淺談高速鐵路的LTE無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋

淺談高速鐵路的LTE無線網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋一、 高鐵4G無線網(wǎng)覆蓋背景高速鐵路，簡(jiǎn)稱“高鐵”，是指通過改造原有線路(直線化、軌距標(biāo)準(zhǔn)化)，使最高營(yíng)運(yùn)速率達(dá)到不小于每小時(shí)200公里，或者專門修建新的“高速新線"，使?fàn)I運(yùn)速率達(dá)到每小時(shí)至少250公里的鐵路系統(tǒng)。高速鐵路除了在列車在營(yíng)運(yùn)達(dá)到一定速度標(biāo)準(zhǔn)外,車輛、路軌、操作都需要配合提升。隨著環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻，交通運(yùn)輸各行業(yè)中，從單位運(yùn)量的能源消耗、對(duì)環(huán)境資源的占用、對(duì)環(huán)境質(zhì)量的保護(hù)、對(duì)自然環(huán)境的適應(yīng)以及運(yùn)營(yíng)安全等方面來綜合分析，鐵路的優(yōu)勢(shì)最為明顯.然而高鐵將通過中國(guó)大部分，把中國(guó)變成一個(gè)'中國(guó)村”。圖1—1CRH(ChinaRailwayHigh—speed),即中國(guó)高速鐵路與傳統(tǒng)的高速公路和航空運(yùn)輸相比，高鐵的主要優(yōu)勢(shì)有:載客量高、輸送力強(qiáng)、速度較快、安全性好、正點(diǎn)率高、舒適方便、能耗較低。高鐵作為一種高效經(jīng)濟(jì)的城際交通方式，日漸成為人們中長(zhǎng)距離出行的首選。隨著智能終端及移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)業(yè)務(wù)的高速發(fā)展,用戶搭乘高鐵出行時(shí)，有越來越多的移動(dòng)辦公和網(wǎng)絡(luò)娛樂需求，如電話會(huì)議、視頻點(diǎn)播、互動(dòng)游戲、上網(wǎng)等。由于高端商務(wù)客戶云集，高鐵通信逐步成為各運(yùn)營(yíng)商品牌展示、獲取可觀經(jīng)濟(jì)利潤(rùn)及拉升高端客戶黏合度的新競(jìng)爭(zhēng)領(lǐng)域.如何在高速運(yùn)行、客流集中、業(yè)務(wù)容量高、部署場(chǎng)景復(fù)雜的高鐵內(nèi)提供高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，成為運(yùn)營(yíng)商和設(shè)備商面臨的重大挑戰(zhàn).圖1-22020年中國(guó)高速鐵路網(wǎng)絡(luò)二、 高鐵無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的問題1、 穿透損耗大，高速鐵路的新型列車采用全封閉車廂結(jié)構(gòu)，車箱體為不銹鋼或鋁合金等金屬材料，車窗玻璃為較厚的玻璃材料，導(dǎo)室外無線信號(hào)在高速列車內(nèi)的穿透損耗較大，給車體內(nèi)的無線覆蓋帶來較大困難。不同的入射角對(duì)應(yīng)的穿透損耗不同，當(dāng)信號(hào)垂直入射時(shí)的穿透損耗最小。當(dāng)基站的垂直位置距離鐵道較近時(shí)，覆蓋區(qū)邊緣信號(hào)進(jìn)入，車廂的入射角小，穿透損耗大。實(shí)際測(cè)試表明，當(dāng)入射角小于10度以后，穿透損耗增加的斜率變大。圖2—1各型列車對(duì)無線信號(hào)的穿透損耗2、 多普勒頻偏，列車高速運(yùn)動(dòng)將引起多普勒頻偏，導(dǎo)致接收端接收信號(hào)頻率發(fā)生變化，且頻率變化的大小和快慢與列車的速度相關(guān)。高速引起的大頻偏對(duì)于接收機(jī)解調(diào)性能提升是一個(gè)極大的挑戰(zhàn)。多普勒頻移計(jì)算方法：其中v為車速，c為光速,f為工作頻率；改變基站與鐵路的間距，可得多普勒頻偏與d的關(guān)系如下3、 切換頻繁，由于單站覆蓋范圍有限，列車高速移動(dòng)將在短時(shí)間內(nèi)穿越多個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍，引起頻繁的小區(qū)間切換，進(jìn)而影響網(wǎng)絡(luò)的整體性能。由于高鐵列車的穿透損耗，為滿足覆蓋設(shè)計(jì)目標(biāo)單RRU覆蓋范圍不會(huì)太大若在無多RRU小區(qū)合并的情況下，假設(shè)列車以300km/h速度運(yùn)行，則列車每10秒左右將進(jìn)行一次小區(qū)間切換，頻繁的小區(qū)切換將極大降低網(wǎng)絡(luò)的性能。三、 LTE無線網(wǎng)覆蓋關(guān)鍵技術(shù)1、各設(shè)備廠商對(duì)抗多普勒頻移費(fèi)的方法中興公司的自適應(yīng)頻率補(bǔ)償技術(shù):高鐵覆蓋由于屬于高速運(yùn)行環(huán)境，多普勒效應(yīng)明顯，甚至在基站上將產(chǎn)生二倍頻偏，嚴(yán)重影響基站的解調(diào)性能，直接導(dǎo)致信號(hào)質(zhì)量急劇下降。采用自適應(yīng)頻率補(bǔ)償技術(shù)對(duì)抗多普勒頻移，相對(duì)于靜止?fàn)顟B(tài)，高速狀態(tài)下頻偏值為1500Hz時(shí)僅存在0.2dB左右的性能損失，避免了信號(hào)失真。華為公司的AFC算法:AFC是針對(duì)鐵路快速移動(dòng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的基站頻率校正算法，通過快速測(cè)算由于高速所帶來的頻率偏移，補(bǔ)償多普勒效應(yīng)，改善無線鏈路的穩(wěn)定性，從而提高解調(diào)性能；AFC算法是-唯一通過430公里時(shí)速驗(yàn)證的系統(tǒng)；在綜合考慮了協(xié)議要求、高鐵頻偏模型、隧道覆蓋模型、實(shí)際高速場(chǎng)景（外場(chǎng)實(shí)測(cè)信號(hào)）的基礎(chǔ)上，根據(jù)不同業(yè)務(wù)信道結(jié)構(gòu)特征，設(shè)計(jì)了性能優(yōu)異的AFC算法，支持450Km/h的終端運(yùn)動(dòng)速度。2、 超級(jí)小區(qū)方案降低切換和重選次數(shù)不同基站的射頻模塊采用相同的頻率及參數(shù)設(shè)置，在邏輯上設(shè)置為同一小區(qū)。通過將相鄰的射頻模塊設(shè)置為同一小區(qū)，可以有效避免傳統(tǒng)覆蓋方案中切換過于頻繁的問題，同時(shí)可緩解小區(qū)間的干擾問題。超級(jí)小區(qū)方案還可增加高鐵專網(wǎng)單個(gè)小區(qū)的覆蓋面積，不僅減少了專網(wǎng)的切換次數(shù)，提升了網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)，還可以有效減少站點(diǎn)需求數(shù)，減少配套、土建等投資.3、 成熟的網(wǎng)優(yōu)手段有效提升高鐵覆蓋性能和普通覆蓋場(chǎng)景相比，高鐵覆蓋的參數(shù)優(yōu)化更加復(fù)雜和敏感。通訊憑借多年的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化經(jīng)驗(yàn)，摸索出一套成熟的高鐵網(wǎng)優(yōu)手段，可有效提升高鐵覆蓋的網(wǎng)絡(luò)性能。高鐵移動(dòng)速度快，導(dǎo)致終端在一個(gè)小區(qū)駐留時(shí)間內(nèi)可能無法完成小區(qū)選擇，通過優(yōu)化手段可排除一些不需要或重復(fù)的系統(tǒng)信息，簡(jiǎn)化鄰區(qū)關(guān)系，降低重選時(shí)間；還可以合理設(shè)置重疊覆蓋區(qū)，保證小區(qū)重選成功率；優(yōu)化切換參數(shù)，縮短切換時(shí)延；優(yōu)化呼叫流程，縮短呼叫時(shí)延;合理設(shè)置計(jì)時(shí)器參數(shù)。4、 LTE回傳方案為了進(jìn)一步提升高鐵覆蓋性能，一些設(shè)備廠家提出了LTE回傳方案。LTE回傳方案在高鐵內(nèi)部署LTE機(jī)載臺(tái)，在高鐵外部署LTE機(jī)載臺(tái)天線，機(jī)載臺(tái)將接收到的LTE信號(hào)經(jīng)過解調(diào)和放大再傳輸給下一層部署的LTE室內(nèi)微基站或WiFi信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)器（見圖1）。這樣做可極大提升高鐵內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量.簡(jiǎn)述回傳技術(shù)對(duì)于高鐵覆蓋的意義網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)創(chuàng)新，從根本上解決無線信號(hào)穿透車體所帶來的損耗利用車體穿透損耗，避免車廂外的公網(wǎng)信號(hào)給車廂內(nèi)分布網(wǎng)絡(luò)帶來的無線干擾；車載天線可選用高增益天線以改善車載臺(tái)與基站之間的無線鏈路；為車廂內(nèi)部用戶提供相對(duì)靜止的無線傳播環(huán)境，提升網(wǎng)絡(luò)服務(wù)性能四、LTE網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)注意要點(diǎn)1、 高鐵組網(wǎng)規(guī)劃高鐵采用雙通道RRU進(jìn)行覆蓋組網(wǎng)，利用MIMO提升網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)速率；同時(shí)采用多RRU小區(qū)合并，減少小區(qū)間切換,從而提升網(wǎng)絡(luò)性能。圖4—1單桿雙RRU背靠背雙向覆蓋方案1）雙通道RRU組網(wǎng)體積小，方便部署，同時(shí)可結(jié)合雙通道天線實(shí)現(xiàn)MIMO可實(shí)現(xiàn)多個(gè)RRU級(jí)聯(lián)，降低工程實(shí)施難度.2） 多RRU小區(qū)合并組網(wǎng)高鐵場(chǎng)景下，最大可支持6個(gè)RRU進(jìn)行小區(qū)合并多個(gè)子站合并為一個(gè)小區(qū)，列車經(jīng)過無需進(jìn)行小區(qū)切換，提高性能。3） 方案優(yōu)勢(shì)：RRU光纖拉遠(yuǎn)，適合高鐵線性覆蓋，便于光纖鋪設(shè);BBU集中放置，便于站址獲取，集中管理和維護(hù)多RRU小區(qū)合并，減少小區(qū)間切換，提升網(wǎng)絡(luò)性能.2、高鐵切換重疊帶設(shè)計(jì)合理的重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃是實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)連續(xù)的基礎(chǔ)，重疊覆蓋區(qū)域過小會(huì)導(dǎo)致切換失敗，過大則會(huì)導(dǎo)致干擾增加，進(jìn)而影響用戶業(yè)務(wù)感知，因此高鐵覆蓋規(guī)劃中要合理設(shè)計(jì)重疊覆蓋區(qū)域圖4-2重疊覆蓋帶設(shè)計(jì)小區(qū)切換重疊帶劃分：過渡區(qū)域A:鄰區(qū)信號(hào)強(qiáng)度達(dá)到切換門限所需要的距離切換執(zhí)行B：滿足A3事件至切換完成所需要的距離，此處考慮2次切換需求距離考慮單次切換時(shí)，重疊距離=2*（切換遲滯對(duì)應(yīng)距離+切換測(cè)量距離（128ms）+2次切換執(zhí)行距離（50ms）移動(dòng)速度（km/h）過渡區(qū)域A（m）切換區(qū)域B（m）切換重疊需求距離（m）20040101002504013106300401511035040181164004020120表4—1考慮單次切換時(shí)的疊距離考慮二次切換時(shí)，重疊距離=2大（切換遲滯對(duì)應(yīng)距離+1次切換測(cè)量距離（128ms）+定時(shí)器（500ms）+2次切換測(cè)量距離（128ms）+2次切換執(zhí)行距離（50ms））移動(dòng)速度（km/h）過渡區(qū)域A（m）切換區(qū)域B（m）切換重疊需求距離（m）20040421702504053192300406321635040732384004084260表4-2考慮二次切換時(shí)的重疊距離3、高鐵覆蓋鏈路預(yù)算（F）高鐵覆蓋規(guī)劃：考慮終端在車內(nèi)，即規(guī)劃中需要考慮列車車體的穿透損耗?高鐵環(huán)境簡(jiǎn)單，基站與列車之間無遮擋，屬于直視徑傳輸；因此傳播模型采用Cost231-hata模型，其中高鐵場(chǎng)景Cm修正值：Cm=—20（F）?覆蓋規(guī)劃中，考慮列車車體最大損耗（F頻段24dB），天線增益18dBi?高鐵覆蓋規(guī)劃目標(biāo)基于RSRP〉-110dBm進(jìn)行鏈路預(yù)算?估算主要考慮3種典型站高結(jié)構(gòu)：10m,20m以及35m；出于安全考慮高鐵鐵軌通常比地面高出10米左右，因此該站高均為相對(duì)鐵軌的高度發(fā)射端工作頻率MHz189018901890RS功率/portdBm12.212。212.2

基站天線增益dBm181818饋線和接頭損耗dB0.50.50.5EIRB/REdBm303030接收端終端接收電平dBm—110—110—110儲(chǔ)備陰影衰落余量/慢衰落儲(chǔ)備dB4.054。054.05車廂穿透損耗dB242424儲(chǔ)備總計(jì)dB28.0528.0528.05最大允許路損dB111.66111.66111。66覆蓋站點(diǎn)相對(duì)高度m352010覆蓋半徑km0。82650.67380。5357表4-3高鐵F頻段覆蓋距離估算站點(diǎn)相對(duì)鐵軌高度站離鐵軌300m內(nèi)站離鐵軌100m內(nèi)非小區(qū)邊界桿間距小區(qū)邊界桿間距非小區(qū)邊界桿間距小區(qū)邊界桿間距35〈1500m<1300m〈1600m<1400m20〈1200m<1000m<1300m〈1100m10<900m<700m<1050<850m表4-4高鐵F頻段雙RRU背靠背組網(wǎng)方案間距估算4、高鐵覆蓋鏈路預(yù)算（D）高鐵覆蓋規(guī)劃：考慮終端在車內(nèi)，即規(guī)劃中需要考慮列車車體的穿透損耗?高鐵環(huán)境簡(jiǎn)單，基站與列車之間無遮擋，屬于直視徑傳輸；因此傳播模型采用Cost231—hata模型，其中高鐵場(chǎng)景Cm修正值：Cm=—23（D）?覆蓋規(guī)劃中，考慮列車車體最大損耗（D頻段27dB），天線增益18dBi?高鐵覆蓋規(guī)劃目標(biāo)基于RSRP〉—110dBm進(jìn)行鏈路預(yù)算?估算主要考慮3種典型站高結(jié)構(gòu)：10m，20m以及35m；出于安全考慮高鐵鐵軌通常比地面高出10米左右，因此該站高均為相對(duì)鐵軌的高度發(fā)射端工作頻率MHz260026002600RS功率/portdBm12.212.212。2基站天線增益dBm181818饋線和接頭損耗dB444EIRB/REdBm262626接收端終端接收電平dBm-110—110—110儲(chǔ)備陰影衰落余量/慢衰落儲(chǔ)備dB4。054。054。05車廂穿透損耗dB272727儲(chǔ)備總計(jì)dB31.0531。0531。05最大允許路損dB105。16105。16105。16覆蓋站點(diǎn)相對(duì)高度m352010覆蓋半徑km0。48330.40340.3292表4—5高鐵D頻段覆蓋距離估算站離鐵軌300m內(nèi)站離鐵軌100m內(nèi)站點(diǎn)相對(duì)鐵軌非小區(qū)邊界桿小區(qū)邊界桿非小區(qū)邊界桿小區(qū)邊界桿高度間距間距間距間距35<1050m<850m〈1200m<1000m20<800m<600m<1000m<550m10〈600m〈400m〈800m〈600m表4-6高鐵D頻段雙RRU背靠背組網(wǎng)方案間距估算5、 高鐵公專網(wǎng)鄰區(qū)規(guī)劃1） 車站室分與高鐵專網(wǎng)的鄰區(qū)規(guī)劃根據(jù)切換策略，在車站站臺(tái)位置，高鐵專網(wǎng)站點(diǎn)需要與車站室分互相切換,鄰區(qū)規(guī)劃需要遵循如下原則1。 高鐵專網(wǎng)和車站室分互配鄰區(qū)關(guān)系2。 專網(wǎng)與站臺(tái)室分切換位置盡量不要落在列車站臺(tái)上下車區(qū)域3。 車站室分與公網(wǎng)互配鄰區(qū)。2） 鐵路沿線高鐵在運(yùn)行期間的區(qū)段上只需要考慮鏈形小區(qū)前后2個(gè)方向上各一個(gè)小區(qū)做為鄰區(qū)即可，與公網(wǎng)的鄰區(qū)規(guī)劃，建議配置單向鄰區(qū)，如下：1。 高鐵路線上專網(wǎng)間互配鄰區(qū)，保證專網(wǎng)用戶在路線小區(qū)間的成功切換。與周邊宏網(wǎng)站點(diǎn)配置單向鄰區(qū)，保證公網(wǎng)用戶不切換到專網(wǎng)，從而影響專網(wǎng)的容量.6、 高鐵無線網(wǎng)參數(shù)規(guī)劃1） PCI規(guī)劃：PCI用于區(qū)分不用小區(qū)，在終端下行同步時(shí)使用，高鐵PCI規(guī)劃原則與宏站基本相同：1.同頻鄰區(qū)中不能出現(xiàn)相同PCI。2.保證高鐵小區(qū)與路線上的前后小區(qū)PCI模3錯(cuò)開，同時(shí)與相近宏網(wǎng)強(qiáng)鄰區(qū)PCI模3錯(cuò)開。2） PRACH規(guī)劃：PRACH信道用作隨機(jī)接入，是用戶進(jìn)行初始連接、切換、連接重建立的保障。高鐵場(chǎng)景PRACH規(guī)劃方法與普通宏網(wǎng)存在較大不同：1。采用高速下PRACH規(guī)劃方法計(jì)算循環(huán)移位取值。2.基于高速場(chǎng)景的要求進(jìn)行根序列選擇.3） TA規(guī)劃：TA（跟蹤區(qū)）用于終端尋呼及位置更新管理高鐵TA規(guī)劃原則:1。高鐵路線上盡量規(guī)劃為同一個(gè)TAlist，減少大量用戶跨TAlist帶來的TAU信令沖擊。2.TAlist邊界建議規(guī)劃于低速地帶。3。TAlist不跨MME。7、 隧道覆蓋方案1） 定向天線隧道覆蓋方案2） 泄露電纜隧道覆蓋方案3） 方案對(duì)比定向天線方案：1、 隧道內(nèi)天線架設(shè)難度大，適合短隧道覆蓋場(chǎng)景。2、 直線傳播，對(duì)于彎曲的隧道場(chǎng)景效果相對(duì)較差.3、 隧道信號(hào)填充效果明顯，信號(hào)覆蓋效果不佳。泄露電纜方案：1、 泄露電纜布放簡(jiǎn)單、難度小，適用多種隧道場(chǎng)景.2、 泄露電纜損耗較大，成本較高。定向天線與泄露電纜覆蓋均有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，實(shí)際網(wǎng)絡(luò)中隧道種類繁多，建設(shè)中建議采用定向天線+泄露電纜的方式進(jìn)行覆蓋。4）覆蓋場(chǎng)景1、長(zhǎng)隧道覆蓋：2：連續(xù)隧道覆蓋：隧道內(nèi)采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋，兩側(cè)洞口采用定向天線朝外延伸，增大室外宏站與隧道區(qū)域的重疊覆蓋帶區(qū)域，保證切換的順利完成。8、隧道覆蓋估算1）隧道內(nèi)泄露電纜覆蓋估算PLmax二PRRU-（LP0I+Pdes+L1+L2+L3+L4）；各參數(shù)說明如下：PRRU:RRU的輸出功率LPOI:POI系統(tǒng)的插損，一般設(shè)計(jì)要求POI插損小于6dB,此處取5dBPdes:接收端的覆蓋電平要求，此處為一110dBmL1:泄露電纜95%2m處的耦合損耗L2：人體損耗，LTE主要為數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)，暫不考慮人體損耗，默認(rèn)取0dBL3：寬度因子，L3=10lg（d/2）,d為移動(dòng)臺(tái)距離漏纜的距離，默認(rèn)取4m2）隧道內(nèi)泄露電纜覆蓋估算RS功率/portdBm12。2饋線和接頭損耗dB0.5終端接收電平dBm-110車廂穿透損耗dB24寬度因子dB3POI插損dB5最大允許路損dB89。71耦合損耗dB66漏纜百米損耗dB4。29覆蓋距離m552。6384隧道內(nèi)重疊覆蓋估算方法同宏站，估算結(jié)果為300km/h左右時(shí)，隧道內(nèi)小區(qū)間重疊覆蓋區(qū)域約200米左右采用泄露電纜覆蓋，F(xiàn)頻段小區(qū)邊界RRU間距建議不大于850m，非小區(qū)邊界站點(diǎn)間距不大于1.1km;對(duì)于中小型隧道，建議隧道覆蓋區(qū)域RRU合并為一個(gè)小區(qū)，以避免隧道內(nèi)的小區(qū)切換9、高鐵容量規(guī)劃1）高鐵列車用戶量估算乘客量估算（以CRH3型列車為例）標(biāo)配8節(jié)車廂，通常采用重聯(lián)方式，即單列車共16節(jié)車廂?列車一等座車2節(jié)，二等座車12節(jié)、帶廚房的二等座車2節(jié)。一等座共160個(gè)，二等座共954個(gè)，整列車定員數(shù)為1114人2。 終端用戶量估算考慮列車滿載情況，分為網(wǎng)絡(luò)發(fā)展初期及后期兩種情況：初期：按照中國(guó)移動(dòng)用戶滲透率70%，其中LTE終端滲透率30%，則單列車LTE終端用戶數(shù)為:234個(gè).后期：按照中國(guó)移動(dòng)用戶滲透