高铁LTE专网多频组网优化策略研究

赵洪伟，李 玲（.中国移动通信集团河北有限公司邯郸分公司，河北邯郸056000；.邯郸学院软件学院，河北邯郸056003）

0 引言

高铁LTE专网主要用于对高铁线路进行覆盖，目标用户群体为高铁乘客［1］。高铁LTE专网建设初期，高铁运行车次较少，且4G用户数量较少，采用单F频段进行组网即可满足数据业务覆盖及容量的需求［2］。但随着4G用户的快速增长及选择高铁出行人群的增多，单F组网的容量受限问题愈加突显，用户速率感知变差。

根据2016年1—6月份京广高铁某段沿线小区RRC连接最大用户数变化情况，高铁用户增长率在6%左右，且2016年6月份小区RRC连接最大用户数已达到400左右，已严重影响了客户感知［3］。为此，本文从提升客户速率感知的角度出发，提出进行TDD制式F+D双频段组网优化并叠加FDD制式进行融合组网优化的策略。

1 高铁F+D双频组网优化

高铁4G网络建设初期，4G用户相对较少，单F频段升级建设相对快速，部署方便，初期投资成本低，并且能够很好地发挥F频段的覆盖优势，保证高铁线路的连续覆盖。但是随着高铁用户的增加，单F频段组网已无法满足日益增长的用户需求。为此，提出采用F+D双频组网［4］方式解决高铁容量问题，新增D频段频谱宽，扩展性较强，而且后续扩容只需要软件升级即可，比较便捷，可以满足用户数量的长期增长需求，同时能够极大地分担F频段的用户，使业务达到均衡，提升高铁用户的吞吐率。下文对双频网主要优化措施进行说明。

1.1 参数策略优化

1.1.1 邻区策略

采用“日”字形邻区配置，以提升高铁4G用户群感知为目的，简化高铁邻区关系，提高邻区测量精确性和可靠性［5］，如图1所示。

图1 邻区配置策略示意图

a）小区内：F和D小区添加双向邻区关系，开启负载均衡切换。

b）小区间：F小区添加双向邻区关系，开启基于覆盖的A3切换。

c）小区间：D小区添加双向邻区关系，开启基于覆盖的A3切换。

d）小区间：F和D小区互不添加邻区关系。

e）高铁站：公网候车室室分与专网F+D添加双向邻区确保入口唯一性。

1.1.2 参数策略

通过定性研究，确定地（市）间及地（市）内专网衔接的切换事件类型，通过海量测试数据和网管数据定量分析，对切换及负载均衡参数科学定标。如图2所示。

a）小区内：F和D采用基于覆盖异频A4切换。

b）小区间：F和F小区、D和D小区采用基于覆盖同频A3切换。

图2 邻区切换策略

c）省内地（市）间：F和F小区、D和D小区采用基于覆盖同频A3切换。

d）省际地（市）间：均采用基于覆盖的异频A3切换。

1.2 网络新特性应用

1.2.1 高速用户迁回

利用高铁用户在公网切换频度快的特点，基于切换的频度对公网中的高速用户与低速用户进行区分，使高速用户重定向回到专网小区，从而提升高铁专网用户体验。具体见图3。

图3 高速用户迁回特性示意图

1.2.2 低速用户迁出

高铁专网中，基于多普勒频移识别出UE的移动速度。对于专网中的高速用户，在专网驻留；而对于专网中的低速用户，需要切换回公网，从而降低高铁专网小区负荷。具体见图4。

图4 低速用户迁出特性示意图

1.2.3 下行纠偏特性

基站在发送数据时，根据每个物理小区收到的上行多普勒频偏量［6］，对下行数据进行一定的预纠偏，从而减少边缘区域用户的频偏量，进而提升这类用户的下行速率。

多普勒频移计算方法如下：

式中：

v——车速

c——光速

f——工作频率

多普勒频偏与终端距离关系如图5所示。

图5 多普勒频偏与终端距离关系

高铁用户处于抱杆中心位置时，终端会同时跟踪来自2个扇区设备的正负2个频偏，导致纠偏失灵，影响终端下行速率。

目前已有厂家对下行预纠偏算法进行了进一步的改进，目的为解决小区内相邻抱杆间对下行链路产生正负频偏的问题，在相邻小区间的切换带区域不做下行预纠偏。小站间距场景重叠覆盖严重，会出现切换带区域下行预纠偏非预期生效问题。针对小站间距场景的特性，优化了下行预纠偏算法，保障切换类指标平稳正常。

1.2.4 上行空分复用

高铁场景上行空分功能主要通过空间复用［7］的方式（见图6），使满足隔离度要求的用户使用相同的上行时频资源，从而提升高负载场景下的小区上行吞吐量和用户上行感知速率。

1.2.5 功控与切换优化

图6 上行空分复用示意图

针对高铁场景移动速度快，信号波动大，历史解调信息可参考度低等特征，优化调度功控策略，尽量参考当前信号，减少受历史信息的影响，抬升UE发射功率，抬升选阶，维持适中的初始块误码率（IBLER——Initial Block Error Rate）水平，获取上行实际频谱效率以及上行感知速率的提升。

切换优化：高速小区判断在高铁经过切换带时，通过限制切换源小区和目标小区的部分上下行子帧调度，抑制切换带干扰，缓解因切换失败、无线链路失败导致重建次数多的问题。

1.2.6 速度识别调度

高速小区内根据每秒测量UE上行信号的多普勒频移并估算用户移动速度，区分高速用户和低速用户，通过提升高速用户的Non-GBR初传调度优先级并降低低速用户的Non-GBR初传调度优先级，实现高速用户优先调度功能。

1.3 精细射频优化

重叠覆盖带：合理重叠覆盖是实现业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会增加干扰和乒乓切换，因此合理的重叠覆盖优化在RF优化中尤为重要。

理论计算：重叠距离=2×（切换迟滞对应距离+切换测量距离（128 ms）+切换执行时间（100 ms）），在高铁场景下，建议根据站间距合理设置重叠覆盖带。

天线入射角：不同的入射角对应的穿透损耗不同，实际测试表明随着入射角变小，穿透损耗不断增加，因此合理的天馈方位角是保证良好覆盖的基础，在优化中，尽可能地让天线近点覆盖，减小信号衰减，在高铁场景下，建议根据站间距及站轨距合理设置天线入射角度。

1.4 VoLTE语音优化

1.4.1 VoLTE用户优先接入

预留一定资源，在小区接入规格受限时优先接入VoLTE用户，从而保证人流密集场景的语音业务体验［8］。

基站通过预留一定的用户数资源，在小区接入用户数规格受限时，对预留规格内接入的用户进行判断，如果用户接入几秒后建立QCI1承载，则判断为语音用户，保持接入，并可以剔除一个数据用户（可选）；否则判断为数据用户，释放该用户。

1.4.2 语音用户SINR校正算法IBLER目标值

由于高铁专网为专网专用，基站均分布在铁路两边，且站间距有较严格的规划要求，故用户距离基站较近，近点用户较多，而语音用户SINR校正算法IBLER目标值表示非TTI Bundling状态的语音用户动态调度的SINR校正算法IBLER目标值。该参数设置越大，则SINR的调整量也随之增大，选择的MCS也会更大。如果上行IBLER目标值设置较小，会导致VoLTE用户的上行MCS选择较小的方式，近点语音用户信道质量好，VoLTE上行丢包率降低（语音质量较好）；中、远点语音用户信道质量相对较差，同时包的上行RLC分段增多，VoLTE上行丢包率抬升（语音质量降低）；反之则会产生相反的效果。鉴于高铁用户距离基站较近（站轨距75～150 m，信道距离100～450 m），信道质量好，因此将该值调小有利于提升语音质量。

1.4.3 CCE上下行比例优化

高铁场景用户移动速度快，信号穿损高，信号不稳定，半静态调度以及DRX等不适宜在高铁场景下开启，且高铁场景突发瞬时话务量高，对CCE调度提出了不同的要求。

个别场景存在丢包现象，分析发现是3/8子帧的上行CCE拥塞导致上行调度不及时，引起丢包，TDD配比2，协议仅支持3/8子帧进行上行调度指示，上行控制信道相对下行容易受限，因此修改上下行CCE比例为10比1，提升上行CCE资源占比。调整后，上行CCE分配成功率由89%提升至97%。

1.4.4 基于站间距的eSRVCC分场景精确优化

eSRVCC的触发过程［9］主要分3个步骤：异系统测量启动（A2）、触发B2测量报告、网络侧下发切换执行命令，如图7所示。

由于高铁用户处于高速移动中，在执行以上3个动作的过程中，用户接收到的RSRP值可能已经快速衰减。实际切换电平与B2切换触发电平相比已经减小，因此在进行eSRVCC门限设置时要考虑一定的门限提前量，抵御信号衰减带来的不良影响。

图7 eSRVCC触发过程

以eSRVCC的切换门限为-117 dBm为例（如图8所示），向前回溯一个切换时延（经验值900 ms），以260 km/h车速为例，900 ms行驶路程60 m，在高铁快衰场景下折合约2 dB信号衰减，则切换门限可以设置为-115 dBm。再向前回溯测量同步时延（包括GSM信号测量（理论值400 ms）、GSM小区同步（经验值100 ms）以及本区信号测量时间迟滞（128 ms）），在高铁快衰场景下折合1.8 dB信道衰减，则启测门限可以设置为-113 dBm，考虑到理论计算偏理想，实际信号波动下，可能需要预留时间等待信号达到门限，需要给出一定的门限值预留，所以启测门限高于-113 dBm。

图8 eSRVCC切换示例

1.4.5 语音优先调度策略

对于业务负荷较高的线路，建议优先调度语音。调度优先级顺序为：控制信令＞VoIP业务的BSR和SR调度＞数据业务的SR调度＞数据业务的BSR调度。在数据和语音混合业务重载场景下，语音业务能够优先被调度，从而保障语音质量。

2 高铁FDD叠加组网策略

参照高铁专网建设先进线路经验（如京沪高铁），为进一步保证高铁覆盖及容量，高铁多制式、多频组网成为当前趋势。根据移动网络现状，对DCS1800进行10 MHz退频，可用作FDD规划建设。使用1.8 GHz进行FDD建设相对于当前1.9及2.6 GHz TDD组网，可进一步提升覆盖及上行感知。

2.1 高铁FDD组网优势

2.1.1 覆盖距离

在满足各业务连续覆盖需求的情况下，FDD使用1.8 GHz频段进行LTE组网，覆盖距离约为700 m；2.6 GHz频段组网覆盖距离约为470 m。1.8 GHz频段覆盖距离约为2.6 GHz频段的1.5倍。

2.1.2 穿透损耗

高铁车厢采用全封闭制造，车厢穿透损耗大。相同高铁车型，因频段较低，FDD 1.8 GHz频段相对TDD 2.6 GHz穿透损耗小，车内信号覆盖更好，其车内覆盖电平可优于2.6 GHz频段约8 dB。

2.1.3 多普勒频偏

列车运行速度越快，多普勒频偏量越大（见表1）。高铁列车运行速度一般达到350 km/h，多普勒效应明显，FDD 1.8 GHz频段相对于TDD 1.9/2.6 GHz多普勒频偏较小，尤其相对于2.6 GHz频段，上行频率偏移约为2.6 GHz的70%。

表1 高铁速度与频偏量间关系

2.1.4 上行感知

FDD相对于TDD可以提供更好的上行速率体验。因FDD与TDD制式差异，同为20 MHz带宽情况下，FDD上行速率比TDD（上下行子帧2∶2配置）高约5 Mbit/s，相对于 TDD（上下行子帧 1∶3配置）高约15 Mbit/s。

2.1.5 公网干扰

高铁FDD使用1.8 GHz频段进行组网，因其无线频率资源为原GSM 1.8 GHz频段，在使用过程中需对沿线GSM 1.8 GHz站点进行退频，保证无线资源的纯净。高铁沿线3 km内逐步清退GSM 1.8 GHz频段，后期高铁FDD 1.8 GHz频段受公网干扰将会越来越小。

2.4 高铁FDD与TDD协同优化

在FDD与TDD联合组网的情况下，主要通过以下4个方面工作进行优化。

2.4.1 覆盖优化

2.4.1.1 RSRP优化

根据测试结果，建议终端测量到的RSRP保持在-95 dBm以上，这样可以保证有较好的覆盖性能。为达到此目的，需要通过以下几方面来保障信号强度。

a）频率选择：覆盖高铁时尽可能推荐客户使用低频段覆盖，要尽可能避免2.6 GHz频段直接采用宏网络覆盖的方式来覆盖高铁。

b）站址选择：两边“之”字形布站，基站距离铁轨距离要适中（建议75～150 m），保证基站与终端之间存在直射径，这样可以提供更好的RSRP和解调性能。

c）站高：站高尽量高一点，便于提供好的覆盖，但也要根据站间距进行合理控制，避免越区覆盖严重问题。

d）天线增益：建议选择33°窄波束高增益天线，为获得高RSRP提供条件。

e）方位角：方位角沿着铁轨方向打，要保证信号入射角大于10°。

f）下倾角：根据站高合理设置下倾角，保证天线主瓣方向能覆盖到车厢高度。

g）发射功率：根据实际情况选择RRU型号（型号确定后LTE的总功率也即确定）以及导频功率，为提供高RSRP做准备。

h）建筑物遮挡：尽量避免覆盖高铁的小区被建筑物或者森林等遮挡。

在优化RSRP时建议参照上述影响因素，朝着有利于高铁覆盖的方向去优化。

2.4.1.2 SINR优化

SINR是保证吞吐率性能的关键因素，在实际优化时要尽可能提供高的SINR，可采用的手段建议如下：

a）采用链型覆盖：高铁小区采用链型覆盖，小区之间间隔较远，干扰比较低。

b）降低大网对高铁网络的干扰：在铁路附近的LTE站点，要合理设置RF参数，避免与高铁小区覆盖区域发生较大面积的交叠，以降低干扰。

c）优化高铁网络的RF参数：高铁上行干扰相对较小，优化站高、方位角、下倾角等RF参数可以较好地优化SINR。

d）合理规划PCI：通过PCI MOD 3错开，降低导频之间的干扰。

e）弱覆盖：避免因RSRP较弱而导致SINR也较差的现象出现。

通过上述手段，基本上可以解决SINR低带来的性能影响。

2.4.2 FDD与TDD互操作策略

邻区配置：公专网除站点、边界外，不配置邻区。

规划策略：FDD做容量层，优先吸收用户负载，FDD频点优先级高于TDD频点。

基于覆盖的切换策略：优先进行频段内的覆盖切换，然后进行频段间的覆盖切换。

MLB策略：TDD 专网 2 600 MHz、1 900 MHz和FDD专网1 800 MHz开启单向用户数异频MLB。

2.4.3 互操作参数实施方案

系统间互操作：由于FDD终端支持程度低于TDD，配置同优先级，FDD话务吸收能力有限。因此建议配置FDD高优先级，FDD 10 MHz小区和TDD 20 MHz小区最大用户数比例约1∶2，可有效吸收FDD话务。异频切换、重选策略如表2所示。

表2 异频切换、重选策略

负载均衡配置如下：

a）日常配置：TDD小区-FDD小区均衡优先级7，TDD小区-TDD小区均衡优先级5，连接态/空闲态负载均衡门限50。

b）节假日配置：TDD小区-FDD小区均衡优先级7，TDD小区-TDD小区均衡优先级5，连接态/空闲态负载均衡门限100，可以避免用户数过多导致FDD小区超忙。

负载均衡门限设置如表3所示。

表3 负载均衡门限设置

2.4.4 邻区添加原则

a）TDD增加车站出入口FDD小区的邻区，按现有TDD加TDD高铁的邻区配置。

b）TDD增加本站小区与FDD本站小区之间的邻区，使用A2+A4切换策略配置。

c）TDD增加本站小区与FDD上、下游站的邻区关系，使用A2+A4切换策略配置。

d）FDD增加新建小区与本站TDD所有频点邻区。

e）FDD增加新建小区与上、下游站的邻区关系，使用A2+A5切换策略配置。

f）FDD增加新建小区与车站出入口TDD小区的切换关系，使用A2+A5切换策略配置。

基于以上协同优化工作，基本可实现TDD+FDD双制式下高铁专网的平稳运行，在实际运行过程中还需要根据各项网管、路测指标进行优化策略调整，使网络运行达到最佳状态。

3 结束语

针对高铁LTE专网容量受限的问题，本文对高铁由F单频组网到多频组网的必然演进进行了说明，重点对多频组网方式及优化策略进行研究、论证。一方面对当前F+D双频组网参数策略、网络新特性应用、精细射频优化、VoLTE语音优化进行了分析说明，另一方面对未来高铁TDD+FDD融合组网优化策略进行了展望。最终，通过多制式、多频段组网策略解决容量及覆盖受限问题，进一步提升高铁用户感知，为后续高铁专网建设、优化提供良好的理论和实践依据。