] 3GPP TS 36.213 V10.2.0. Physical Layer Procedures[S]. 2011.

[3] 3GPP TS 36.212 V8.6.0. Multiplexing and Channel Coding[S]. 2009.

[4] 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.

[5] 王映民，孙韶辉. TD-LTE技术原理与系统设计[M]. 北京： 人民邮电出版社， 2010.endprint