TD-LTE网络丘陵地带高速铁路覆盖研究

胡东

（广州杰赛科技股份有限公司，重庆 400000）

TD-LTE网络丘陵地带高速铁路覆盖研究

胡东

（广州杰赛科技股份有限公司，重庆 400000）

通过研究TD-LTE的组网方式、高速移动、链路预算、切换重叠带预算、小区合并等因素对设计的影响，从而制定出组网方式、站间距设置、站址设置、设备配置等相关方案并实践。研究表明，尽管各系统整体思路会有相近之处，但TD-LTE网络丘陵地带高速铁路覆盖对各项条件要求更高。

TD-LTE 丘陵地带 高速铁路覆盖

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.20.005

1 引言

TD-LTE作为我国主导的新一代移动通信国际技术标准，是TD-SCDMA标准的继承和发展演进。随着高铁近年来迅猛发展，高速铁路用户的业务需求将会不断增强，同时高速铁路覆盖具备显著的技术特性，因此有必要针对高速铁路进行专项覆盖，以提升4G网络的用户体验。

2 设计分析

2.1 组网方式

组网方式分为公网组网和专网组网，具体如表1所示。

2.2 高速移动对性能影响

高速铁路运行时速都在200km以上。而高速移动引起的最显著的效应就是多普勒频移及频繁切换，这对于高铁网络建设是一个极大的挑战。

所谓多普勒效应，就是列车高速运动将会导致接收端的接收信号频率发生变化。频率的变化将降低接收机的解调性能，解调效果与系统及终端侧设备性能有关。

表1 组网方式对比

2.3 高铁车体损耗

高速铁路列车穿透损耗约为28dB（F频段），远高于普通列车损耗。不同的入射角对穿透损耗也会产生影响，建议高速铁路列车穿透损耗取值为28dB（F频段）和30dB（D频段）。具体如表2所示：

表2 高铁车厢2GHz下的损耗值

据测试，随着入射角变小，穿透损耗会不断增加。为避免过小的入射角，基站与轨道距离建议不小于100m。入射角与穿透损耗关系示意图如图1所示：

图1 入射角与穿透损耗关系示意图

2.4 链路预算

对于宏基站，链路预算如表3所示：

表3 典型场景及频段链路预算

对于隧道覆盖，链路预算如表4所示：

表4 泄漏电缆链路预算

2.5 切换重叠带预算

合理的重叠覆盖区域规划是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小则会导致切换失败，过大则会增加站间距，因此高铁覆盖规划中要合理设计重叠覆盖区域。重叠距离计算公式如下：

其中，各设备厂家切换相关时间参数略有不同。

切换示意图如图2所示：

图2 切换示意图

时速与切换距离对应表如表5所示：

表5 时速与切换距离对应表

2.6 小区合并

从高铁相关实测数据来看，在小区切换位置流量有明显下降，影响整体吞吐量，可采用小区合并技术来有效减少切换，以降低同频干扰。

2.7 频率配置

考虑F频段覆盖能力优于D频段，可降低站址数量，优先采用F频段部署；高铁专网频段应尽量与高铁沿线公网异频组网，尤其是在干扰复杂的城区。

2.8 TA设置原则

（1）高铁路线上应尽量扩大TA（Tracking Area，跟踪区）范围，减少大量用户跨TA带来的TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）信令冲击；

（2）TA边界应规划于低速地带，延长预留给系统处理TAU的时间；

（3）为保证CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）性能，TA划分应与GSM高铁专网的LA划分协同。

3 建设方案

3.1 组网方式

通过上文对2种组网方式的比较分析，采取专网为主、公网为辅的方式，实现对高铁线路区域的覆盖，可综合2种方式的优点。专网信号在高铁线路区域的主导覆盖是专网与公网协同的基础要求。利用单双向邻区关系，过渡带小区设置，基于频率优先级的重选与切换，区分高、低速用户的切换等手段可以实现良好的专网、公网协同覆盖。

3.2 站间距设置

根据上文的链路预算，结合不同场景、不同车型以及不同频段，可以得出表6所示的站间距：

表6 站间距设置汇总

3.3 站址设置

（1）对于城区内路段，应结合GSM高铁覆盖站点情况，采取共用+新建补充站点进行建设；

（2）为减小多普勒频移的影响以及避免“塔下黑”问题，站点离铁路垂直距离建议为100m~300m；

（3）天线挂高应考虑铁轨高度，需高出铁轨至少10m~20m，保证天线与轨面视通；

（4）应结合工程条件优先将站点交错部署在铁路两侧，有利于信号的均匀分布，对于弯路区域则优先将站点设置在弯道内侧。

3.4 主设备及天线配置

（1）单小区配置与站型配置主要受到主设备支持能力及光纤资源的限制，站型配置应优先保证多个RRU小区合并，从而降低跨小区切换数量；

（2）站型配置应在满足小区合并要求的基础上，优先采用高集成度的配置方案；

（3）软件要求支持双通道RRU级联、6个RRU的小区合并、高速移动功能；

（4）天线原则上使用高增益窄波瓣双通道天线（支持F频段、D频段）。

3.5 宏蜂窝基站站型配置

本期工程以覆盖为主，宏基站配置以S1、S11为主，单载波带宽建议为20MHz。

3.6 频率配置

（1）市区内高铁路段：根据区域内频率整体策略选用F或D频段组网，优先与区域内公网采用异频组网方式；

（2）郊区、农村高铁路段：使用F频段组网；

（3）隧道场景：采用泄漏电缆或室内分布系统方式覆盖，使用F频段组网；

（4）车站覆盖：优先使用E频段组网。

3.7 TA设置方案

（1）以地市为单位划分高铁专网TA；

（2）TA边界尽量设置在车站附近等低速运行地带；

（3）参照高铁GSM专网的LA进行TA划分，TA边界不能跨MSC POOL；

（4）在MSC POOL边界，应严格保证TA和LA在同区域的对应关系，从而保证无线边缘对齐，避免寻呼失败；

（5）为便于网络管理，应避免TA跨厂家设置。

3.8 隧道覆盖

火车隧道相对于高速公路隧道，当列车通过时内部空隙狭小，若采用天线覆盖，则入射角小，列车填充效应明显，列车穿透损耗增大，从而影响覆盖效果，并且隧道内部环境实施环境差，安装天线比较困难。而若采用泄漏电缆，由于整条电缆平行于隧道，且信号馈口可以处于列车窗口高度，信号可均匀覆盖整条隧道，入射角大，因此可以有效避免使用天线覆盖时产生的问题。综上所述，隧道内部采用泄漏电缆更加理想。

为保证隧道与室外信号平滑过渡，一般在隧道口安装RRU搭配高增益窄波瓣板状天线对隧道口外进行覆盖。

4 实际应用

4.1 高铁概况

遂渝铁路是中国西部首条高速铁路，设计时速250km，全长190km，其中重庆境内约148km，隧道长度约72km，隧洞82个，最长隧洞约5km。遂渝线隧洞总体较多，长隧道占较大比例，隧道对整个铁路覆盖效果的影响较大。

4.2 工程规模

本工程共包括宏蜂窝基站141个，其中利旧2G站址基站45个，新选站址96个，共站率为31.91%，隧道覆盖共使用259个RRU。本工程宏站及隧道分布系统共配置S1站点28个，S11站点49个，新增载波126个。

4.3 典型场景

图3为一段完整的铁路覆盖示意图，其中包含了连续宏站覆盖、跨江覆盖、隧道口覆盖、短隧道覆盖、短隧道群覆盖以及长隧道多种典型场景示例。

（1）连续宏站覆盖

该项目规划时，主设备支持能力较弱。对于宏站，为尽量减少切换次数，按照BBU+RRU的典型组网单元为1个BBU+4个双通道RRU进行组网，“北碚先锋村”与“先锋村拉远二”这2个站点合并为同一小区，上端机房为先锋村，两站站间距约为500m。

（2）隧道口覆盖

为使隧道口与隧道外信号平滑过渡，专门设计了高增益的室外覆盖板状天线安装于隧道口附近，并且尽量与隧道口附近宏站合并小区，以避免隧道口发生切换。如图3所示，LTE127与干坝子隧道口，LTE127站的2个RRU与干坝子隧道中左侧4个RRU同属一个小区，干坝子隧道中右侧1个RRU与LTE126站单扇区等同属另一个小区；两小区切换带设置于干坝子隧道内。

（3）跨江覆盖

由于江面信号一般比较杂乱，也是网络优化的难点，所以在设计时应尽量避免切换发生在过江带。为此，干坝子隧道右侧隧道口与桐子浩隧道左侧隧道口合并为同一小区。两隧道口之间江面宽度约为1km，两隧道口RRU因站轨距较小，覆盖1km预计比较困难，故在桐子浩隧道口附近、站轨距约100m之处增加LTE126单扇区，增加桐子浩隧道口一侧覆盖距离，以提高江面覆盖的连续性。

（4）短隧道覆盖

为保证隧道覆盖，避免列车隧道内的填充效应，未采用隧道天线或者室外信号进行覆盖，本项目隧道覆盖全部采用泄漏电缆覆盖。隧道口一般专门采用室外窄波瓣高增益天线与RRU搭配的方式对隧道口外进行覆盖，以增加隧道口信号的连续性。如桐子浩隧道长约233m，单小区即可完成该隧道覆盖。

（5）隧道群覆盖

图3 遂渝铁路组网示意图

对于隧道口间距为500m以内的连续隧道群，在短隧道覆盖的基础上，需考虑单小区容纳RRU数量，超过单小区容纳RRU数量之处则需设置切换点。因隧道口隧道内信号相对纯净，又垂直于窗口进入列车，辐射夹角最大，更加利于不同小区信号的切换稳定，故切换点应尽量设置于隧道内而避免在隧道口。如图3中的刘家沟隧道与西山坪隧道（多于2个隧道的连续隧道群同理，以此类推），隧道口间距只有120m，在保证两隧道口同一小区后，隧道内还有其它RRU因同小区只能容纳6个单通道RRU的设备能力，无法与隧道口RRU共小区，所以在西山坪隧道内设置切换区。

（6）长隧道覆盖

隧道内RRU安装间距约为500m，且两个RRU之间通过泄漏电缆连通，即不同小区的两个信号可以在同一根泄漏电缆中同时传播，从而实现了重叠覆盖区。根据上文关于泄漏电缆传播模型的论述可知，间距500m的RRU的分布距离可以满足单边覆盖距离以及重叠覆盖区的要求，而且隧道内信号相对纯净，又垂直于窗口进入列车，辐射夹角最大，更加利于不同小区信号的切换稳定。对于长度超过单小区6个单通道RRU覆盖的长隧道，隧道内切换则不可避免，如新西山坪隧道。在满足两侧隧道口覆盖要求后，隧道内剩余RRU组成同一小区，在隧道内将发生两次切换。需要特别说明的是，西山坪隧道和新西山坪隧道为遂渝铁路双向单轨的运行隧道，且同侧的两隧道口相距约为10m，为保证两隧道口信号的纯净，故两隧道口RRU设计为同一小区。

（7）设备配置

从图3中可以发现，标注“上端：先锋村”的小区有5个，即有5个小区的设备安装于基站“先锋村”机房内。由于本项目采用的是S1和S11这2种BBU，因此在先锋村基站机房内将安装3台BBU，即1台配置为S1和2台配置为S11的BBU，从而节省了因BBU安装于不同机房的相关资源。

5 结束语

随着技术的更新换代，主设备单小区支持RRU数量将大幅增加，从而切换带会大大减少，但同时从安全角度考虑，若同一机房拉远过多设备，一旦发生事故，影响也会过大，所以切换和安全两者需综合考虑。目前铁路覆盖，特别是丘陵地带TD-LTE系统铁路覆盖还是一个新课题，需在实践中不断总结经验和不足，本项目的设计为我国山地高速铁路覆盖提供了参考。

[1] 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.

[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.

[3] 啜钢,王文博,常永宇,等. 移动通信原理与系统[M]. 2版.北京: 北京邮电大学出版社, 2009.

[4] 唐飞雄. 高速铁路TD-LTE网络覆盖关键问题探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2013(7): 45-48.

[5] 张强. 高 速铁路TD-LTE网络覆盖规划探讨[J]. 移动通信, 2014(S1): 243-245.

[6] 中国移动通信集团设计院有限公司. 4G网络高速铁路建设方案[Z]. 2014.

[7] 杨亮亮. TD-LTE高速铁路覆盖方案[J]. 中兴通讯技术,2013(6): 26-27.

[8] 李丹,庄宏成. 高速铁路3G及TD-LTE移动通信关键问题研究综述[J]. 计算机应用研究, 2013,30(5): 1297-1302.

[9] 周铁建,常贺. TD-LTE高铁覆盖优化方法探讨[J]. 电信工程技术与标准化, 2014(1): 16-20.

Researches on TD-LTE High-Speed Railway Coverage in Hilly Area

HU Dong

(GCI Science & Technology Co., Ltd., Chongqing 400000, China)

Impacts of TD-LTE’s networking mode, high-speed movement, link budget, handover overlapped zone budget and cell combination on design were researched and corresponding solutions to networking mode, inter-site spacing and equipment configuration were drawn up and practiced. Research demonstrates that albeit similarity being common to variant systems, TD-LTE high-speed railway coverage in hilly area requires highly strict conditions.

TD-LTE hilly area high-speed railway coverage

TN929.5

A

1006-1010(2015)20-0024-06

胡东. TD-LTE网络丘陵地带高速铁路覆盖研究[J]. 移动通信, 2015,39(20): 24-29.

2015-10-10

袁婷 yuanting@mbcom.cn

胡东：中级工程师，学士毕业于北京广播学院（现中国传媒大学），现任广州杰赛科技股份有限公司通信规划设计院西南分院无线单项负责人，从事无线网络规划和设计工作。