高铁环境下的LTE网络优化研究

程楠，王西点，王磊（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）



高铁环境下的LTE网络优化研究

程楠，王西点，王磊
（中国移动通信集团设计院有限公司，北京 100080）

摘要在高铁场景下，由于信道变化速度较快，其上行信道先验估计不是很准确，因此DRX，频选调度，半静态调度等功能需要在高速场景关闭，同时需要对移动性相关参数、同步参数、传输模式参数、前导码参数等进行特殊的设置，并且高铁场景需要做好专网建设，有针对性的设置专网与公网之间的单向邻区，以保证用户的感知。

关键词高铁；DRX；TAT；preamble

1　高铁环境分析

在高铁环境中，由于移动体周围有许多散射、反射和折射体，引起LTE信号的多径传输，使到达的信号之间相互叠加，合成的信号幅度快速的起伏变化，由于高铁用户与基站的相对运动，每个多径波都会有一个明显的频率移动。由运动引起的接收信号频率的移动称为多普勒频移fD，它与移动用户的运动速度成正比，如下式所示。

其中v为移动台的运动速度； λ为无线电波长； θ为电波和移动台运动的夹角。 在F频段，及D频段，fD=车速/波长＝车速×fF/D/3。而对于高铁这种情况，下行频偏是fd，上行频偏是2倍的fd频偏。对于LTE系统，取典型参数估算如下，可见，在高铁场景下，符号时长都是小于相干时间，即一个符号时间内，没有经历快衰落，而子帧长度1 ms时间范围内，300 km/h的速度下，就会经历快衰落。如表1所示。

表1　高铁场景下LTE网络是否经历快衰

在高速移动中去跟踪快衰落是很困难的，这是测量的延迟，系统调度指令和处理的延迟所致，目前许多厂家都采用了高速频率估计和补偿算法，可以将频偏带来的大尺度衰落降至最低，在高速状态下频偏值为1 500 Hz时，性能损失仅为0.2 dB左右，影响较小。

因此，在高速场景下，如果采用了频偏估计和补充技术，可以主要关注上行信道先验信息不准带来的问题。

2　LTE参数设置研究

高铁环境下，由于信道变化速度较快，其上行信道先验估计不是很准确，因此许多功能需要在高速场景中关闭，比如：

（1）建议关闭半静态调度和频选调度：高速场景由于信道变化太快，无法保证半静态调度及频选调度的性能，需要关闭。

（2）建议关闭DRX：由于信道质量变化过快，导致基站与UE的DRX状态不一致，会对调度产生影响，建议关闭DRX。

（3）建议配置CQI和ACK不同时发送：由于高速小区信道变化太快，CQI和ACK同时解调性能较差，建议配置CQI和ACK不同时发送。

同时，对于高铁场景，还需要对移动状态参数、重选参数、切换参数、传输模式、Time Alignment Timer参数，Preamble随机接入前导码的分配等进行特殊配置，下面将进行详细说明。

2.1移动状态参数设置分析

对于高铁的场景，常采用多CP合并的超级小区技术，以减少用户在列车运行过程中的切换和重选次数，简化小区间干扰情况，提升小区上下行吞吐量，而多CP技术对移动状态参数有所影响。

按照协议分析，中速移动状态是在持续时间TCRmax内，NCR_M<小区重选的数目<=NCR_H，高速移动状态是在持续时间TCRmax内，小区重选的数目>NCR_H，即NCR_H>NCR_M，而部分厂家实现NCR_H可以等于NCR_M，即不区分中、高速。

目前京沪高铁主要采用的是12RRU合并的方式，小区覆盖范围主要为6km左右，主要承载动车和高铁，除了停站的状态，动车的车速是200～250 km/h，高铁是300 km/h，则在TCRmax时间内小区重选的个数如表2所示。

表2　移动速度与小区重选数目的关系

在这种情况下，若按照协议NCR_H> NCR_M的设置，NCR_M只能设置为1，NCR_H只能设置为2，但在TCRmax设置为180 s时，将会出现其时间范围内小区重选的个数为0，将200 km/h的高速移动误判为静止或者是中速移动，在TCRmax设置为240 s时，将会200 km/h的高速移动误判为中速移动。因此在NCR_H> NCR_M的设置情况下，建议关闭速度选择。

如果按照NCR_H可以等于NCR_M的设置，则需设置NCR_H=NCR_M=1，参数设置基本固定。

从以上分析可以看出，对于带有超级小区的高铁场景，特别是12RRU合并的这种情况，移动状态参数的设置比较有限，而协议规定SIB3下发的速度状态是可选项，可关闭速度选择，如果需要设置速度状态参数，则建议TCRmax=240 s，在NCR_H必须大于NCR_M的情况下，设置NCR_H=2，NCR_M=1；在NCR_H可以等于NCR_M的情况下，设置NCR_H=1，NCR_ M=1。

2.2LTE网络随机接入参数设置分析

LTE终端根据网络SIB2下发的根索引序列(rootSequenceIndex，对应Nzc）、零相关配置（zeroCorrelationZoneConfig，对应Nzc）和高速标识（High Speed Flag）生成的Preamble序列，Preamble序列生成如下：

xu，v(n) =xu((n+Cv)modNzc）

其中xu是第u个Zadoff-Chu序列的产生算法，Cv是生成Preamble序列的循环移位，Nzc是随机接入前导序列长度。

用于生成Preamble序列的循环移位Cv计算公式如下：

限制集（Restricted Sets）对应高速小区，非限制集（Unrestricted Sets）对应非高速小区，根据高速标识（High Speed Flag）的不同，Cv的取值不同。

高速场景使用限制集的Cv的计算取决于du的取值，协议中规定du有3个取值范围，在NCS≤du

如果du落入其他取值范围，限制集Preamble序列生成方式的正确理解应为：使用du落在NCS≤du< NZC/3、NZC/3≤du≤(NZC-NCS)/2取值范围内的物理根序号u生成的Preamble序列，如果du落入其他取值范围，则跳过这个逻辑根序号，顺序查找下一个根序号，直到du落入NCS≤du

现阶段，建议网络侧优先考虑参数配置，如表3所示，以避免落入终端和网络对协议理解不一致而造成随机接入失败问题。

为确保网络设备兼容两种终端，highSpeedFlag 为True的小区需根据小区随机接入前导格式及小区半径选择合适的rootSequenceIndex（对应NZC）和zeroCorrelationZoneConfig（对应NZC），并规避部分逻辑根序列，同时需要保证同频组网的高铁网络和相邻公网小区的逻辑根序列不重叠。

表3　高速场景下随机接入参数设置建议

2.3移动性参数设置分析

高铁场景下，由于终端移动速度很快，可达到350 km/h，重选及切换参数需要进行优化，并且需要合理设置重叠覆盖区，加速切换，避免用户在源小区因切换不及时而掉线，由于在高铁场景下，移动方向性相对确定，因此可以采用相对比较激进的时延参数。但对于站台等静止或车速较低的地方，切换参数不用过于灵敏，以防乒乓切换。

建议铁路沿线地区优化重选参数，降低质量差（q-Offset+q-Hyst）门限，减小Treselection，合理设置重叠覆盖区，保证小区重选成功率；同时，铁路沿线地区需优化切换参数，降低质量差（q-Offset + Hysteresis）门限， 例如达到2 dB或者更小， 就允许切换，缩短切换时延（例如Timertotrigger为128 ms或者更小），重叠区满足一次切换的需要（例如200 m）；而站台等静止或车速较低的地方可与公网保持一致。

2.4 高铁场景的传输模式选择

由于信道变化太快，估计的波束赋形权值不能反应当时的信道条件，波束赋形性能无增益，不建议支持波束赋形特性。而TM3是比较适合高速场景的传输模式，由表4某高铁沿线的测试数据看，TM3的测试结果要好于TM2，建议采用TM3模式。

表4　高铁场景TM2和TM3的效果对比

2.5Time Alignment Timer参数设置分析

LTE网络中，Time Alignment Timer为UE上行时间对齐的定时器长度，用于控制UE认为上行同步的时间长度，LTE中的时间提前量的步长为16个抽样点，即16个抽样点带来的时延误差可以接受，抽样点间隔为Ts=1/(15 000×2 048)，对应于156 m。

若高铁速度计算350 km/h，按照TAT可配置数值，若TAT设置为sf1280，用户移动距离124 m，若TAT设置为sf1920，用户移动距离187 m，因此，为保证用户不要超过156 m的时延误差，保证上行定时性能，网络侧假设UE保持同步的持续时长不宜超过1 280 ms。

3　异系统互操作建议

由于高铁用户移动速度过快，因此LTE公网很难满足用户的切换需求，高铁区域的重叠覆盖带的设计如图1所示，高铁区域的切换重叠覆盖带需要足够长以满足高速用户切换的需求。

图1　高铁区域的重叠覆盖带设计

A区域为邻区强度达到切换门限所需距离，B区域为满足切换事件至切换完成所需距离。如果LTE专网与公网采用异频组网，两个频段采用相同的优先级，切换采用A3事件，则对于用户从LTE公网切到LTE高铁专网的情况，涉及参数包括A3-Offset，Hysteresis，Time-to-Trigger，OffsetFreq，假设A3-Offset+Hysteresis=3 dB，Time-to-Trigger=320 ms，OffsetFreq=0（目前的常用设置）。则切换重叠覆盖带的距离如表5所示。

表5　高铁LTE专网与LTE公网的重叠覆盖带距离需求

从表5可以看出，重叠覆盖带较长，若加上一定的富裕度，LTE专网与LTE公网的切换带需达到200～300 m，而LTE公网在郊区的站间距大概700 m左右（某市统计数据），一个小区的覆盖半径350 m左右，因此，公网小区与公网小区的切换带基本上达不到需求，并且由于列车的损耗很高，可达25～30 dB，在公网小区的设计需求下，很难达到高铁的覆盖需求。

同理，对于TD-SCDMA网络，F频段传播模型差别不大，而切换迟滞为2 dB～3 dB，Timetotrigger为640 ms或1 280 ms，对于高铁环境下，TD-SCDMA公网如要支撑高铁用户，TD-SCDMA的切换区域需要达到300～400 m，目前的TDS网络覆盖也基本上达不到高铁的需求。

4　高铁场景邻区设置建议

从以上分析可以看出，高铁场景首先需要做好专网建设，同时，还需要解决公网用户竞争高铁用户资源，导致高铁用户资源难以保证问题，即需要设置单向邻区。

因此，高铁场景的互操作场景建议如下：

（1）存在3G专网：农村沿线（沿线没有用户分布）场景下高铁专网与3G专网互配邻区；城区沿线（沿线有用户分布）场景下高铁专网与3G专网互配邻区；车站场景下高铁专网与3G专网互配邻区。

（2）存在2G专网：农村沿线（沿线没有用户分布）场景下高铁专网与2G专网互配邻区；城区沿线（沿线有用户分布）场景下高铁专网与2G专网互配邻区；车站场景下高铁专网与2G专网互配邻区。

（3）存在2G公网：农村沿线（沿线没有用户分布）场景下高铁专网与2G公网互配邻区，保证CSFB；城区沿线（沿线有用户分布）场景下高铁专网与2G公网互配邻区，保证CSFB；车站场景下高铁专网与2G专网互配邻区。

（4）存在3G公网：农村沿线（沿线没有用户分布）场景下高铁专网与3G公网不配邻区；城区沿线（沿线有用户分布）场景下4G专网配置3G公网的单向邻区，切换的触发时间尽量长，以防止专网用户切到公网上，以避免由于切换不及时造成掉线的可能，同时可以让误入专网的用户切出专网。3G公网不用配置4G专网，以防止公网用户切到专网；车站场景下高铁专网与3G公网互配邻区，4G向3G切换的触发时间适当延长，防止不停站的用户切到公网，以避免由于切换不及时造成掉线的可能。

（5）存在4G公网：农村沿线（沿线没有用户分布）场景下高铁专网与4G公网不配邻区；城区沿线（沿线有用户分布）场景下4G专网配置4G公网的单向邻区，切换的触发时间尽量长，以防止专网用户切到公网上，以避免由于切换不及时造成掉线的可能，同时可以让误入专网的用户切出专网。4G公网不用配置4G专网，以防止公网用户切到专网；车站场景下高铁专网与4G公网互配邻区，4G专向4G公切换的触发时间适当延长，防止不停站的用户切到公网，以避免由于切换不及时造成掉线的可能。

5　总结

在高铁场景下，由于信道变化速度较快，其上行信道先验估计不是很准确，因此DRX，频选调度，半静态调度等功能需要在高速场景关闭，同时需要对移动性相关参数，同步参数，传输模式参数，前导码参数等进行特殊的设置，并且高铁场景需要做好专网建设，有针对性的设置专网与公网之间的单向邻区，以保证用户的感知。

参考文献

[1]3GPP TSG RAN WG1 R1-080190.Embedding ACK/NAK in CQI Reference Signals and Receiver Structures[S].

[2]3GPP TS 36.304.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)[S].UE Procedures in Idle Mode.

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[4]3GPP TS 36.213.Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA)[S].Physical layer procedures.

Research on LTE network optimization in high-speed rail environment

CHENG Nan, WANG Xi-dian, WANG Lei
(China Mobile Group Design Institute Co., Ltd., Beijing 100080, China)

AbstractIn the high-speed rail scenario, due to the fast channel variation speed, the uplink channel evaluation is not very accurate.Therefore, some functions, such as DRX, frequency selective scheduling need to be closed, and mobility related parameters, synchronization parameters, transmission mode parameters and preamble parameters should be set reasonably in high speed environment.Meanwhile, the adjacent cells should be allocated suitably to guarantee the user's perception.

Keywordshigh-speed rail scenario; DRX; TAT; preamble

收稿日期：2015-06-29

中图分类号TN929.5

文献标识码A

文章编号1008-5599（2016）03-0020-05