TD-LTE高铁网络性能提升研究

□ 文崔新凯 王翔 赵辉 魏克敏

TD-LTE高铁网络性能提升研究

□ 文崔新凯 王翔 赵辉 魏克敏

一、引言

高铁网络质量是三大运营商的品牌形象，目前高铁TD-LTE网络目前面临覆盖、容量、用户体验以及竞争压力等几个方面的挑战，同时由于高铁具有行驶速度快、多普勒频移明显、切换频繁以及TD-LTE频段较高等几个方面的影响，加之VoLTE业务对覆盖电平值要求更高，高铁线路覆盖是移动运营商需要重点解决的网络难点之一。

二、高铁专网存在问题

高铁目前已基本完成TD-LTE网络的全线覆盖，但是随着4G客户快速发展、业务流量大幅增长，高铁专网容量受限已经成为当前突出的难点问题；另外，客户感知下降，尤其是数据业务体验劣于竞争对手，网络扩容需求迫切，下一步需重点解决的难题主要包括：

1、网络覆盖仍需完善

TD-LTE部分线路之前按照F频点进行的基站建设，现有站间距不能满足D频段连续覆盖，需要对站点进行调整优化；高铁沿线桥梁、隧道等场景较多，TD-LTE站址选择难度大，增加了建设难度和投资成本。

2、客户感知有待提升

因为高铁线路移动速度快，部分区域仍存在弱覆盖情况，部分路段VoLTE业务质量不能满足要求，需要进一步加强覆盖，提升数据业务用户体验。

3、容量压力

随着TD-LTE网络建设的完善、4G用户数的大幅增加，TD-LTE网络面临扩容压力。

4、竞争压力

电信、联通低频段优势明显，移动运营商要保障高铁用户数据和VoLTE业务双重感知，需要付出的投资成本较大，面临的竞争压力也较大。

三、新技术应用

（一）高速移动

高速移动技术是基站根据接收的上行信号频率进行频偏估计，然后在基带侧对频偏信号进行频率估计和频偏校正，提高上行信号解调性能。包括RACH检测、PUCCH检测、PUSCH检测等三项内容，目前此功能能够支持350km/h下的移动速度频偏估计及校正。其系统原理图见图1所示。

（二）小区合并技术

小区合并技术是指当列车高速移动在短时间内穿越多个小区的覆盖范围，引起频繁的小区间切换，通过小区合并技术将多个RRU组合成同一个逻辑小区，以有效减少小区之间的切换次数，增加单小区的覆盖距离。目前设备最大可选择12个2通道RRU合并，BBU到RRU的光纤拉远距离建议不超过10公里。其技术原理图如图2所示。

图1 高速移动技术系统原理图

由于高铁列车的穿透损耗大，为满足覆盖设计目标，单RRU覆盖范围不能太大，站间距平均600-1000米，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10秒左右将进行一次小区间切换，频繁的小区切换将增加切换失败和掉话概率，影响整体吞吐量，极大降低网络的性能。通过小区合并技术能减少切换次数，降低掉话率。

下面以某省高铁线路实际测试结论：

1、12RRU合并小区覆盖距离达到6km，相对6RRU合并，切换次数减少50%。300km/h切换时延70－80秒，用户感知明显优于宏网（全国ATU路测统计平均40-50秒切换一次）。

2、现网实测12RRU合并组网后整体下行平均速率由23.4Mbps提升到25.3Mbps,下行平均吞吐率提升8%。

3、现网实测12RRU合并组网后小区边缘性能改善明显，5M以下比例由3%提升为0%，10M以下比例由8%提升为1%。

4、12RRU合并组网可以有效提升单RRU覆盖半径，从而达到减少站点投资的目的。

（三）公网用户迁出功能

公网用户迁出功能是根据上行多普勒频移判断终端移动速度，利用高铁用户与非高铁用户收到的频偏值不同，判断出移动速度低的用户，周期性迁出到周边公网。对高铁沿线公网用户占用专网资源较多的专网小区，部署公网用户迁出功能。如下图3所示。

1、公网用户迁出效率与周边公网覆盖质量、高铁车速相关，不同场景下的迁出效率存在差异，整体效率在50%-90%之间。根据现网测试结果显示：车速大于120km/小时场景下，迁出效果较好，车站及低速区域迁出效果欠佳；城区、郊区等公网用户较多场景迁出效果明显，农村地区迁出效果欠佳。

2、补充D频段公网覆盖能够提升迁出效率，整体提升10-15个百分点。无D频段公网补充覆盖时，整体迁出效率在55%-70%之间；存在D频段公网补充覆盖时，整体迁出效率在65%-85%之间。

3、存在公网用户占用专网资源情况的站点，应部署公网用户迁出功能，对于公网覆盖弱、迁出比例低的站点，应利用专网站址部署D频段公网加强公网覆盖，提升迁出效率。

（四）4T4R覆盖增强

4T4R方案是在同一抱杆上新增一个RRU，与原有RRU双拼为一个4T4R方案，4T4R方案最大可提升3dB覆盖能力，站间距提升最大可达20%左右；但是4T4R技术大多数厂家需要新增硬件设备，并减少了小区合并的物理站点数，导致高铁线路切换次数增多，增大了掉话率。以下为国内某两条高铁线路的测试数据。

试点1：杭长高铁某段某两站点，站间距1.4km，改造前后增益明显，下载速率提升70%。

试点2：武广高铁某段某两站点，站间距离相隔1046米，地势平坦，站间距偏远、该路段存在弱覆盖。方案实施前RSRP值低于-105dbm的路段为300米左右，优化后RSRP值高于-100dbm，弱覆盖已解决。

图2 小区合并技术原理图

应用建议：对于不连续覆盖的区域，如果站间距不满足规划要求时，应首先进行天馈优化；如果仍不能实现连续覆盖，则考虑补点建设；在站址获取困难的情况下可考虑采用4T4R作为覆盖增强的补充手段，4T4R适合部署在地势平坦、天面视通，站间距不宜超过1km的场景。

（五）下行纠偏技术

下行预纠偏技术是基站侧根据上行数据的频偏量，对下行数据进行一定程度的小区级预纠偏，减少下行数据的最大频偏量。高铁下行预纠偏技术指在高铁小区合并组网场景下，在不同扇区的交叠区域，高速UE接收到的两个扇区信号间存在一正一反两个较大的多普勒频偏，需要采用预纠偏的方式来优化，即两相邻扇区分别进行相对纠偏，来减小频偏量。如下图4所示。

下行预纠偏功能主要针对高铁沿线，单抱杆单物理小区组网方式，基站通过选择信号差在一定范围内的用户频偏计算出下行纠偏量，进行优化，达到减小性能损失的目的。通过下行预纠偏技术可有效避免存量高通旧版本芯片终端（如Iphone5s/6/6plus）频偏跟踪能力较差（F频段时速超过250km/小时）导致的4G脱网问题，并提升用户下行速率。当前下行纠偏主要依赖终端进行，而终端支持能力存在一定纠偏范围。高铁场景下，由于快速移动带来的多普勒频移效应，当用户处于抱杆中心位置时，会同时跟踪来自两个扇区设备的正负两个频偏，当纠偏量超出终端纠偏范围后，容易导致纠偏失灵，影响终端下行解调，甚至还会导致脱网。

通过岳阳到长沙段武广高铁实际测试验证，高铁下行预纠偏技术提升小区拉网平均吞吐量超过12%，同时专网KPI指标整体有所改善，用户体验和网络指标均得到提升。

（六）高铁专网扩容

当前，随着4G网络的快速发展以及乘坐高铁出行成为人们的第一选择，容量受限逐渐成为高铁业务感知下降的突出问题，因此解决好专网扩容是专网性能提升的重要措施。由于高速移动和专有频率特性，因此针对高铁专网的扩容方案，首先从高铁业务的特点进行分析：

1、高铁专网业务需求为脉冲式需求。

高铁场景业务模型以小包业务为主；每个小区只在过车的时间有用户，其他时间基本无用户或为公网驻留专网用户；网管统计的平均值无法真正反映小区用户高峰时小区利用率情况；秒级监控数据只能统计RRC连接数、RB使用数等个别数据，且在统计小区数量上有限制，同时最多同时统计10个小区，无法做到全程全网的监控。

图3 公网用户迁出功能原理图

图4 下行纠偏技术原理图

2、高铁专网用户空间集中度高。

根据高铁的行车距离，同方向不会有两列高铁驻留同一小区，小区最大用户数为两列高铁错车的情况；车内所有用户同时驻留在同一个小区，高铁用户始终处在小区用户数最多的时刻，高铁专网要按照过车时刻的情况考虑高铁容量需求。

3、从前面的高铁业务特点分析可以得出以下结论：高铁扩容须以列车过车时刻的需求考虑容量；衡量高铁专网利用率的指标明确为“过车时刻小区忙时RRC连接平均数”，取值方法为使用连续7天小区自忙时均值。

4、根据多次测试验证，最终确定高铁扩容标准如下：高铁线路专网应根据忙时平均RRC连接数、所在线路的客流量等因素，兼顾投资效益进行扩容。忙时平均RRC连接数指在网管自忙时对应时段内，小区秒级监控数据中过车时刻RRC连接数的平均值，与列车人数、终端渗透率等因素有关。当每小区忙时平均RRC连接数大于250而小于500时，可考虑扩容为双载频；当每小区忙时平均RRC连接数大于500时，可考虑扩容为三载频。各条高铁线路扩容时还需要兼顾年客运量等指标，对于年客运量小于1000万人次的线路，原则上应以单载频覆盖为主，暂不扩容。

（七）专网叠加D频段

根据高铁专网的扩容要求和扩容标准，当业务负荷达到扩容门限时，可启动专网叠加D频段方案。由于现网高铁线路多为基于F频段连续覆盖而设计的站点间距，因此叠加D频段时首先要考虑是否满足D频段连续性覆盖。

1、D频段不连续覆盖的影响。

由于D频段覆盖距离小于F频段，如果在按照F频段连续覆盖规划的站址上直接部署D频段，将不能保证D频段连续覆盖，会造成：切换次数大量增加，影响用户业务感知：从高铁实测数据来看，在小区切换位置，流量有明显下降，影响整体吞吐量；VoLTE业务切换一次MOS分损失约0.44分；高铁专区切换成功率低，影响网络质量。

2、D频段部署建议。

应尽量实现D频段的连续覆盖，并做好小区合并，减少切换次数。VoLTE优先承载在F频段，D频段主要承载数据业务。对于部署D频段，解决公网用户占用专网，造成部分高铁专网小区容量过高的问题：可进行D频段非连续的热点小区覆盖；通过公网用户迁出等功能使公网用户优先驻留在D频段，让出F频段资源给高铁用户。优化高铁专网的切换参数设置，提升高铁专网的切换成功率。

3、D频段扩容后分流效果不佳应对策略部分线路多载波扩容后第二载波分流效果不理想：从京沪、京广两个小区的监控情况看出，第二载波用户数很少，需要精细优化参数，保证负载均衡；在弱覆盖区域D频段用户切换到F频段，使得高铁用户主要承载在F频段，也会造成扩容效果不理想。合理优化负载均衡相关参数保证F、D的负载均衡。通过补充站点、增强覆盖方案等保证D频段连续覆盖。

四、结束语

受FDD牌照的影响，移动运营商目前只能选用F/D频段建设高铁网络，高频带来的问题就是连续覆盖需要更多的基站数和切换次数频繁，同时增加了掉话率和切换失败率，为了保持竞争优势，未来几年，移动运营商需要加大新技术的应用力度，加快新设备的部署，加强网络优化，早安排、早行动，按期完成新建高铁线路的覆盖，科学组织已覆盖高铁线路的4G专网扩容，用足频率资源，加强公网与专网协同优化，确保客户感知、支撑未来业务发展、形成竞争优势。■

（作者单位：中国移动通信集团设计院有限公司，主要研究方向为无线网络技术和物联网应用。）

［1］刘方森，李寿鹏，李方村. TD-LTE高铁覆盖方案研究与测试. 《电信工程技术与标准化》2015年第2期.