浅谈LTE共小区技术在高铁通信中的应用

符新+徐一鸥+王浩年+王文成

【摘要】 中国移动即将在全国范围内开展TD-LTE网络二期工程部署工作，室外宏基站和室内基站规模进一步扩大。而高速铁路的覆盖作为各运营商形象的展示窗口工程是LTE覆盖的重要部分。高铁存在着覆盖损耗大，切换频繁，多普勒频移等技术难点，而在高铁中使用共小区技术来克服这些问题，是一个较好的解决方案。

【关键词】共小区技术 TD-LTE 高铁

一、概述

高速铁路的无线覆盖和传统网络覆盖有着极大的差异，首先对于每秒行驶距离80米以上的高铁列车，多普勒频移效应明显，频偏可能达到1KHz以上，如果缺乏有效的高速眵动算法来进行校正，高速引起的大频偏将导致接收机解调性能大幅下降，4G系统性能将严重恶化，甚至可能导致系统不能正常通信。其次，高速列车采用密闭式厢体设计，车体茅透损耗较大，如何在保证用户体验的情况下，通过选取合哩的站间距和覆盖重合区域，也是需要深入研究的课题。在传统大网的组网模式中，时速300KM/h的情况下用户将每10秒左右进行一次小区间切换，频繁的小区切换将极地大降低网络性能，高速行驶将导致小区变更频繁，严重影响用户体验。如何控制切换、选取合理的切换带也是摆在高铁覆盖上的一道难题。如果无法解决上述技术挑战，则无法保证高铁的无缝覆盖，从而造成用户速率下降，用户感知差等问题。 本文主要是针对高铁通信网络覆盖的关键技术进行研究，以解决高铁的4G覆盖问题。目的是在高速铁路4G覆盖区域，时速300KM/h的高速行驶的高铁车厢内，用户可享受更高时速的移动宽带体验。今后高铁乘客除了传统网页浏览、网上购物、SNS等数据业务外，更可以享受高清电话会议、高清视频点播、互动游戏等高带宽业务服务。

二、传统组网技术和LTE共小区组网技术分析

2.1 传统组网方式分析

高铁线路大部分路段呈线状分布，和通常的基站部署场景有着很大不同，一般铁路沿线的基站也需要呈线状分布。相应的，高速列车切换示意图如下图所示。由图可见，列车每经过一个小区，就要执行一次切换过程。结合高铁的运行速度，每隔lOs就要进行一次切换。

图：高速列车切换示意图（一）

图：高速列车切换示意图（二）

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。考虑单次切换时，重叠距离-2*（电平迟滞对立距离+周期上报距离+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200m考虑。 考虑到LTE要求车厢内覆盖电平一般不低于-113dBm，基于链路预算：城区F频段覆盖半径约500米，D频段覆盖半径约350米，郊区、农村F频段覆盖半径约600米。考虑重叠切换带问题，宏基站RRU间距如下：城区F频段800米，D频段400米，郊区、农村F频段约1000米。

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。若在无多RRU小区合并的情况下，假设列车以300km/h运行，则列车每12秒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。

2.2 共小区组网方式分析

LTE共小区组网技术简单来说即多个RRU覆盖区域合并为一个小区，扩大单小区覆盖范围，降低切换和重选次数。不同基站的射频模块采用相同的频率及参数设置，在逻辑上设置为同一小区。通过将相邻的射频模块设置为同一小区，可以有效避免传统覆盖方案中切换过于频繁的问题，同时可缓解小区间的干扰问题。共小区方案还可增加高铁专网单个小区的覆盖面积.不仅减少了专网的切换次数，提升了网络指标，还可以缓解部分铁路沿线基站选址困难，有效减少站点需求数，减少配套、土建等投资。LTE共小区组网方式单次通话切换次数估算：

LTE共小区组网方式覆盖距离估算估算（链路预算参数与传统方式相同，只是覆盖重叠区有所区别）：

采用RRU进行高铁覆盖的优点：

1）大幅度减少切换次数。

2）合理设计站间距，有效增强高铁覆盖。

3）大幅度降低在重叠区起呼的概率，从而提高起呼成功率。

4） RRU各位置组不同步发射功能，不但降低能耗、避免了时间色散，而且减轻了高铁专网对公网的频率影响。

三、共小区组网技术建设方案

3.1 宏基站建设方案

宏基站建设方案，每个物理站点配置两个两通道RRU，分别连接高增益双通道天线进行覆盖，多个物理站点之间进行小区合并，典型的小区合并能力为每三个物理站点（6个双通道RRU）合并为一个逻辑小区。BBU和RRU直接采用直连方式，在主站BBU和RRU采用单模尾纤连接，在拉远站，BBU和RRU通过主干光缆连接。随着技术的发展，个别厂家可以支持12个RRU共小区。

Sl配置BBU+RRU连接示意图

覆盖区设计的总体原则是在增强专网覆盖的同时，严格控制专网在铁路两侧的覆盖范围，避免对两侧非高铁用户和原有网络造成较大影响。

（1） RRU共小区采用功分后双向覆盖方式，更好的贴合铁路走向，提高覆盖效率;

（2） RRU共小区专网覆盖方式，由于铁路沿线选址困难，建议距铁路垂直100 - 300m，高度以高出铁轨10 -20m为宜，覆盖距离1- 1.2KM，既能满足覆盖要求，又必须严格控制对周边网络的影响;

（3）铁路平直路段且两侧建筑稀疏时，优先选择窄波束高增益天线;

（4）共小区的位置组之间由于不需要预留重叠覆盖区域，站间距可适当加大，小区间的站间距严格按照高速列车切换/重选的重叠覆盖区要求设计，并预留今后可能的提速对重叠覆盖区的扩展需求。endprint