TD-LTE高速铁路场景专网浅析

发表时间：2017-11-28T11:23:31.563Z 来源：《基层建设》2017年第24期 作者： 李德智

[导读] 摘要：笔者主要从高速铁路 TD-LTE 优化难点与对策、高速铁路 TD-LTE 专网优化策略等及方面探探讨了本文主题，旨在与同行共同学习。

广州瀚信通信科技股份有限公司

摘要：笔者主要从高速铁路 TD-LTE 优化难点与对策、高速铁路 TD-LTE 专网优化策略等及方面探探讨了本文主题，旨在与同行共同学习。

关键词：高速铁路；TD -LTE；专网

近年来，在通信技术不断发展的同时，世界各国对新一代移动通信系统的研究也日益升温，尤其是宽带移动通信在铁路方面的研究，更是红红火火。甬温线特大铁路事故令人们对铁路的安全性更加关注，在这样的背景下，采用哪种新一代通信技术作为铁路最好的选择成为了热切关注的问题。近些年国际组织和国内外企业都有着不同的进程，使得国内外在高速铁路宽带移动通信方面有着一定的发展。

我国高速铁路列车的运行速度越来越快，高速铁路列车速度已经达到了 350 km/h。列车速度的提升以及新型化车厢的问世给铁路带来了高效和舒适，同时这对高速运行环境下的通信服务种类和通信质量的要求也随之提高。铁路的无线通信环境很复杂，除了常见的城市和平原情况外，还有山区、隧道、桥梁等多种特殊场景。铁路的通信涵盖了几乎所有的无线通信场景，这将对铁路无线通信提出更为苛刻的要求。如何在高速度移动环境下保持良好的通信质量和网络覆盖，这无疑是对铁路无线通信技术的极大挑战。

国际电信联盟(ITU) 是领先的联合国机构，近145 年为和企业在发展网络和服务方面解决信息和通信技术问题。拥有我国自主知识产权的 4G 国际通信标准 TD-LTE(Time Division Long Term Evolution，分时长期演进)，其采用的是时分双工的 OFDM(Or-thogonal

Frequency Division Multiplexing，正交频分复用技术)接入方式，是获得国际电信联盟批准的主流标准。2012 年，TD-LTE 网络已经在全国13 个城市完成建设，计划 2013 年建设到 100 个城市的规模应用，这也确保了设备的成熟性。

国际铁路联盟(UIC)是世界铁路最大的国际性标准化机构。我国把 UIC 标准定为国际标准，这些标准是完全涉及铁路行业的。UIC 已经确定铁路宽带移动通信系统的演进路线将跨越 3G 技术，直接由 GSM－Ｒ技术向 LTE 发展，即发展 LTE－Ｒ(for Ｒailway)。 一、场景特点

1. 信道传播环境简单、移动终端速度快

高速铁路轨道地面或悬空架设，周围 30 米内无建筑物，周边基本无超过三层的建筑物。基站天线主要架设在铁塔上，一般高于周边的树木和建筑物，反射物较少，无线传播环境与

农村场景类似，重点以解决覆盖为目标。影响 TD-LTE 系统高速移动通信性能的关键因素是高速移动状态下产生的多普勒频移效应、上下信道相关性减弱以及频繁切换和重选困难等问题。

（1）多普勒频移：终端在移动中会产生多普勒频移，由于基站发射和接收频率不一致，使得解调性能下降。移动速度越快，多普勒频移也越大，基站信号接收性能恶化越厉害。

（2）智能天线波束赋形效果变差：智能天线通过利用上行信道得到的 EBB 权值实时生成主瓣指向目标用户的波束，从而实现目标用户接收信号功率最大化。智能天线快速下行赋形要求上、下行信道必须具备互易性，下行的波束赋形依赖于上行的信道估计结果。在高速移动环境下，上下行信道的相关性变弱，随着速度的提高其赋形增益也会下降。

（3）频繁切换和重选不及时：终端高速移动导致终端穿越切换区的时间变短。当终端穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成导致掉话。高速铁路覆盖小区的切换带较小且距离基站较近，比较容易导致切换失败。同样重选不及时，导致终端脱网。问题。

2. 用户分布集中、车体损耗大

用户都分布在列车车厢内，随着列车运行全体同步运动。用户的切换、小区重选等行为都非常集中，对无线资源的占用具有明显的突发性。而且用户集中在车厢里，智能天线的赋

形效果不佳。列车车体为全封闭结构，车体穿透损耗大。不同类型的车穿透损耗不同，一般在 10~12dB。 二、高速铁路 TD-LTE 优化难点与对策

高速铁路 TD-LTE 专网的优化难点主要分两大类：覆盖难点和指标难点。覆盖难点主要集中在车体屏蔽损耗和高速场景的多普勒频移两方面。指标难点主要是高铁专网外终端驻留专网小区导致的拥塞问题或承载能力下降。 1. 高铁 TD-LTE 网络电平损耗

中国高速铁路列车主要采用 CRH(China RailwayHigh-speed) 车型，车体多为中空铝合金构成。在TD-LTE 引入高铁覆盖后，高铁车体对 TD-LTE 无线信号的屏蔽损耗更为严重，大幅的电平衰减以及车内网络弱覆盖，成为制约高铁无线网络覆盖和质量优化提升的难点之一。实际在国内某高铁 TD-LTE 专网测试后，估评车体损耗按频段细分 F 频段约 24 dBm，D 频

段约 27 dBm，并对 TD-LTE 高铁测试统计无线信号屏蔽损耗附带冗余量后，实际的高铁车体损耗可高达30 dBm。 2. 高铁 TD-LTE 网络多普勒频移

基于多普勒频移公式计算，在高速铁路 300 km/h环境下，F 频段的频偏值低于 D 频段的频偏值（频率越低频偏值越小，可优选），所以在组建高速铁路专网时建议优选 F 频段作为高铁组网频点。以中国移动 TD-LTE 频率偏移计算结果为例，如表 1 所示。

现阶段运营商多以高精度频偏估算和补偿进行多普勒频移的解决。 3. 高速铁路专网外 TD-LTE 终端驻留 高速铁路 TD-LTE 专网易于被外部终端驻留而导致专网出现数据业务下载速率低甚至拥塞的现象，而该现象不仅存在于 TD-LTE 专网内，TD-SCDMA 和GSM 高铁专网也同样遇到相同问题。专网外终端驻留专网的根本原因是公专网覆盖不平衡，其中，电平权重起到了主导作用。具体来源可细分为两个方面 ：一是公网与专网存在相对弱覆盖，二是专网站点位置与铁路场景的契合度不足。 高速铁路专网在建设初期为弥补车厢的穿透损耗多选择大功率设备达到高电平的目的。而铁路周边的终端会在脱网或重新开关机时，因专网相比公网基站的高电平选入专网，后又因专网与公网一般不添加邻区关系而驻留在专网内。同时，公网覆盖不足的问题也是铁路周边终端选入专网的一个基本原因。 三、高速铁路 TD-LTE 专网优化策略 1. 专网精准化选址 高铁列车主要靠列车的窗户穿透进行车厢内覆盖。在早期高铁专网站点选取时，考虑天线的入射角，专网站点与铁路沿线的垂直建议距离设置在 50 ～ 400 m，大多选址不建议小于 100 m。而范围仅为建议距离，实际上高铁穿越场景复杂，物理环境多变，选址时不应一概而论，在考虑天线入射角外更应按实际场景进行选址细分。现阶段铁路周边场景一般细分为城区、郊区和农村。城区场景复杂，铁路周边建筑物较多、人口密集，如专网站点位置距离铁路线过远，必然因专网的高电平而吸入外部终端并随之驻留。所以，高铁专网城区场景下的专网站点选择应贴近铁路，最好优选铁路周边高度适中（高于轨道面 10 ～ 20 m）的建筑物作为专网站址。这样既可避免铁路安全距离的限定，又可降低因站点距离铁路过远而吸收外部终端业务量。城区站点距离可适当缩减，以弥补入射角变小而导致的车厢内电平损耗大的问题。 郊区场景阻挡少，以杆塔为主，点位距离保证安全距离基础上贴近铁路而避免大覆盖范围内存在大量的居民区和厂区终端选入专网，建议站点与铁路的垂直距离控制在 50 ～ 150 m 左右。农村场景基本以开阔地为主，终端密度小，可按建议的距离铁路垂直距离进行选址。所有场景天线均可采用窄波束天线，防止波瓣越区覆盖造成不必要的专网外终端被专网吸收。 2. 公专网差异化构建与联合优化 GSM 专网时期为了防止高铁专网外终端选入专网，除了协调好公专网电平覆盖结构合理化外，可利用异频组网来避免公专网因使用同频造成的终端大量涌入专网的可能。以 GSM 专网为例，公网的 TCH 频点可用于作为专网的主 BCCH 频点。同时，在规划贴近铁路 2～3 层基站频点使用时尽量不规划与高铁同邻的频点。 在 TD-LTE 规划时同样可以利用不同频点频段构建公专网，即距离高铁专网较近的 2 ～ 3 层公网站点与专网异频组网，将专网和公网大网形成隔离带，降低同频导致的公专网站点互相干扰。而涉及的 PRACH 与 PCI值可使用预留值，甚至可将贴近铁路 2 ～ 3 层或 TD-LTE 公网小区与专网小区进行统一规划，联合优化，避免 TD-LTE 高铁专网与公网小区因为优化造成小区冲突或混淆。 3. 专网外终端驻留控制策略 TD-LTE 专网外终端驻留主要是因公专网电平不平衡导致，即电平在无线通信中的权重较其它无线指标重。控制终端专网的选入除了上述合理的基站选址、频点、PCI 差异化组网可缓解终端驻留的问题外。同时，将专网拥塞小区添加周边邻近公网的专到公背向单项邻区关系，并将由专网小区到公网小区的重选切换判决时长拉长，门限调至略高，模拟国内某通信厂家高铁场景下 “慢速迁移，快速切换” 终端分流的优化策略。即基于高铁专网的电平和高铁车速，在终端尚未完成专到公网的邻区判决时间和门限时，已驶出该信源小区或公网小区覆盖范围。而铁路下的终端可基于邻区关系分流出专网。此策略同时适用于 GSM 和 TD-SCDMA专网。 结语： 我国高速铁路日新月异的飞速发展，铁路旅客乘车时移动通信用户的体验更加突出。通过 使用专用网络的TD-LTE高铁覆盖方案，有针对性地进行高铁场景网络规划，能够帮助运营商打造出优质的TD-LTE高铁覆盖网络。 参考文献： [ 1 ]戴源,朱晨鸣. TD-LTE 无线网络规划与设计 [ J ] .人民邮电出版社.2012 ( 6 ) [ 2 ]梁静.移动通信中多普勒效应的研究及仿真 [ J ] .电脑知识与技术. 2009 ( 22 ) [ 3 ]陈虎,陈金鹰.TD-SCDMA网络典型场景的优化 [ J ] .通信与信息技术. 2012 ( 1 ) [ 4 ]陈晨,李长乐.高速铁路通信系统方案研究综述 [ J ] .计算机工程与应用. 2010 ( 34 )