LTE高铁覆盖建设方案分析.pdf
830.3KB 30下载 752浏览 暂无评分
2018/01/DTPT
—————————
—
收稿日期：
2017-10-27
0
引言
高速列车具有速度快、效益高、污染少等优点，随
着我国经济的高速发展，高速铁路已成为国民经济的
重要载体之一。高速铁路所穿越的环境错综复杂，高
铁线路的无线网络覆盖已经成为各通信运营商的一
项重要工作，尤其如何合理完美地做好高铁
LTE
网络
的覆盖，保持良好的网络覆盖和接续性能，已经成了
电信运营商打响品牌和知名度的必争之地。
1
高铁信号覆盖的挑战
高铁沿线的
LTE
无线网络覆盖主要有以下几个
难点。
1.1
穿透损耗大
高速列车采用全封闭的车厢结构，无线信号穿透
损耗较大，表
1
列出了各种车型的穿透损耗。
1.2
多普勒频移
多普勒频移是指信号波长随着发射机与接收机
的相对位置变化而变化，相对移动速度越快，频偏越
大。频偏会造成子载波干扰，影响小区选择及切换性
能。不同频段下的多普勒频移见表
2
。
合理的选择基站站址可以减少多普勒频移的影
响，另外各设备厂家开发的自适应频偏校正算法，也
能对频偏予以校正，提升基带性能解调。
以某厂家为例，实测高速状态下上行性能损失控
制良好，不超过
10%
，表
3
给出了采用自适应频偏算法
LTE
高铁覆盖建设方案分析
关键词：
多普勒效应；多小区合并；链路预算
doi
：
10.12045/j.issn.1007-3043.2018.01.017
中图分类号：
TN929.5
文献标识码：
A
文章编号：
1007-3043（2018）01-0076-06
摘
要：
高速列车的
LTE
无线网络覆盖已经势在必行，高铁
LTE
无线覆盖的困难主要体现在
穿透损耗大、多普勒频移、切换频繁和切换区域变长等方面，针对这些困难，分别从
组网方案、切换策略、站间距设置、站轨距计算、小区合并方案、天线设置、网络参数
配置、站址布局等方面进行详细分析，给出高铁场景
LTE
信号覆盖的整体规划思路，
最后详细介绍
3
个典型高铁覆盖场景（U
型槽、隧道、铁路桥）的
LTE
信号覆盖方案。
Abstract
：
It
is
imperative
to
provide
a
good
coverage
of
LTE
wireless
network
in
high-speed
railways.
The
difficulties
of
high-speed
rail-
way
LTE
coverage
mainly
embodies
in
several
aspects，such
as
a
greater
penetration
loss，Doppler
shift，frequent
handover，
and
a
variant
length
of
handover
zone，etc.
Aiming
at
those
difficulties，detailed
analysis
was
provided
in
the
aspect
of
network
scheming，handover
policies，the
setting
of
interval
between
stations，how
to
obtain
the
gauge
of
stations，cell
merging
schemes，antenna
setting，network
parameter
configuration，and
the
layout
of
stations，etc.
Then
a
general
planning
idea
was
put
forward
on
LTE
signal
coverage
in
high-speed
railway
scenarios.
In
the
end，three
different
LTE
signal
coverage
schemes
for
three
corresponding
typical
high-
speed
railway
coverage
scenarios
was
described
in
detail，The
scenarios
are
U-
shape
groove，the
tunnel
and
the
railroad
bridge.
Keywords
：
Doppler
effects；Multi-cell
combining；Link
budget
李树磊
1
，
2
，樊
毅
1
（
1.
陕西天元通信规划设计咨询有限公司，陕西
西安
710119
；
2.
西安邮电大学，陕西
西安
710121
）
Li
Shulei
1
，
2
，
Fan
Yi
1
（
1.
Shaanxi
Tianyuan
Communication
Planning
&
Designing
Consultant
Co.
，
Ltd.
，
Xi
’
an
710119
，
China
；
2.
Xi
’
an
Uni⁃
versity
of
Posts
&
Telecommunications
，
Xi
’
an
710121
，
China
）
Analysis
of
Coverage
and
Construction
Scheme
for
High-speed
Railways
Employing
LTE
Systems
引用格式：
李树磊，樊毅
.
LTE
高铁覆盖建设方案分析［J］.
邮电设计技术，2018（1）：76-81.
无线通信
Radio
Communication
李树磊，樊
毅
LTE
高铁覆盖建设方案分析
76
邮电设计技术
/2018/01
后的性能损耗。
1.3
频繁切换
在高铁场景下，终端的高速移动导致穿越小区的
时间变短，从而造成频繁切换，严重的话会造成小区
重选、掉话率升高，影响用户感知。
针对频繁切换的问题，目前做法是采用多小区合
并技术，将相邻多个小区合并为一个逻辑小区，在同
一个逻辑小区内不会发生切换，从而减少了切换次
数，提高了切换成功率。
1.4
切换区域变长
由于终端的高速移动，小区间切换需要的重叠覆
盖区域变得更大，对小区间站间距规划提出新要求。
2
高铁站址规划
根据各运营商当前的网络制式和发展规划，高铁
沿线网络覆盖的典型配置如表
4
所示。
2.1
组网方案
2.1.1
专网覆盖
高速铁路覆盖可以分为公网组网和专网组网
2
种
方案。公网组网方案利用现有或新建站点，采用与周
边基站相同的频点，在覆盖铁路周边用户的同时，兼
顾覆盖高速列车。专网组网方案是指高铁沿线站点
组成专网，专网只服务于高铁上的用户，高铁沿线的
用户仍由公网服务。专网的频率可以与公网相同，也
可以与公网不同。
LTE
对高速铁路的覆盖建议采用专网组网的形
式，沿线采用链型邻区设计，不与公网切换，以保证用
户在高速移动时良好的网络接续，从而提高通信质
量。
LTE
网络由于频率资源限制，如采用异频专网方
案，高铁专网与公网分别使用
10
MHz
，则峰值速率减
半，频谱利用率降低，影响用户感知，因此，
LTE
高铁网
络宜采用同频专网的组网方式。
2.1.2
切换策略
高铁
LTE
网络采用同频专网组网，需要做好专网
与公网的切换，主要考虑
2
个场景，一个是轨道沿线，
一个是车站。
2.1.2.1
轨道沿线切换策略
轨道沿线的专网小区需要与前后两个小区均配
置为双向邻区，与周边公网小区不配置邻区关系（见
图
1
）。
2.1.2.2
车站专网切换策略
高铁专网在车站与公网的切换，一般会采用车站
室分作为过渡带（见图
2
），配置原则如下：
a
）高铁专网与车站室分配置双向邻区关系，保证
移动用户在车站与高铁之间通话的切换。
b
）车站室分与
LTE
公网间配置双向邻区关系，保
证移动用户在车站内外通话的切换。
c
）高铁专网与
LTE
公网间不配置邻区关系。
2.2
站间距设置
表
2
不同频段下的最大多普勒频移
表
4
高铁各运营商近期系统建设典型需求
型号
CRH1
CRH2
CRH3
CRH5
CRH380
子型号
CRH1A
CRH1B
CRH1E
CRH2A
CRH2B
CRH2C
CRH2E
CRH3C
—
—
CRH380A
CRH380B
CRH380C
CRH380D
运行速度
/
（
km/h
）
200
200
200
250
250
300
250
300
250
300
300
300
300
穿透损耗
/dB
28
24
28
28
26
28
28
28
表
1
列车穿透损耗
列车速度
/
（
km/h
）
150
200
260
320
最大频移
/Hz
800
MHz
频段
下行
111
148
192
236
上行
222
296
384
473
1.8
GHz
频段
下行
249
333
432
532
上行
500
667
867
1
067
2.1
GHz
频段
下行
291
389
505
622
上行
583
778
1
011
1
244
SINR/dB
3
km/h
速度
/
（
Mbit/s
）
300
km/h
速度
/
（
Mbit/s
）
-3
2.8
2.8
1
6.2
6.2
9
14.2
13.9
13
19.6
18.3
17
23.0
21.4
表
3
采用自适应频偏算法后的性能损耗对应表
区域
中国
移动
中国
联通
中国
电信
市区
GSM900
TD-LTE
（
D
频段或
F
频段）
WCDMA
LTE
FDD
CDMA
LTE
FDD
郊区
/
乡镇
GSM900
TD-LTE
（
F
频段）
WCDMA
LTE
FDD
CDMA
LTE
FDD
农村
GSM900
TD-LTE
（
F
频段）
WCDMA
LTE
FDD
CDMA
LTE
FDD
无线通信
Radio
Communication
李树磊，樊
毅
LTE
高铁覆盖建设方案分析
77
2018/01/DTPT
高铁基站的站间距与基站离铁轨的距离、小区覆
盖半径等因素有关，当选址位置离铁轨较近，则入射
角变小，车体的穿透损耗变大，相应站间距变小；如果
选址位置离铁轨较远，则入射角变大，车体的穿透损
耗变小，相应站间距变大；但是如果站址距离铁轨过
远，会造成无线信号衰耗过大，达到列车内时已经无
法满足终端的通话需求。基站站间距的计算公式为：
站间距
=
2
×
(
)
覆盖半径
2
-
站轨距
2
-
切换保护带
使用小区合并功能、同
PN
技术等，小区内的
RRU
之间不需要预留重叠切换带，小区间需要预留，因此
需要分别计算小区内、小区间的
2
种站间距要求。
2.2.1
链路预算
大部分高铁基站与高铁之间无信号遮挡，信号以
直射为主，适合采用
COST-231
Hata
模型，路径损耗公
式如下：
L
m
(
)
d
=
46.3
+
33.9
lg
f
-
13.82
lg
h
te
-
a
(
)
h
re
+
(
)
44.9
-
lg
h
te
lg
d
+
C
M
式中：
h
te
—
—基站天线高度
h
re
—
—移动终端高度
d
—
—基站到移动终端的有效距离
C
M
—
—校正因子。
参考各电信运营商关于高铁覆盖的指导性文件，
从各运营商现有网络中选取覆盖受限的网络如下。
2.2.1.1
中国移动链路预算
中国移动是
TDD-LTE
覆盖受限，按《
4G
网络高速
铁路覆盖技术要求》覆盖概率：
95%
、
RSRP
：
-113
dBm
、
RS
SINR
：
-3dB
、下行边缘用户速率：
1
Mbit/s
（
50
RB
）条件
下的链路预算如表
5
和表
6
所示。
2.2.1.2
中国联通链路预算
中国联通
WCDMA
系统语音业务和
VP
业务为上
行链路受限。表
7
给出了测算的
WCDMA
CS64K
和
FDD-LTE
最大路径损耗及覆盖半径的结论。从链路
预算可以看出，
WCDMA
CS64K
覆盖最为受限，因此基
站站间距以
WCDMA
CS64K
覆盖为准。
2.2.1.3
中国电信链路预算
中国电信是
FDD-LTE
覆盖受限。表
8
给出了测
算的
FDD-LTE
和
CDMA
最大路径损耗及覆盖半径的
图
2
车站
LTE
专网切换示意图
表
5
中国移动
TDD-LTE
无线链路预算
表
6
中国移动
GSM
无线链路预算
表
7
中国联通链路预算表
图
1
轨道沿线
LTE
专网切换示意图
项目
最小接收电平
/dBm
RS
发射功率
/dBm
天线增益
/dBi
馈线及接头损耗
/dB
RS
接收分集增益
/dB
阴影衰落余量（
95%
）
/dB
车体穿透损耗
/dB
车内最大允许路损
/dB
覆盖半径
/m
市区
F
频段
-113
15.2
20
0.5
2
8.29
28
113.41
505
市区
D
频段
-113
15.2
20
0.5
2
8.29
30
111.41
343
郊区、农村
F
频段
-113
15.2
20
0.5
2
6.22
28
115.5
613
项目
最小接收电平
/dBm
信标信道发射功率
/dBm
天线增益
/dBi
馈线及接头损耗
/dB
接收分集增益
/dB
人体及
OTA
损耗
/dB
干扰余量
/dB
快衰落余量
/dB
车体穿透损耗
/dB
阴影衰落余量
/dB
天线挂高
/m
移动台天线挂高
/m
车内最大允许路径损耗
/dB
覆盖半径
/m
市区
上行
-105
33
17
3
3
3
0
3
26
8.3
25
2
114.7
476
郊区
上行
-105
33
17
3
3
3
0
3
26
8.3
25
2
114.7
890
项目
车内最大允许路损
/dB
覆盖半径
/m
WCDMA
CS64
上行
113.4
1
140
FDD
LTE
上行
115.89
1
290
LTE
公网
高铁专网
配置双向邻区
不配置邻区
LTE
公网
配置双向邻区
车站室分
不配置邻区
高铁专网
配置双向邻区
无线通信
Radio
Communication
李树磊，樊
毅
LTE
高铁覆盖建设方案分析
78
邮电设计技术
/2018/01
结论。
2.2.2
重叠区覆盖距离
当高铁列车经过
2
个不同的小区时，需要进行小
区切换，切换时延影响小区间重叠覆盖区的设计。
LTE
系统切换重叠距离计算公式如下：
重叠距离
=2×
（
A
+
B
+
C
+
D
）
×
列车时速
如图
3
所示，
A
区为测量区，终端需要检测到信号
满足
2
dB
的切换电平迟滞所需要的距离，
B
区为终端
检测上报距离，
C
区为切换迟滞时间距离，
D
区为切换
执行距离。
各通信网络重叠覆盖区的计算结果如表
9
所示。
2.2.3
站轨距计算
不同入射角度的穿透损耗不同，随着入射角的减
小，传统损耗增加，当入射角小于
20°
，穿透损耗急剧
变大。表
10
给出了站轨距测算表（最小入射角
20°
）。
站轨距规划时还需要考虑以下因素。
a
）基于不同的运营商基站站间距不同，需要考虑
不同的站点与轨道之间的距离。
b
）为减少多普勒效应，避免“塔下黑”现象，应考
虑基站距离轨道距离不能过小。
c
）考虑高铁设备及列车运行过程中的安全问题，
建议铁塔距离高铁的垂直距离大于铁塔高度，避免因
铁塔倒伏原因至铁路设备受损。
综合以上原则，在
0.8~1.8
km
站间距的情况下，基
站到铁轨的距离应该控制在
100~350
m
为宜，最远不
超过
500
m
。
2.2.4
站间距取定
由于中国移动、中国联通、中国电信
3
家运营商的
使用频率、设备能力及组网方式不同，各运营商对站
间距要求也不一样，具体站间距的建议如表
11
所示。
3
家电信运营商在高铁沿线的站址需考虑共建共
享，在站址选择的时候可以参考如下步骤。
a
）首先选取表
11
中站间距最为受限的网络制式
进行规划布点，作为基础站点网络。
b
）在基础站点网络上，参考表
11
中的站间距，对
其他制式的建设需求进行合并优化。
c
）站址偏移尽量控制在
R
/4
（
R
为基站覆盖半径）
范围内或
D
/6
（
D
为基站平均站距）范围内。
根据各运营商站间距建议，考虑
4
小区合并、
6
塔
桅建设市区和其他区域站间距示例如图
4
所示。
2.3
小区合并技术
小区合并技术是指将多个
RRU
设置为同一逻辑
小区。小区合并技术扩大了小区覆盖范围，减少重选
和切换次数，提升了高速环境下的连续性覆盖性能。
表
8
中国电信链路预算
表
11
各运营商站间距建议取值
表
9
各移动通信系统列车运营速度与重叠区域对应表
图
3
重叠覆盖区示意图
表
10
站轨距测算表
项目
车内最大允许路径损耗
/dB
覆盖半径
/m
FDD
LTE
上
行
115.89
1
290
CDMA
上行
（郊区）
120.04
1
520
CDMA
上行
（农村）
120.04
2
710
车速
/
（
km/h
）
250
300
330
350
380
重叠覆盖区域
/m
WCDMA
（
2.4
s
）
167
200
220
233
253
GSM
（
10
s
）
694
833
917
972
1
056
CDMA
（
0.6
s
）
42
50
55
58
64
LTE
（
2
s
）
139
167
183
194
211
站间距
/km
站轨距最小值
/m
0.5
91
0.8
146
1
182
1.4
255
1.6
291
2.0
364
运营商
中国
移动
中国
联通
中国
电信
GSM
网络
小区内
/
间
小区内
小区间
小区内
小区间
小区内
小区间
小区内
小区间
小区内
小区间
小区内
小区间
站间距
/m
1
000
800
600
400
1
200
1
000
1
800~2
000
1
600~1
800
1
200
1
000
1
800~2
250
1
600~2
200
1
000
1
700
备注
TDD-LTE
市区
F
频段
TDD-LTE
市区
D
频段
TDD-LTE
郊区、农村
F
频段
WCDMA
、
FDD-LTE
市区
CDMA
1X
、
FDD-LTE
郊区、农村
CDMA
1X
、
FDD-LTE
市区专网
郊区专网
小区内
/
间的站间距取值按车速
300
km/h
计算重叠覆盖区域。
A
B
C
D
站间距
重叠覆盖区
覆盖半径
无线通信
Radio
Communication
李树磊，樊
毅
LTE
高铁覆盖建设方案分析
79
2018/01/DTPT
建议
6
个或
12
个
RRU
合并为
1
个小区，更多小区
合并能带来更好性能，实测
12
个
RRU
共小区的数据
下载速率优于
6
个
RRU
共小区。对由于传输受限不
能物理站点间小区合并的，本站
2
个
RRU
做小区合
并，待后期传输具备，再与周边合并。
2.4
天线选择
为了增加单扇区的覆盖范围，高铁沿线基站尽量
采用
33°
21
dBi
的窄波束高增益定向天线，如果基站
的站轨距较大，也可采用
65°
18
dBi
定向天线。
LTE
与其他网络制式共天线安装时，不宜采用室
外异频合路器，虽然合路器造价低，可是合路后会带
来插损，降低网络覆盖效果，应将原天线更换为多端
口天线。
天线挂高应考虑铁轨高度，应保证天线与铁轨轨
面视通，且天线挂高至少高出铁轨
10~20
m
。
2.5
站址布局
铁路覆盖区域是带状，小区与小区之间呈链形结
构，站点尽量交错成“之”字状分布于铁路两侧，这样
增加了相邻小区的重叠覆盖区域，有助于改善切换区
域；并可有效避免单侧覆盖所产生的障碍物盲点效
应，根据现网实际测试经验，分别坐在车厢两侧进行
测试时，平均信号强度相差
3
～
5
dB
，采用“之”字形布
站从而使得车厢内两侧用户接收信号质量更加均匀。
为减小传统损耗，增大入射角度，应选择在拐角
内侧规划站点。
2.6
参数配置
2.6.1
TA
跟踪区规划
TA
用于在
LTE
系统中对移动终端的寻呼及位置
更新管理，跟踪区的合理规划能够均衡寻呼负荷和跟
踪区更新（
TAU
）信令开销，
TA
规划遵循以下原则。
a
）为保证
CSFB
性能，应与
2G
（或
3G
）的
LAC
划分
保持协同。保证
TA
和
LA
的边缘对齐，避免寻呼失败。
b
）高铁路线上应尽量扩大
TA
的范围，减少高铁
跨越
TA
的次数，减少
TAU
信令对网络的冲击。
c
）
TA
边界尽量设置在车站附近等低速运行地
带，延长预留给系统处理
TAU
的时间。
d
）为便于网络管理，应避免
TA
跨厂家设置。
2.6.2
PCI
规划
PCI
用于区分不同小区，在下行同步时使用，高铁
PCI
规划原则与一般宏站基本相同。优先考虑专网小
区间的模
3
错开，再考虑与公网小区的模
3
错开，保证
PCI
复用距离足够长，降低
PCI
模
3
冲突几率。
3
高铁典型场景案例
本节介绍
3
个典型的高铁场景：
U
型槽、隧道、铁
路桥。
3.1
U
型槽道覆盖方案
3.1.1
地形特点
高铁在途径山区地形时，列车往往在沟堑底部通
行，这种沟堑地形也称为
U
形槽道，
U
形槽道往往会伴
随隧道、桥梁等复杂地形，基站选址存在较大困难。
3.1.2
覆盖方案探讨
对
U
形槽地形的覆盖，主要采用以下
2
种方式。
方案
1
：在铁路沿线距离红线
50
m
以外建设铁塔。
方案
2
：在高铁红线内建设桅杆，为保障安全，站
轨距应满足倒杆要求，桅杆应安装背向铁轨的拉线。
这
2
种方案，为了保证信号直射，站轨距均较近，
为保证入射角度，降低衰耗，会造成站间距变小，尤其
是方案
2
，站址密度会更大。
3.1.3
推荐覆盖方案
建议在地势平缓的区域，考虑使用方案
1
；而在地
型复杂的区域，考虑使用方案
2
，采用方案
2
需要得到
铁路部门的许可，并考虑更多的安全措施。
3.2
隧道覆盖方案
图
4
站址规划示意图
小区内按
600
m
，小区间按
400
m
布置塔桅较为经济，覆盖距离
要求较大的天线可挂于塔桅较高位置。
200
600
400
600
400
600
200
800
1
200
1
800
2
200
2
800
距离
中国移动
4G
天线
中国移动
2G
天线
中国联通
W
天线
中国联通
4G
天线
中国电信
4G
天线
中国电信
C
天线
4
700
3
800
3
000
2
100
1
300
400
0
400
900
800
900
800
900
距离
中国移动
4G
天线
中国移动
2G
天线
中国联通
W
天线
中国联通
4G
天线
中国电信
4G
天线
中国电信
C
天线
小区内按
900
m
，小区间按
800
m
布置塔桅较为经济。
城区站址
郊区站址
无线通信
Radio
Communication
李树磊，樊
毅
LTE
高铁覆盖建设方案分析
80
热门文档
相关文档