高铁TD-LTE组网覆盖策略研究

摘要：高铁网络为当前需深入研究的重要课题。高铁特殊场景的复杂性，使网络优化存在较大难度。本文综合分析高铁场景的特殊性，对高铁TD-LTE组网覆盖提供可行有效的规划策略，通过链路预算量化核定站间距、站轨距、站高、天线入射角的关系，并分析场景分类布局，提供合理化建议。

关键词：高铁、TD-LTE、链路预算、站间距规划

1.引言

高速铁路简称高铁，是指基础设施设计速度标准高、可供火车在轨道上安全高速行驶的铁路，列车运营速度在200km/h以上。随着用户的移动通信使用习惯对网络质量需求日渐提高的情况下，高铁TD-LTE网络规划与优化成为通信运营商需深入研究分析的重要课题[1]。

2.高铁LTE网络覆盖的特殊性

与其他场景相比，高铁存在覆盖场景多、移动速度快、车体穿透损耗大、话务量突发的特点[2]，需采用专网覆盖。

覆盖场景主要包括一般地面场景、弯道场景、车站场景、桥梁场景、隧道场景;

高时速的问题体现在多普勒频移、切换频繁、终端接收性能下降;

高穿透损耗的影响体现在终端最低RSRP需求、天线入射角要求;

话务量突发的影响体现在瞬时高负荷、忙闲时话务差距大。

因此，高铁场景存在优化难度大，具有对精准网络规划依赖性强的特征。

3.高铁LTE网络组网覆盖规划方案

1）站址的规划和布局

①链路预算相关因素

ⅰ多普勒频移效应

多普勒频移效应公式为：

fD：多普勒频偏（Hz）

v：手机移动速度（m/s）

：信号波长（m）

θ：手机移动速度方向与信号到达方向的夹角

式中可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大;完全垂直时，没有多普勒频移。

ⅱ列车穿透损耗

高铁列车以CRH为主，采用密闭式厢体设计，铝合金车身，本身对LTE无线信号穿透损耗较大，且不同车型的材质也存在差异。

高铁列车的穿透损耗与信号到列车的入射角θ有关。天线越靠近列车时，θ越小，同时列车穿透损耗越大，当θ小于10°时，穿透损耗将高达20dB。

因此实际规划需对天线入射角合理控制，通过规划合理的站轨高、站间距、站轨距、天线类型、天线方向角、下倾角，降低列车穿透损耗的影响。

ⅲ传播模型

高铁轨道在地面或悬空假设，周边30米内无超过3层的建筑物，以灌木和空地为主，天线架设在铁塔上，高于周边的树木和建筑物，反射体较少，无线传播环境类似农村场景。因此，高铁覆盖组网采用COST231-Hata传播模型，公式为：

其中ht为基站高度（发送天线高度）;hr为移动台天线高度（接收天线高度）;d为基站天线和移动台天线的距离（天线覆盖距离）;

式中为大城市中心校正因子：

高铁环境下取值0dB

边缘场强计算：

TX+G-L-Cs-Rs≤Rx

公式中TX（dBm）：天线口功率;G（dB）：天线增益;L（dB）：路径损耗;Cs（dB）：车体损耗;Rs（dB）：人体损耗;Rx（dBm）：边缘场强

②站间距、站轨距规划

根据发射点的经纬度，可核查站间距、站轨距是否满足链路预算。

ⅰ站轨距

站点距铁路线垂直距离建议在50-150米之间的范围内，对于特殊场景如凹（U）型路段，以满足覆盖要求，优先选择能够直视铁路的位置。

ⅱ站间距

根据RRU發射功率、解调门限、建模参数，同时再考虑语数分层以及计算得到最大覆盖半径，建议站间距最大不超550米，最小不少于250米，采用背靠背方式建设。规划小区间站间距应扣除200～300米重叠覆盖带。站间距应考虑各厂家最大RRU组网能力进行规划。

③常规场景站点布局

首先，高铁组网主要场景为：需求站点伴随铁路走向以带状连续分布，形成清晰主覆盖小区衔接链条，目的在于让高铁小区信号在竞争中具有绝对优势。

其次，高铁沿线发射点的选址应该交错分布在铁路两侧，呈“之”字形，这样有效避免单侧障碍物引起的阴影效应、同时使列车两侧的用户接收RSRP更均匀（实测车厢两侧信号对比，平均差异3-5dB）。

④特殊场景站点布局

特殊场景主要包括：弯道场景、隧道场景、桥梁场景、车站场景，其中各个场景站点布局均有不同要求。

ⅰ弯道场景

对于铁路弯道场景，站点选址应尽量在弯道内测，这样能有效增加天线入射角，从而降低列车穿透损耗的影响，同时也削弱多普勒频移效应的影响。

ⅱ隧道场景

隧道场景分为短隧道、长隧道、连续隧道3种情况。隧道被车体填充后剩余空间小，对信号传播影响较大。因此隧道场景对基站设备形态和安装条件要求严格，应根据输出定制化隧道方案，以保证隧道内信号质量。

隧道内采用泄露电缆覆盖，两侧洞口采用定向天线向外延伸，增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖区域，以保证切换顺利完成。

ⅲ桥梁场景

桥梁场景的特点在于桥面上传播环境空旷，无线信号相对杂乱，但桥上站点选址困难，且施工条件有限。建议采用在桥梁两段架设基站天线的方法。

对于特大桥，可考虑使用大功率RRU、降低带宽、调整PA和PB参数等手段[3]。

ⅳ车站场景

车站场景主要需解决用户列车与站台之间往返造成的切换问题，建议车站室分系统与专网由同一厂家建设，切换带不落在列车站台上下车区域。

该场景分2种情况：

u车站和站台同层，切换带可设置在过道、地道。

u车站和站台不同层，切换带可设置在楼梯、电梯口。

2）小区设置

BBU+RRU组网方式将相邻多个站址的RRU通过裸光纤串联，将其配置为一个小区，接入同一个BBU处理。BBU+RRU组网方式非常适用于高铁覆盖，多个RRU用于扩大覆盖范围;多个RRU配置为同一个小区可以缓解终端驻留小区时间过短问题，保证终端随机接入流程在单个小区内完成，减少频繁切换引起的掉话。可根据实际话务量选择采用BBU+3RRU、BBU+4RRU或BBU+6RRU合并组网。

4.总结

随着无线通信网络发展到5G时代，用户对网络质量的要求日渐提高。本文从规划的角度对高铁TD-LTE组网覆盖策略展开分析，根据高铁TD-LTE网络的覆盖特性，及影响站址规划布局的因素，提出合理化建议，有助于对高铁场景的TD-LTE网络准确规划和优化，从而解决高铁组网规划不科学引起的优化难题。

参考文献

[1]肖清华.TD-LTE网络规划设计与优化[M].北京：人民邮电出版社2013.7

[2]李明欣.4G网络专项优化技术实践[M].北京：人民邮电出版社2018.2

[3]邓亮.基于FDD-LTE的特大桥无线网络覆盖规划及优化[J].电信技术，2016，04：69-72

作者简介：严展鸿，（1986.2 -），男，广东省广州市，汉族，学士，中级工程师/咨询设计师;长期从事无线网规划、优化研究与实践、新技术研究等工作，主要研究方向为优化策略研究、垂直行业专网规划等。