浅谈高速铁路的LTE无线网网络覆盖

1、浅谈高速铁路的LTE无线网网络覆盖一、 高铁4G无线网覆盖背景高速铁路，简称“高铁”，是指通过改造原有线路（直线化、轨距标准化），使最高营运速率达到不小于每小时200公里，或者专门修建新的“高速新线”，使营运速率达到每小时至少250公里的铁路系统。高速铁路除了在列车在营运达到一定速度标准外，车辆、路轨、操作都需要配合提升。随着环境问题的日益严峻，交通运输各行业中，从单位运量的能源消耗、对环境资源的占用、对环境质量的保护、对自然环境的适应以及运营安全等方面来综合分析，铁路的优势最为明显。然而高铁将通过中国大部分，把中国变成一个“中国村”。 图1-1 CRH（China Railway High-

2、speed)，即中国高速铁路与传统的高速公路和航空运输相比，高铁的主要优势有：载客量高、输送力强、速度较快、安全性好、正点率高、舒适方便、能耗较低。高铁作为一种高效经济的城际交通方式，日渐成为人们中长距离出行的首选。随着智能终端及移动互联网业务的高速发展，用户搭乘高铁出行时，有越来越多的移动办公和网络娱乐需求，如电话会议、视频点播、互动游戏、上网等。由于高端商务客户云集，高铁通信逐步成为各运营商品牌展示、获取可观经济利润及拉升高端客户黏合度的新竞争领域。如何在高速运行、客流集中、业务容量高、部署场景复杂的高铁内提供高质量的网络覆盖，成为运营商和设备商面临的重大挑战。图1-2 2020年中国高速

3、铁路网络二、 高铁无线网络覆盖面临的问题1、 穿透损耗大，高速铁路的新型列车采用全封闭车厢结构，车箱体为不锈钢或铝合金等金属材料，车窗玻璃为较厚的玻璃材料，导室外无线信号在高速列车内的穿透损耗较大，给车体内的无线覆盖带来较大困难。不同的入射角对应的穿透损耗不同，当信号垂直入射时的穿透损耗最小。当基站的垂直位置距离铁道较近时，覆盖区边缘信号进入，车厢的入射角小，穿透损耗大。实际测试表明，当入射角小于10度以后，穿透损耗增加的斜率变大。 图2-1 各型列车对无线信号的穿透损耗2、 多普勒频偏，列车高速运动将引起多普勒频偏，导致接收端接收信号频率发生变化，且频率变化的大小和快慢与列车的速度相关。高速

4、引起的大频偏对于接收机解调性能提升是一个极大的挑战。多普勒频移计算方法：其中v为车速，c为光速，f为工作频率;改变基站与铁路的间距，可得多普勒频偏与d的关系如下3、 切换频繁，由于单站覆盖范围有限，列车高速移动将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，进而影响网络的整体性能。由于高铁列车的穿透损耗，为满足覆盖设计目标单RRU覆盖范围不会太大若在无多RRU小区合并的情况下，假设列车以300km/h速度运行，则列车每10秒左右将进行一次小区间切换，频繁的小区切换将极大降低网络的性能。三、 LTE无线网覆盖关键技术1、 各设备厂商对抗多普勒频移费的方法中兴公司的自适应频率补偿技术：高

5、铁覆盖由于属于高速运行环境，多普勒效应明显，甚至在基站上将产生二倍频偏，严重影响基站的解调性能，直接导致信号质量急剧下降。采用自适应频率补偿技术对抗多普勒频移，相对于静止状态，高速状态下频偏值为1500Hz时仅存在0.2dB左右的性能损失，避免了信号失真。华为公司的AFC算法：AFC是针对铁路快速移动的特点设计的基站频率校正算法，通过快速测算由于高速所带来的频率偏移，补偿多普勒效应，改善无线链路的稳定性，从而提高解调性能；AFC算法是唯一通过430公里时速验证的系统；在综合考虑了协议要求、高铁频偏模型、隧道覆盖模型、实际高速场景（外场实测信号）的基础上，根据不同业务信道结构特征，设计了性能优异

6、的AFC算法，支持450 Km/h的终端运动速度。2、 超级小区方案降低切换和重选次数不同基站的射频模块采用相同的频率及参数设置，在逻辑上设置为同一小区。通过将相邻的射频模块设置为同一小区，可以有效避免传统覆盖方案中切换过于频繁的问题，同时可缓解小区间的干扰问题。超级小区方案还可增加高铁专网单个小区的覆盖面积，不仅减少了专网的切换次数，提升了网络指标，还可以有效减少站点需求数，减少配套、土建等投资。3、 成熟的网优手段有效提升高铁覆盖性能和普通覆盖场景相比，高铁覆盖的参数优化更加复杂和敏感。通讯凭借多年的网络优化经验，摸索出一套成熟的高铁网优手段，可有效提升高铁覆盖的网络性能。高铁移动速度快，

7、导致终端在一个小区驻留时间内可能无法完成小区选择，通过优化手段可排除一些不需要或重复的系统信息，简化邻区关系，降低重选时间；还可以合理设置重叠覆盖区，保证小区重选成功率；优化切换参数，缩短切换时延；优化呼叫流程，缩短呼叫时延；合理设置计时器参数。4、 LTE回传方案为了进一步提升高铁覆盖性能，一些设备厂家提出了LTE回传方案。LTE回传方案在高铁内部署LTE机载台，在高铁外部署LTE机载台天线，机载台将接收到的LTE信号经过解调和放大再传输给下一层部署的LTE室内微基站或WiFi信号转发器（见图1）。这样做可极大提升高铁内部网络覆盖质量。简述回传技术对于高铁覆盖的意义1.网络架构创新，从根本上

8、解决无线信号穿透车体所带来的损耗；2.利用车体穿透损耗，避免车厢外的公网信号给车厢内分布网络带来的无线干扰；3.车载天线可选用高增益天线以改善车载台与基站之间的无线链路；4.为车厢内部用户提供相对静止的无线传播环境，提升网络服务性能。四、 LTE网络规划设计注意要点1、 高铁组网规划高铁采用双通道RRU进行覆盖组网，利用MIMO提升网络数据业务速率；同时采用多RRU小区合并，减少小区间切换，从而提升网络性能。图4-1 单杆双RRU背靠背双向覆盖方案1）双通道RRU组网体积小，方便部署，同时可结合双通道天线实现MIMO可实现多个RRU级联，降低工程实施难度。2）多RRU小区合并组网高铁场景下，最

9、大可支持6个RRU进行小区合并多个子站合并为一个小区，列车经过无需进行小区切换，提高性能。3）方案优势：RRU光纤拉远，适合高铁线性覆盖，便于光纤铺设；BBU集中放置，便于站址获取，集中管理和维护多RRU小区合并，减少小区间切换，提升网络性能。2、高铁切换重叠带设计合理的重叠覆盖区域规划是实现网络业务连续的基础，重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会导致干扰增加，进而影响用户业务感知，因此高铁覆盖规划中要合理设计重叠覆盖区域图4-2 重叠覆盖带设计小区切换重叠带划分：过渡区域A：邻区信号强度达到切换门限所需要的距离切换执行B：满足A3事件至切换完成所需要的距离，此处考虑2次切换需求距离考虑单

10、次切换时，重叠距离= 2* (切换迟滞对应距离+切换测量距离（128ms）+2次切换执行距离（50ms)移动速度(km/h)过渡区域A（m）切换区域B（m）切换重叠需求距离（m）20040101002504013106300401511035040181164004020120表4-1考虑单次切换时的叠距离考虑二次切换时，重叠距离=2* (切换迟滞对应距离+1次切换测量距离（128ms）+定时器（500ms）+2次切换测量距离（128ms）+2次切换执行距离（50ms）)移动速度(km/h)过渡区域A（m）切换区域B（m）切换重叠需求距离（m）2004042170250405319230040

11、6321635040732384004084260表4-2考虑二次切换时的重叠距离3、高铁覆盖链路预算(F)高铁覆盖规划: 考虑终端在车内，即规划中需要考虑列车车体的穿透损耗 高铁环境简单，基站与列车之间无遮挡，属于直视径传输；因此传播模型采用Cost231-hata 模型，其中高铁场景Cm修正值：Cm=-20（F） 覆盖规划中，考虑列车车体最大损耗（F频段 24dB）,天线增益18dBi 高铁覆盖规划目标基于RSRP>-110dBm进行链路预算 估算主要考虑3种典型站高结构：10m，20m以及35m；出于安全考虑高铁铁轨通常比地面高出10米左右，因此该站高均为相对铁轨的高度发射端工作频

12、率MHz189018901890RS功率/portdBm12.212.212.2基站天线增益dBm181818馈线和接头损耗dB0.50.50.5EIRB/REdBm303030接收端终端接收电平dBm-110-110-110储备阴影衰落余量/慢衰落储备dB4.054.054.05车厢穿透损耗dB242424储备总计dB28.0528.0528.05最大允许路损dB111.66111.66111.66覆盖站点相对高度m352010覆盖半径km0.82650.67380.5357表4-3高铁F频段覆盖距离估算站点相对铁轨高度站离铁轨300m内站离铁轨100m内非小区边界杆间距小区边界杆间距非小区

13、边界杆间距小区边界杆间距35< 1500m< 1300m< 1600m< 1400m20< 1200m<1000m< 1300m<1100m10< 900m<700m< 1050<850m表4-4高铁F频段双RRU背靠背组网方案间距估算4、高铁覆盖链路预算(D)高铁覆盖规划: 考虑终端在车内，即规划中需要考虑列车车体的穿透损耗 高铁环境简单，基站与列车之间无遮挡，属于直视径传输；因此传播模型采用Cost231-hata 模型，其中高铁场景Cm修正值：Cm=-23（D） 覆盖规划中，考虑列车车体最大损耗（D频段 27dB）,

14、天线增益18dBi 高铁覆盖规划目标基于RSRP>-110dBm进行链路预算 估算主要考虑3种典型站高结构：10m，20m以及35m；出于安全考虑高铁铁轨通常比地面高出10米左右，因此该站高均为相对铁轨的高度发射端工作频率MHz260026002600RS功率/portdBm12.212.212.2基站天线增益dBm181818馈线和接头损耗dB444EIRB/REdBm262626接收端终端接收电平dBm-110-110-110储备阴影衰落余量/慢衰落储备dB4.054.054.05车厢穿透损耗dB272727储备总计dB31.0531.0531.05最大允许路损dB105.16105

15、.16105.16覆盖站点相对高度m352010覆盖半径km0.48330.40340.3292表4-5高铁D频段覆盖距离估算站点相对铁轨高度站离铁轨300m内站离铁轨100m内非小区边界杆间距小区边界杆间距非小区边界杆间距小区边界杆间距35< 1050m< 850m< 1200m< 1000m20< 800m< 600m<1000m< 550m10< 600m< 400m< 800m< 600m表4-6高铁D频段双RRU背靠背组网方案间距估算5、高铁公专网邻区规划1）车站室分与高铁专网的邻区规划根据切换策略，在车站站台位

16、置，高铁专网站点需要与车站室分互相切换，邻区规划需要遵循如下原则Ø1.高铁专网和车站室分互配邻区关系Ø2.专网与站台室分切换位置尽量不要落在列车站台上下车区域Ø3.车站室分与公网互配邻区。2）铁路沿线高铁在运行期间的区段上只需要考虑链形小区前后2个方向上各一个小区做为邻区即可，与公网的邻区规划，建议配置单向邻区，如下：Ø1.高铁路线上专网间互配邻区，保证专网用户在路线小区间的成功切换。Ø2.与周边宏网站点配置单向邻区，保证公网用户不切换到专网，从而影响专网的容量。6、高铁无线网参数规划1）PCI规划：PCI用于区分不用小区，在终端下行同步时使用

17、，高铁PCI规划原则与宏站基本相同： 1.同频邻区中不能出现相同PCI。2.保证高铁小区与路线上的前后小区PCI模3错开，同时与相近宏网强邻区PCI模3错开。2）PRACH规划：PRACH信道用作随机接入，是用户进行初始连接、切换、连接重建立的保障。高铁场景PRACH规划方法与普通宏网存在较大不同： 1.采用高速下PRACH规划方法计算循环移位取值。2.基于高速场景的要求进行根序列选择。3）TA规划：TA（跟踪区）用于终端寻呼及位置更新管理 高铁TA规划原则： 1.高铁路线上尽量规划为同一个TAlist，减少大量用户跨TAlist带来的TAU信令冲击。2.TAlist边界建议规划于低速地带。3

18、.TAlist不跨MME。7、隧道覆盖方案1）定向天线隧道覆盖方案2）泄露电缆隧道覆盖方案3）方案对比定向天线方案：1、隧道内天线架设难度大，适合短隧道覆盖场景。2、直线传播，对于弯曲的隧道场景效果相对较差。3、隧道信号填充效果明显，信号覆盖效果不佳。泄露电缆方案：1、泄露电缆布放简单、难度小，适用多种隧道场景。2、泄露电缆损耗较大，成本较高。定向天线与泄露电缆覆盖均有各自的优缺点，实际网络中隧道种类繁多，建设中建议采用定向天线+泄露电缆的方式进行覆盖。4）覆盖场景1、长隧道覆盖：2：连续隧道覆盖：隧道内采用泄露电缆进行覆盖，两侧洞口采用定向天线朝外延伸，增大室外宏站与隧道区域的重叠覆盖带区域

19、，保证切换的顺利完成。8、隧道覆盖估算1）隧道内泄露电缆覆盖估算PLmax=PRRU(LPOI+Pdes+L1+L2+L3+L4); 各参数说明如下：üPRRU：RRU的输出功率üLPOI：POI系统的插损，一般设计要求POI插损小于6dB， 此处取5dBüPdes ：接收端的覆盖电平要求，此处为-110dBmüL1：泄露电缆95% 2m处的耦合损耗üL2：人体损耗，LTE主要为数据业务，暂不考虑人体损耗，默认取0dBüL3：宽度因子，L3=10lg(d/2)，d为移动台距离漏缆的距离，默认取4m2）隧道内泄露电缆覆盖估算RS功率/p

20、ortdBm12.2馈线和接头损耗dB0.5终端接收电平dBm-110车厢穿透损耗dB24宽度因子dB3POI插损dB5最大允许路损dB89.71耦合损耗dB66漏缆百米损耗dB4.29覆盖距离m552.63841.隧道内重叠覆盖估算方法同宏站，估算结果为300km/h左右时，隧道内小区间重叠覆盖区域约200米左右2.采用泄露电缆覆盖，F频段小区边界RRU间距建议不大于850m，非小区边界站点间距不大于1.1km；3.对于中小型隧道，建议隧道覆盖区域RRU合并为一个小区，以避免隧道内的小区切换9、高铁容量规划1）高铁列车用户量估算1.乘客量估算（以CRH3型列车为例） 标配8节车厢，通常采用重联方式，即单列车共16节车厢 列车一等座车2节，二等座车12节、带厨房的二等座车2节。一等座共160个，二等座共954个，整列车定员数为1114人2.终端用户量估算考虑列车满载情况，分为网络发展初期及后期两种情况：ü 初期：按照中国移动用户渗透率70%，其中LTE终端渗透率30%，则单列车LTE终端用户数为：234个。ü 后期：按照中国移动用户渗透率70%，其中LTE