高铁LTE网络建设及优化方案研究

陈佳栋 中国电信股份有限公司无锡分公司网络建设部工程师

1 引言

近些年来我国高速铁路建设事业迅猛发展，自我国第一条高铁——京津城铁开通以来，京沪、武广等一批高铁陆续开通。截至2014年底，全国高铁运营总里程已突破1.6万公里，占比超世界高铁运营总里程的50%。与此同时，由于高铁乘坐的舒适性，越来越多的中高端用户倾向选择高铁出行，因此建设及优化高铁LTE网络对提升运营商网络品牌形象至关重要。但由于高铁是一个复杂的无线环境，高铁的快速、车厢的高穿透损耗以及多普勒频移等特性对高铁LTE网络覆盖质量有较大影响，为此如何解决网络覆盖成为当下各运营商重点研究的课题之一。

本文重点讨论高铁环境下影响LTE网络覆盖质量的重要因素，通过有针对性的研究、仿真、测试得出一套相对切实可行的高铁LTE网络建设优化方案。

2 高铁LTE覆盖特点分析

2.1 多普勒效应

当移动终端在运动过程中，尤其是高速运动的情况下，移动终端和基站接收端的信号会发生变化，此为多普勒效应。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移，其计算公式如下：

其中：θ为移动终端移动方向和入射波方向的夹角；为移动终端的运动速度；c为光速；f为载波频率。

根据公式（1）可知，移动终端离基站越远，多普勒频移越大，反之则越小；即高铁在基站覆盖小区边缘处频偏最大，在基站与轨道垂直处频偏最小。为此，LTE网络基站选点不易过分靠近铁路，以加大终端电磁波的入射角。同时，不同车速下的频偏差距也较大。如表1所示，随着车速不断提高，频偏也越大，多普勒频移影响也越明显。多普勒频移直接影响接收机解调、小区切换、选择等性能，导致用户感知变差。

表1 不同车速下的最大频偏

2.2 高铁车厢的高穿透损耗

高铁列车为全封闭车厢，车身由铝合金和不锈钢材质组成，车窗采用特种材质制成，密封性能明显好于普通列车，因此其车厢信号的穿透损耗也大幅提高。目前，国内高铁车型以CRH1、CRH2、CRH3、CRH5以及CRH380车型为主，不同车型之间的车厢穿透损耗差异较大。

此外，高铁车厢的穿透损耗除材质的原因造成外，还与车厢跟基站发射信号的入射角有关，即当入射角越小时，车厢的穿透损耗越大；当入射方向与车厢垂直时，此时车厢的穿透损耗最小。根据实际测试数据统计，为简化路径损耗计算，以30dB作为高铁车厢穿透损耗的均值。

2.3 频繁小区切换

高铁在高速运行过程中，在短时间内会通过多个小区。若以传统大网方式设置小区切换参数，则会频繁发生小区切换/重选，从而影响网络性能及容量，严重者则会引起切换失败导致掉话。为此，在进行高铁LTE网络覆盖规划时，需要同步考虑网络切换问题，尤其需着重考虑小区重叠切换带以及覆盖半径的设置。

3 高铁LTE覆盖解决方案

3.1 站间距

LTE高铁覆盖的站间距需要综合考虑基站的覆盖半径和重叠覆盖区域。简单地可以用下列公式表示：

其中：d为站间距；R为基站覆盖半径；dr为重叠覆盖距离。

由公式（2）可以算出手机与基站间允许的最大路径损耗，根据适合的传播模型可算出覆盖半径，然后再根据切换所需的重叠区域，最终算出站间距。

此外，在LTE网络链路预算的过程中，覆盖一般是上行受限，因此本文暂考虑上行的链路预算，同时选用COST231-Hata传播模型，公式如下：

其中：中心频率f取1870MHz；基站高度Hb为30m；手机高度Hm为2m。由此可得：

由于高铁线路所经之处多为城郊区域，a(Hm)为终端天线高度修正因子的表达式；Cm为城市修正因子，一般取为0dB（城郊区域）。按照网络规划要求，覆盖小区边缘最低上行速率要求256Kbit/s，可得接收机灵敏度为-112.92dBm。

根据上述公式可计算出单站的覆盖半径为1.040km。

此外，考虑LTE系统切换时间，一般分为测量时间d1、延迟时间d2和执行时间d3 3部分。其中，d1为200ms，d2一般配置为40ms，d3一般不超过250ms，因此切换时间为500ms左右。同时，预留失败重建时延及冗余时延，切换时间考虑为1s，双向切换考虑2s时间。根据不同车速下重叠覆盖距离平均为194m，在这种场景下可以得出合适的站间距为1.88km。

然而，实际情况下，运营商为了满足客户多种业务的需求，尤其是现场数据实时上传类业务，对覆盖小区边缘的最低上行速率远大于256Kbit/s。例如，720P单路传输的带宽需求为2Mbit/s，根据计算可得出，此时合适的站间距仅为1.52km。目前，京沪高铁无锡段实际的平均站间距为1.04km。

3.2 基站与轨道垂直距离

基站到高铁轨道的垂直距离（站轨距）主要跟入射角有关，根据试验情况可总结：入射角越小，穿透损耗越大。一般而言，入射角不宜小于10°，但也不能过大，过大将影响覆盖范围，从而缩小覆盖半径，一般最大取25°。从而，根据入射角可以计算出不同站间距情况下，站轨距的取值如表2所示。

表2 基站到轨道垂直距离测算表

因此，在1.5～1.8km站间距的情况下，站轨距一般取为150～480m。

为了验证上述测算的准确性以及可行性，可选取部分高铁路段进行DT测试，结果如图1所示。

从图1可以看出，站轨距在150m左右时，RSRP覆盖性能最优，SINR值最高，同时网络所能获得的下行速率也最高。但当站轨距超过400m以后，网络各项性能均出现较大幅度的下降，其中用户体验最明显的下行速率降为30Mbit/s左右，当用户量多的时候，体验感知将明显下降。

3.3 网络优化解决方案

3.3.1 大功率RRU解决大站间距覆盖问题

上文中提到的站间距是从理论角度结合实际车厢等损耗情况得出的理想经验值，在网络规划阶段起到重要作用。然而，在现实的站址获取过程中，由于业主或者周围实际客观环境的制约，基站位置会出现不同程度的偏差，从而可能出现累计偏差较大的情况。此时，通过一般手段难以有效解决网络覆盖。

虽然大站间距将影响基站有效的覆盖范围，但如果能通过增大基站发射功率，在一定程度上就能弥补由于站间距变大而造成的损失。无锡在城郊区域就通过选用2T4R大功率RRU进行试验并取得了明显的效果。详情可见图2、表3。

通过更换京沪14基站其中一个扇区RRU，采用2T4R60W功率的RRU，DT测试结果显示，网络性能各项指标提升明显：该路段平均SINR从7.81dB提升到12.36dB，平均RSRP从-99.7dBm提升到-89.75dBm，下载速率从23.75Mbit/s提升到32.55Mbit/s。

图1 不同站轨距下LTE网性能差异分析

3.3.2 小区合并技术解决频繁切换问题

常规网络覆盖方案下，假设单小区覆盖半径为1km，时速200km的动车组每秒行驶56m，每18s进行一次小区切换或者重选；当车速超过300km/h时，每12s就会发生一次切换或者重选，1min内将会发生5次左右的切换。如此频繁的切换和重选，会降低切换或者重选的成功率，进而影响通信质量。倘若要有效解决切换问题，就需要增大小区覆盖范围，减少切换次数。然而，这个方案在上文论述合理站间距过程中已有论证，基站的覆盖半径受到业务需求的制约，可调整的范围是有限的，同时还得注意合理规划小区重叠区域。

根据上述分析，减少网络切换与重选，除了物理手段解决覆盖问题外，在LTE网络中，仍然可以通过采取小区合并技术，使得单个逻辑小区覆盖区域增大，达到有效减少切换次数、提高网络性能的目的。

通过小区合并，2个物理站的2个物理小区合并成一个逻辑小区，逻辑小区内RRU之间的切换由站间切换变为站内协作，相当于单小区覆盖半径翻倍，能有效减少切换次数。与此同时，在工程建设过程中，考虑到保障网络覆盖的安全因素，应尽量选择直连RRU，减少级联方式。以无锡城铁站台附近的优化方案为例，通过小区合并技术，无锡站的进出站路测结果显示，信号覆盖质量答复提升，下载速率达到45.3Mbit/s，较工程优化前提升70%。图3及表4为无锡城际铁路站台通过小区合并技术优化前后的对比情况。

图2 站址示意图

表3 优化测试前后网络性能对比情况

表4 无锡沪宁城铁站小区合并前后路测效果对比情况

3.3.3 多普勒频移补偿及高速小区特性提升网络覆盖性能

前文提及的多普勒频移问题，在高铁覆盖中不可避免，由于对用户上行编解码影响较大，造成网络性能以及用户体验下降。因此，多普勒频移补偿技术得到了多家设备厂商的支持。即在基站侧通过对接收的上行信号频率进行频偏估计，在基带侧进行补偿校正，以此提高上行信号的解调性能。

另外一个影响高铁信号覆盖的是快衰弱问题。在移动通信过程中，由于无线电波传输的特性，经过不同路径最终归于移动终端时，信号是有相位特性进而叠加的，如果相位相反甚至会出现“掉零”情况。为了解决这一问题，笔者在局部站点开通了高速小区特性模式，通过多用户模拟实际环境测试，结果表明：开通高速小区配置的区域较普通小区的覆盖质量有较大幅度提升（见图4）。

图3 无锡沪宁城铁站小区合并前后路测效果示意图

图4 开通高速小区特性前后覆盖质量对比

4 结束语

本文通过利用COST231-Hata传播模型对高铁LTE网络覆盖的站间距、站轨距进行详细的分析，得出理论上的合理站间距为1.5km，然而为了更好地满足用户的实际体验，部分路段站间距将进一步缩小，在靠近密集城区部分，由于用户量以及无线环境的变化，中心城区的站间距在0.7km左右。

此外，在针对高铁覆盖特性的基础上，通过利用大功率2T4R RRU设备解决城郊大站间距问题，利用小区合并技术解决多小区频繁切换问题。此外，通过配置多普勒频移补偿以及高速小区特性等多种手段，全方面优化网络覆盖效果，提升网络性能以及用户体验感知。

1 唐艳超.LTE高铁覆盖解决方案研究.邮电设计技术.2014,12

2 翟英鸿等.高速铁路TD-LTE无线网络覆盖方案的探讨.电信网技术.2014,11

3 杨一帆.高速铁路TD-LTE网络覆盖方案研究.移动通信.2014,8

4 谭路加等.高铁覆盖中天线与轨道垂直距离的探讨.邮电设计技术.2012,6

5 林善亮等.FDD-LTE在高铁应用场景中基站覆盖半径的设计探讨.现代电信