高铁LTE网络覆盖研究
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【摘 要】针对高铁lte网络覆盖进行分析研究。首先论述了高铁LTE网络覆盖的特殊性，然后从列车车厢的穿透损耗、多普勒频移特点以及高铁轨道线状延伸特性等几个方面进行分析，得出高铁站点规划与布局的总体原则，并对一些特殊场景的站点规划及高铁LTE网络的主要规划参数设计进行了论述，同时又对高铁LTE专网的切换策略进行了分析研究，最后通过高铁LTE网络建设后的实际测试效果验证了整个方案的合理有效性。
【关键词】高铁 LTE网络 多普勒频移 切换策略
doi：10.3969/j.issn.1006-1010.2016.01.017 中图分类号：TN929.5 文献标识码：A 文章编号：1006-1010（2016）01-0084-07
引用格式：樊学宝，何春霞. 高铁LTE网络覆盖研究[J]. 移动通信， 2016，40（1）： 84-90.
Research on LTE Network Coverage of High-Speed Railway
FAN Xue-bao， HE Chun-xia
（China United Network Communications Co.， Ltd.， Guangzhou Branch， Guangzhou 510630， China）
[Abstract] This paper focuses on the analysis on LTE network coverage of high-speed railway. Firstly， the specificities of LTE network coverage of high-speed railway were addressed. Then， from aspects of train’s penetration loss， Doppler shift and the linear extension of high-speed railway track， the overall principle of the planning and deployment for high-speed railway stations was derived. The station planning for special scenario and main planning parameter designs for high-speed railway LTE network were discussed. In addition， the handover strategy for high-speed railway LTE network was researched. Finally， the feasibility and effectiveness of the proposed solution were proved by the practical test results of high-speed railway LTE network.
[Key words]high-speed railway LTE network Doppler shift handoff strategy
1 引言
高铁即高速铁路，是当今铁路技术发展的又一新高度，它具有速度快、效益高、污染少等优点，是国民经济的重要载体之一。近几年，随着我国经济的高速发展，各地高铁线路应运而生，而对高铁线路的无线信号覆盖也成为各运营商进行网络部署的一项重要工作，尤其是伴随4G LTE网络的逐步开通，用户对数据业务的要求越来越高，高铁的LTE网络覆盖自然成为了打响品牌和知名度的必争之地。因此，如何合理完美地做好高铁LTE网络的覆盖，并保证各小区的合理划分及小区间的顺畅切换，从而让用户在乘坐高铁的旅途中享受到一个优质连续的4G网络，便成为要深入分析研究的一个重要课题。
2 高铁LTE网络覆盖的特殊性
高铁作为城市之间的一种高速轨道交通工具，其运营时速往往超过300km/h，因此高铁沿线及站台的LTE无线网络覆盖与通常的室外宏站以及室内分布覆盖方式相比，具有其自身的区别和特点。
（1）高铁通常运行在城市与城市之间，包括站台覆盖和轨道沿线覆盖，而高速铁路轨道会存在隧道、桥梁、弯道等各种情况，因此覆盖场景复杂多样化。
（2）高铁的网络覆盖主要为轨道的沿线覆盖，其呈线状覆盖的特性。
（3）高铁的实验时速已突破500km/h，运营时速超过300km/h，其高速特性势必会给无线网络覆盖带来严重的多普勒频移问题。
（4）高铁的车厢为金属材料，且为密闭式厢体设计，对信号屏蔽严重，穿透损耗大。
（5）高铁列车的高速特性对移动用户在小区间的切换和重选提出了更高的要求;由于UE终端穿越切换区域的时间接近甚至小于切换响应时间，因此很容易出现脱网、小区切换失败等网络问题。
（6）高铁的高速运行会导致移动终端在TA边界处的极短时间内产生大量TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）信令，给网络带来信令冲击风险。
3 高铁LTE整体组网方案概述
基于高铁无线网络覆盖的自身特点，本次武广高铁的LTE网络覆盖站点将伴随铁路轨道延伸呈线状分布。考虑到现有3G网络覆盖为专网形式，因此4G也同样采用专网形式覆盖，站址除共站部分现网3G站点建设外，在站距相对较远的地方适当增加新站址。在设备选用上，由于现有3G/4G网络采用相同厂家设备，因此高铁的专网设备同样采用相同厂家设备，从而不但能够保证语音CS业务到3G网络的良好回落时延及成功率，而且为移动用户在站台处专网与公网间的无缝切换打好基础，同时也使后续网络的优化及维护降低了难度。
在无线网络频段和带宽的选择上，根据当前4G无线网络频段的实际拥有情况，武广高铁LTE网络采用与公网相同的频段（1.8GHz频段），带宽同样采用20M。由于LTE网络仅有PS域业务，且目前没有开通VoLTE，因此移动用户的CS业务采用CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）方式统一回落到3G网络第一频点F1承载语音业务。
4 高铁LTE网络的覆盖规划
高铁LTE网络的覆盖规划主要包括站址的规划与布局，小区的划分与小区间切换带的设计以及一些主要的网络规划参数设计，下面就以武广高铁为例从这3个方面进行详细的分析论述。
4.1 站址的规划与布局
对于高铁LTE网络站址的规划与布局，既要考虑到站点的覆盖距离，又要保证高铁列车车厢内移动用户的接收信号强度。而高铁列车车厢主要为金属材料，且采用密闭箱体式设计，对信号的屏蔽严重，因此必须要考虑信号对列车车厢的穿透损耗。
（1）高铁列车穿透损耗
不同列车由于材质上的差异，其对于无线信号的穿透损耗差别也较大。如表1所示是高铁常用列车车型及信号的穿透损耗情况（频段：1.8GHz）：
武广高铁主要有两种车型：CRH2和CRH3，其中CRH3车型损耗值更高，在24～26dB左右。另外，对于同一车型不同的信号，入射角也会对应不同的穿透损耗，如图1所示，当无线信号垂直入射车厢时，相应的穿透损耗最小;相反，无线信号的入射角越小，穿透损耗越大。因此，当基站的位置垂直于铁道的距离越近时，覆盖区边缘信号进入车厢的入射角就会越小，而穿透损耗会越大。经实际测试表明，当入射角小于10°以后，随着角度的减小，车厢穿透损耗增加的变化率越大，呈快速上升状态。因此，合理的控制入射角，将能够更好地满足高速轨道覆盖目标。
（2）多普勒频移
高铁列车高速运行必然会带来多普勒效应，导致接收机和发射机之间产生频率偏差，且这种频偏效应是时变的，它的频率变化的大小和快慢与列车的速度相关（列车进站、出站、途中调度，其运行时速都会变化），从而导致接收机的解调性能下降，直接影响移动终端的接入成功率、切换成功率，同时也会对LTE系统的容量和覆盖产生影响。
多普勒频移的计算公式为：。可见，多普勒效应不但与无线信号频率f及列车的移动速度v相关，而且与终端移动的方向和基站信号传播方向的夹角θ有关（如图1所示），当终端移动的方向和基站信号传播方向的夹角θ趋于0°或180°时，存在最大频率偏移。而在基站小区覆盖半径r一定的情况下，基站与轨道的垂直距离d越小，夹角θ就会越小，那么多普勒频移就会越明显，因此，为了削弱多普勒效应产生的影响，除了选用设备本身具备良好的频率校正与补偿功能外，基站站址的合理选择也至关重要。虽然基站距离轨道越近，小区对列车轨道的覆盖距离会越远，但过近的基站与轨道间距离也会使多普勒频移越发明显。下面是根据多普勒频移公式得出的在一定频率下列车及终端移动速度与频率偏移量的关系，如表2所示。
（3）站址的规划与布局
武广高铁的LTE网络覆盖主要包括两大部分，一部分是轨道沿线的覆盖，另一部分是高铁站台及售票大厅的覆盖。而对高铁站台及售票大厅的覆盖主要采用室内分布形式，与通常的室内分布覆盖基本相同，因此重点分析对铁路轨道沿线的覆盖。
1）高铁轨道常规场景站点布局
首先明确的是对武广高铁的LTE网络覆盖站点将伴随铁路轨道的延伸呈线状分布，这样可以保证用最小的物理站点数最大化地覆盖轨道沿线，从而形成清晰的链状主服务小区，使高铁覆盖的小区信号在铁路沿线具有绝对优势，这对提高小区选择/重选和切换的准确性是非常有利的。另外，高铁站址的选择尽量交错分布于铁路轨道两侧，采用双侧覆盖车厢的方法，呈“之”字形布站，如图2所示。这样可有效避免单侧覆盖所产生的障碍物盲点效应，减少了实际穿透损耗，从而使得车厢内两侧用户接收信号质量更加均匀。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3～5dB。采用“之”字形布站可有效减少这3～5dB的覆盖重叠区，从而达到改善切换区域的目的。
2）特殊场景站点布局
高铁轨道往往会存在隧道、弯道、桥梁等各种场景，对覆盖这些场景的站点布局会略有不同。
隧道场景：隧道内无线信号屏蔽效应很强，通常的室外宏站信号很难覆盖到隧道内部，直接会影响到隧道内移动终端的无线信号接收，甚至会导致信号中断。对于小于1km的短直隧道，可以采用由隧道两端通过室外定向天线的方式向隧道内覆盖，且两面天线最好设置为同一个小区，以避免在隧道内切换影响覆盖效果。而对于较长的隧道可采用泄漏电缆的方式进行覆盖，天馈安装高度一般在车窗上方位置的隧道墙壁上。
弯道场景：在实际中，高铁列车轨道势必会存在弯曲部分，而在轨道弯曲部分设置站点时，尽量选在轨道弯曲曲线弧的内侧，这样不但可以有效地保证站点对轨道的覆盖，而且会增大无线信号覆盖列车车厢的入射角，从而可以对多普勒频移有一定的削弱作用，如图3所示：
桥梁场景：桥梁场景的特点是桥面无线传播环境空旷，但桥上站址选择困难，施工条件非常有限。在武广高铁中采用了在桥的两端架设基站天线进行覆盖的方式，如图3所示。
3）天线选型
在天线的选型上，为了增加单基站的覆盖距离，尽量减少切换次数，一般采用高增益窄波瓣天线对高铁进行覆盖，这样不但可以弥补多普勒频移对性能的影响，又可以增大覆盖距离。高增益窄波瓣天线通常可以做到增益18～21dBi，波瓣宽度35°。而对于弯道场景则要选择宽波束天线，增大覆盖面积。对于短直隧道通过两端隧道口向内覆盖方式时，可以采用方向性更强的八木天线;而较长的隧道则考虑通过泄漏电缆进行隧道内的均匀覆盖。
4）站点分布及链路预算
高铁运行在城市与城市之间，其轨道必然会穿过密集城区，也会经过郊区开阔地带，因此，常规场景下对高铁覆盖站点的链路预算分为城区密集区和郊区开阔带两部分。高铁LTE站点链路预算项目参数取定如表3所示：
MCS设置 下行DL：QPSK0.30;上行UL：QPSK0.31
业务目标 下行DL：4Mbps;上行UL：256kbps
从表3链路预算得出站点小区覆盖半径如表4所示：
在城区部分，由于建筑物较密集，穿透损耗大，且站址往往建设在周边建筑物上，因此站高偏矮，覆盖距离近，一般控制站点高度不低于20m。而郊区开阔地带无线环境相对较好，小区覆盖距离也相对远些，站高通常控制在不低于35m。由以上链路预算可知，城区LTE站点小区覆盖半径约0.38km，郊区开阔地带覆盖半径约1.22km。
通过上文分析，总结得出高铁LTE覆盖站点整体沿轨道延伸呈线状分布，且呈“之”字形分布在轨道两侧。又由车厢穿透损耗分析及多普勒频移分析可知，站点选择距离轨道垂直距离不能过近，尽量保证信号入射角要大于10°，因此由站点小区覆盖半径可以计算得：站点距离轨道的垂直距离不能小于100m，而超过300m则又会影响小区覆盖距离，一般常规35m高的站点覆盖半径为1.2km，则站点垂直距离轨道在200m左右为合适。
4.2 多小区合并及切换带的规划设计
高铁列车高速行驶，如按常规方式设置LTE覆盖小区，那么列车将会在很短的时间内穿越多个小区覆盖范围，必然引起频繁的小区间切换和重选。假设列车以300km/h速度行驶，则列车每10s左右就将进行一次小区间切换/重选，而频繁的小区切换/重选将极大降低网络的性能，影响用户使用感知。因此，在武广高铁LTE网络小区采用多RRU共小区的方案。在郊区轨道覆盖满足容量要求的条件下可将6个RRU进行合并小区设置，列车在其间运行时无需进行小区切换，极大地减少了小区切换/重选次数，提升了用户业务体验。
然而，高铁列车始终是要经过两个不同的小区覆盖范围，也必然会进行小区切换，而切换的时延直接决定了不同小区间重叠覆盖区的大小。切换时延即从UE终端测量到目标小区信号强度高于服务小区信号强度的某个门限开始到切换完成所需的时间。为保证切换的成功率，通常将切换过程分为3个部分（如图4所示）：过渡区域A、切换执行区B和保护区域C。过渡区域A即邻区信号强度达到切换门限所需要的距离，切换执行区B即满足A3事件至切换完成所需要的距离，保护区域C就是切换测量开始后，防止由于信号波动需重新测量而影响切换的保留余量。
在正常情况下LTE切换迟滞为2dB、切换时延为320+100=420（ms）、保留余量2dB，其中切换迟滞及保留余量是考虑主邻小区的差值，即1dB的物理过渡区域，得出切换重叠区域如表5所示：
由表5可见，要有效保证切换成功率，武广高铁两小区间切换重叠覆盖距离至少为282m。
4.3 主要网络规划参数设计
（1）TA跟踪区规划
TA（Tracking Area，跟踪区）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TAU信令开销，有效控制系统信令负荷。武广高铁在广州境内的长度约70km，覆盖物理站点数46个，且为专网覆盖，因此可以将覆盖武广高铁的所有LTE站点小区统一划分为一个专门的TA，在寻呼容量上完全能够满足网络需求，并避免了大量的TAU更新信令冲击。
（2）PCI规划
PCI（Physical Cell ID，物理小区标识）用于区分不同小区，在终端下行同步时使用，高铁PCI规划原则与一般宏站基本相同。要注意避免高铁专网小区的PCI与周边公网宏站PCI相同造成的冲突。另外在PCI模3规划上，应优先考虑专网小区间的模3错开，其次再考虑与公网宏站近距离小区的模3错开。对于站台、售票厅覆盖小区要与线路专网覆盖小区和公网宏站小区PCI错开，保证PCI复用距离足够长，同时降低PCI模3冲突几率。
（3）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规划方法与普通公网宏站规划方法不同。首先要将覆盖高铁的专网小区特性设置为高速小区标识，采用高速小区下的PRACH规划方法计算循环移位取值，然后基于高速场景的覆盖半径和NCS进行根序列选择。
由于武广高铁站间距都在2.5km以内，保守选择小区半径取在5km范围内，因此根序列索引选择6，NCS取值46，根序列可选择取值范围为76～765，相邻小区根序列最大间隔为20，如表6所示。另外，根据LTE全网统一规划选取76～276个根序列为武广高铁专用，轨道两边3层站点不得使用该段的根序列，避免高铁专网小区出现与近距离宏站小区采用相同PRACH根序列的可能性。
5 高铁LTE专网切换策略
武广高铁LTE专网切换策略主要分为2个场景，一个是轨道沿线场景，一个是车站场景。
（1）轨道沿线专网切换策略
高铁列车在轨道运行期间，只需考虑链形小区前后两个方向上各一个小区做双向邻区即可，与公网小区不配置邻区关系，如下：
1）高铁轨道沿线上相邻专网小区间互配邻区，并通过优化A3事件的偏移值来调整切换带，保证专网用户在沿线小区间的成功切换;通过优化减少专网小区间的重选时间和重选磁滞来保证重选的流畅。
2）专网小区不配置与公网小区的邻区关系，从而保证周边公网用户不切换到专网，影响专网的容量;专网高速移动的用户不致切换到公网影响客户业务体验感知。
轨道沿线LTE专网切换策略示意图如图5所示：
（2）车站专网切换策略
车站LTE网络存在3个部分：高铁专网、车站室内分布系统和公网。相关的切换策略如下：
1）高铁专网与车站室内分布系统间配置双向邻区关系，保证移动用户在车站室分覆盖系统与高铁专网间的顺畅切换。
2）专网与站台室分覆盖系统的切换位置尽量不要落在列车站台上下车区域，避免列车到站后短时间内大量用户频繁切换或重选。
3）车站室内分布系统与LTE公网间配置双向邻区关系。
4）高铁专网与LTE公网间不配置邻区关系。
车站LTE专网切换策略示意图如图6所示：
6 高铁LTE网络实际测试情况
武广高铁在广州境内全长约70km，按以上原则建设LTE专网物理点46个，平均站间距为1.5km，站点与轨道垂直距离平均为200m左右。武广高铁LTE网络建设概况如图7所示。
武广高铁覆盖电平及质量测试情况如图8所示。
根据测试结果，主覆盖小区RSRP平均在-95～ -76dBm，大部分区域覆盖良好且连续，没有明显的覆盖空洞，SINR值受车速影响较大，且受周边公网基站的影响，有个别点状存在负值情况，整体情况普遍在0～10，在近基站范围处可到15，总体情况符合预期。
7 结论
高铁轨道呈线状延伸，并且列车移动速度快，这些特点决定了高铁的LTE网络覆盖与通常的室外网络覆盖存在较大的差别。本次通过对武广高铁LTE网络覆盖的分析研究，找出了高铁覆盖的特殊性，并从站点的规划与布局、小区合并设置、切换带的设计、主要网络规划参数的设计以及小区间切换策略几个方面入手做了深入分析，并采取了适合高铁LTE网络覆盖的处理办法。经过实际的测试验证，达到了预期的效果。本文并没有讨论LTE网络的容量规划，原因是当前LTE网络还处在建网初期，网络容量不是瓶颈，完全能保证良好的业务体验，如未来用户数提升，可考虑利用双载波扩容或多载波聚合等方式解决。
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