广东南方电信规划咨询设计院有限公司 林 琳
2009年开启的高铁投资盛宴,时隔5年后再次迎来高潮。截止15年4月份,广东省运营时速超过200km/h的高速铁路有5条,包括了厦深高铁、武广高铁、广深港高铁、贵广高铁、南广高铁。在高速运行的环境下,多普勒效应、穿透损耗、小区选择及重选、呼叫与切换等将会有较高的要求。
目前国内使用的高速列车均为密闭式厢体设计,型号为CRH。车体损耗远远大于普通列车。同时不同类型的CRH列车,穿透损耗也不尽相同。
多普勒效应指由于波源和观察者之间有相对运动,使观察者感到频率变化的现象。在移动通信中,当移动台在高速运动中通信情况下,当移动台MS靠近基站时,MS接收到的频率会变大;而远离基站时,频率减小,这就是通信中的多普勒现象。
移动通信系统中涉及到小区选择、重选、呼叫和切换;处理以上问题需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等。而高速铁路相较于普通的应用场景,移动台MS移动速度快,导致一项流程从发起到完成(如切换、呼叫等),移动台MS所处的无线环境已经发生了很大的变化,这就相较于正常的通信增加了新的影响[1]。
如果按照现有的TD-LTE小区信号来对高速铁路进行覆盖,现网中的小区一般覆盖半径较小,一般在0.5km~1.5km之间,列车高速通过一个小区所需时间较短,按200km/h计算(55m/s),仅仅只需9s~27s,1分钟内手机平均切换次数达到2.2~6.6次,切换会很频繁。
同时现网中存在大量切换带比较窄的覆盖区域,特别是在密集城区,完成测量和判决后,移动台MS已经穿越至下一个小区或更下一个小区,无法完成小区选择、重选、呼叫和切换等流程,脱网、掉话的现象将大量存在,所以使用现有传统的TD-LTE网络进行覆盖时,切换成功率往往比较低。
针对该影响,可通过扩大单小区覆盖范围来降低切换次数、提高重叠覆盖区等方式组合应用来解决[2]。
由于高速铁路的运行的特殊环境,需要车体密封性极好,带来了信号的损耗高,使车厢内场强减弱,通信质量明显下降;同时由于列车运行速度较快,移动台在TD-LTE网络进行各种测量、判决、执行的过程中,无线环境已发生很大变化,因此产生网络的质量下降,主要体现:
(1)信号衰落严重,列车内场强弱;
(2)小区间重叠覆盖区域缩短,用户通话接通率低;
(3)质量差,切换频繁,掉话率高;
(4)位置更新频繁、量大,信令负荷重。
因此为保证乘客的通信畅通和通信质量,解决铁路提速后出现的接通率低和掉话等现象,需要对现有TD-LTE网络进行优化,优化解决方案可以设置独立的覆盖专网,并且使用小区合并技术,扩大单个小区的覆盖范围,延长小区的驻留时间;扩大切换带,增大相邻小区的重叠覆盖范围,进而提高网络质量,提升用户感知度。
高速铁路覆盖属于狭长地形场景,沿线通过存在环境多样、地形复杂、选址困难的问题,覆盖时采用分布式基站BBU+RRU方式;同时考虑线路内隧道及隧道外组网方便,多采用双通道RRU;该方式中的设备分为射频拉远单元(RRU)和基带处理单元(BBU)两个部分,并通过光缆进行连接,避免了信号的损耗。BBU采用集中放置,实现了基带池,基带资源能够充分的利用, RRU可以灵活地放置于铁路沿线位置,实现更好的覆盖,使用光缆与BBU进行连接,同时RRU之间可以级联,实现几个RRU归属于同一个小区。通过级联及小区合并,可实现物理上不同位置的RRU,逻辑上设置为同小区,使到达MS终端的信号为同一信号。将多小区合并,同时设置铁路覆盖专网,扩大了单小区的覆盖范围,可以大大减少切换次数,提高了通话质量。
LTE基站,每载波输出功率为30W,天线采用21dB高增益天线,LTE下行链路预算如下:
表1 链路预算表
具体如图1所示,为实现无线业务的连续性,我们需要合理的设置重叠覆盖区域,重叠覆盖区域过大过小都会影响覆盖的效果。重叠覆盖区域设计需要从两个方面进行考虑:过渡区域和切换判决区域。表2为不同速度下TD-LTE同频切换重叠覆盖区的大小。
图1 重叠覆盖带示意图
过渡区域A:从中心位置到信号满足切换电平迟滞需要的距离切换判决区域B:包含切换时间迟滞以及切换执行判决对应距离。
表2 TD-LTE切换所需重叠距离
表3 TD-LTE重选重叠覆盖区
本文针对TD-LTE网络高铁覆盖中存在的技术难点进行规划分析。对穿透损耗大、多普勒效应、小区选址、重选、呼叫及切换等问题进行分析。对多RRU小区合并、链路预算、重叠区覆盖等设置方式进行叙述,指导今后的覆盖规划工作。
[1] 张炎炎徐德平等.TD-LTE高铁覆盖方案研究[D].中国移动通信集团设计院第19届新技术论坛论文集
[2] 黄国晖吴昊.高铁隧道覆盖中的“POI+泄漏电缆”解决方案[J].中国新通信,2010,5.