TD—LTE高铁网络规划设计的方法

　1   引言
　　自2008年高速铁路在我国快速发展以来，高铁场景下2G/3G/4G网络覆盖方案一直是移动通信领域内的一个热点课题。UE高速移动场景对移动通信的影响主要体现在多普勒频移效应、高速环境多径效应、UE快速移动导致KPI性能下降等方面。
　　对于一个完整的高铁网络建设方案而言，通常都包含产品方案、网络设计和网络优化3个部分的内容。产品方案主要关注设备（包括主设备和终端设备）对抗多普勒频偏影响的能力，比如基带采用增强二次频偏校正算法，实现频偏估计及频偏补偿，有效提升解调性能等。网络设计主要涉及站址规划与选择、基站距铁路线垂直距离、天线方位角与下倾角的设置、重叠覆盖距离、链路预算、平均站点间距、小区合并路段规划等方面。网络优化重点研究参数调整、邻区设置、主控小区确立、切换序列调整、话务均衡、速率提升及应急保障等。
　　虽然3GPP定义了各项规范标准，但由于各厂家设备在实现技术标准时的思路与算法各有千秋、不尽相同，因此在高铁产品方案与网络优化上也是各具特色，但一般来说，高铁网络设计原理具有较强的通用性。
　　本文将从链路预算与小区合并功能评估这2项重要内容入手，对TD-LTE高铁网络规划设计方法展开探讨。
　　2   TD-LTE高铁网络链路预算
　　在高铁网络的规划设计中，链路预算是比较重要的问题，它是衡量高铁站点数量和站间距是否满足要求的标准，进而对高铁网络投资规模及建成后的网络性能是否能达到预期产生重要影响。
　　TD-LTE为上行覆盖受限，下行干扰受限，因此在链路预算中通常是以上行计算确定小区半径。影响高铁链路预算的主要因素包括：
　　◆工作频段、带宽、天线类型、信道类型
　　◆列车速度
　　◆车厢穿透损耗
　　◆业务类型要求（PS 64/128/256/512……）
　　◆高铁场景无线传播特性
　　◆小区负荷
　　◆小区边缘覆盖概率
　　其中，属于高铁场景特有影响因素主要包括列车速度、车厢穿透损耗和高铁无线传播特性。
　　2.1  列车速度
　　LTE用户体验随列车速度提升而下降。系统仿真结果表明，受到UE高速移动的影响，进行上行链路预算时，350公里/小时下要比120公里/小时下多考虑1dB的额外损耗。
　　此外，为了保证高速移动终端的无缝切换，需要切换区的线路长度必须满足最低的长度要求，而最低的切换区长度要求由终端移动速度和最大的切换时延推导而出。中国移动TD-LTE网络质量指标中对切换时延的要求是：控制面切换时延<100毫秒，用户面切换时延<50毫秒。不过在网络工程中计算小区重叠覆盖距离时，为保留一定冗余，建议按1秒时长来估算最低限度的小区重叠覆盖距离（GSM网络中则需按10秒来考虑）。那么，以350公里/小时（97米/秒）车速为例，小区重叠覆盖距离需求为97米（而GSM网络为970米）。
　　2.2  车厢穿透损耗
　　受列车高速运动的影响，车厢穿透损耗并非固定值，高速下穿透损耗随着入射角的快速变化而变化，从而使得车厢内信号覆盖强度处于不断动态起伏波动之中。当入射角小于20度时，穿透损耗将快速增大;特别地，当入射角小于10度时，各类列车的穿透损耗都接近甚至超过30dB。
　　因此，在高铁网络无线规划中，有以下几项重要原则：
　　◆高铁小区天线方位角需结合站址分布做精细规划，尽量使天线主瓣方向以20度左右的入射角度沿铁路（避免平行于铁路线）进行覆盖;
　　◆虽然不同CRH车型的静态穿透损耗差别较大，但是在相邻两个站点的衔接处，即是距左右站点的最远处，列车与两侧小区主瓣方向的入射角通常都在10度以内，因此建议进行室外高铁链路预算时，车厢穿透损耗取最大值30dB;
　　◆对于采用泄漏电缆的隧道覆盖路段，由于漏缆信号基本都是接近垂直角度入射进车厢，其穿透损耗将远小于室外路段的情形，再考虑一定冗余，建议此时车厢穿透损耗值取12dB。
　　2.3  高铁场景无线传播特点
　　高铁途经的地形地貌非常多样且复杂，包括市区、郊区、高架、桥梁、隧道、丘陵、山区V型槽等诸多环境。
　　在高铁建设初期，首先出现的是200公里/小时左右的动车组列车，这一阶段的列车提速主要基于车型更新与电气化改造，因此动车的铁轨基本都还是沿地面铺设为主。到2011年以后，开始出现大量300公里/小时以上的真正意义上的高铁线路，比如京沪高铁、沪宁高铁、沪杭高铁、武广高铁等，这些高铁线路有一个共同的新特点，那就是大部分（占全路段80%以上）都架设在新修建的专用高架桥上。从移动通信网络设计角度看，这一新现象带来的直接影响就是无线传播环境的变化，即UE天线有效高度发生了重大改变。
　　众所周知，在常规的传播环境中，移动台天线有效高度都默认设置为1.5米，但是在高铁场景中，高铁手机用户跟随列车一起在高架桥上快速移动，其UE天线有效高度被大大提高，对链路预算结果将产生重要影响。
　　在此引用菲涅尔余隙原理来做深入分析。根据惠更斯-菲涅尔原理，在电波的传输过程中，波阵面上的每一点都是一个进行二次辐射的球面波的波源，这种波源称为二次波源。而空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各点的二次波源发出的波在该点相互干涉、叠加的结果。当无线电信号的发射机和接收机之间的无线电信号传输路径被障碍物遮挡时，会发生绕射。由障碍物表面产生的二次波散布于空间，甚至在障碍物的背面。
　　假设障碍物与发射天线、接收天线的相对位置如图1所示，图中x表示障碍物顶点P至直线TR之间的垂直距离，在无线电信号传播理论中，x被称为菲涅尔余隙。从波源T点辐射到R点的电磁能量主要是通过第一菲涅尔区传播的，只要第一菲涅尔区不被阻挡，就可以获得近似自由空间的传播条件。
　　图1    菲涅尔余隙
　　其中，第一菲涅尔半径x1为：
　　 （1）
　　障碍物引起的绕射损耗与菲涅尔余隙之间的关系如图2所示。
　　当x/x1>0.5（P点低于R点）时，障碍物对无线电信号的传播基本没有影响。当x=0（P点与R点同高度）时，无线电信号从障碍物顶点擦过，绕射损耗约为6dB。当x<0（P点高于R点）时，无线电信号被障碍物直接遮挡，损耗将急剧增加。
　　由此可见，接收点R（即移动台UE）有效高度的提升，有助于克服地形地貌中各种障碍物的影响，使得x变大（甚至可由负变正），从而大大改善无线 传播环境，小区覆盖半径也将明显增大。
　　因此，对高铁网络的链路预算，根据其传播特性的不同，需要对“铁路线沿地面铺设”和“铁路线沿高架铺设”这2种情况分别予以考虑。
　　2.4  采用Cost231-Hata模型进行链路预算
　　当前业内的各种链路预算工具主要基于Okumura-Hata和Cost231-Hata的路径损耗经验传播模型。Okumura-Hata提出了一个在市区区域中的标准计算路径损耗的公式，并提供了修正因子来满足其他不同的地形区域，适用频段为150—1 500MHz。Cost231-Hata模型是修正Okumura-Hata模型而得到的经验模型，再经EURO-COST组成的Cost231工作委员会开发的Hata模型的扩展版本，其适用的频率范围扩充至1 500—2 000MHz。
　　Cost231-Hata模型公式为：
　　LossHata=46.3+33.9log（f）-13.82log（hBTS）-a（hMS）+（44.9-6.55log（hBTS））log（d）-Lmorpho                   （2）
　　a（hMS）=（1.1log（f）-0.7）hMS-（1.56log（f）-0.8）   （3）
　　其中：
　　hBTS[m]：BTS有效高度范围30—200米。
　　hMS[m]：移动台有效高度范围1—10米。
　　高铁线路穿越的区域主要是城市边缘、郊区、农村等开阔地域，另一方面，高铁高架桥的平均高度大都在5～10米之间，所以可依据Cost231-Hata模型的郊区环境进行高铁链路预算。主要的链路预算输入条件假定值如下：
　　◆工作频段：1 900MHz
　　◆带宽：20MHz
　　◆信道配置：1：3
　　◆天线类型：2通道
　　◆天线增益：18dBi
　　◆天线挂高：30米
　　◆车厢损耗：30dB
　　◆上行边缘速率要求：PS 256
　　据此通过链路预算工具可计算得出，当UE有效高度为1.5米时，小区半径为0.55公里;当UE有效高度为5米时，小区半径可达1.07公里。
　　从该计算结果可以看出，“铁路线沿地面铺设”和“铁路线沿高架铺设”的高铁小区半径相差甚远，以5米高架桥高度为例，同样基站高度情况下的小区覆盖半径是铁路线沿地面铺设时的一倍，这对高铁网络站点设计有着非常重要的指导意义。
　　2.5  超高路段的链路预算
　　从Cost231-Hata模型中移动台有效高度的取值范围可以看到，当UE高度大于10米时，Cost231-Hata模型不再适用，但现实情况中存在一些特殊路段，其铁路高架桥高度可达20～30米。比如，某移动公司就曾遇到过高铁高架桥高度为30米、基站高度为45米的情况，这时应该如何进行链路预算呢？
　　对于此类超高路段，常见的传播模型已不能适用，无法直接代入链路预算工具进行计算。但值得注意的是，这类路段通常都出现在农村开阔地，视距基本无阻挡，因此在基站和移动台都很高的情形下，可考虑按自由空间传播模型进行估算。
　　自由空间传播，指天线周围为无限大真空时的电波传播，它是理想传播条件，电波在自由空间传播时，其能量既不会被障碍物所吸收，也不会产生反射或散射，无干扰，无阻挡。通常在实际情况中，只要地面上空的大气层是各向同性的均匀媒质，其相对介电常数和相对导磁率都等于1，传播路径上没有障碍物阻挡，到达接收天线的地面反射信号场强也可以忽略不计，在这种情况下，电波就可以视为在自由空间传播。
　　自由空间损耗公式为：
　　 （4）
　　公式（4）表明，电波在自由空间中的损耗只与工作频率f和传播距离d有关，而与发射端或接收端的高度无关。当f或d增大一倍时，损耗将分别增加6dB。
　　以中国移动LTE TDD F频段为例，UE发射功率a=23dBm，eNB接收灵敏度（UL PS256）b= -110.5dBm，接收天线增益c=18dBi，馈线及接头损耗d=3dB，车厢穿透损耗e=30dB，那么按自由空间传播条件对高铁场景允许的最大路径损耗MAPL=a-b+c -d-e=118.5dB。代入公式（4），计算得出对应的传播距离为10.6公里。
　　可见在高架桥超高路段，无线传播条件非常好，小区覆盖距离将远大于常规链路预算结果。
　　不过另一方面，虽然在LOS条件下，电波传播主要靠直射信号，但与此同时还存在着地面发射波。直射波与地面反射波对合成场强将随反射系数（反射波场强与入射波场强的比值）以及路径差点变化而变化，有时会同相相加，有时会反相抵消，这就造成了合成波动衰落现象，因此高铁小区的覆盖距离会比理论计算值d要小一些。
　　此外，在此类超高路段，基站距铁路线的垂直距离不能太近，经验建议值为500～800米，否则基站信号将基本平行于铁路线覆盖，且大部分将从车厢顶部进车厢内部，穿透损耗更大，使得该站点在高铁车厢内的有效覆盖距离反而大大缩减。
　　3   小区合并功能应用价值评估
　　3.1  小区合并功能在高铁场景中的作用
　　小区合并功能最初是在GSM高铁网络中提出并应用的，其作用主要体现在以下2个方面：
　　（1）减少切换次数
　　◆减少逻辑小区数量，从而减少切换次数;
　　◆切换次数的减少可降低切换失败及掉线的概率，并减少对信令信道的冲击。
　　（2）提升数据业务吞吐率
　　◆减少切换过程中出现的速率降级;
　　◆提高整体吞吐率，进而提升用户感知。
　　另一方面，过多的小区合并级数亦有负面影响，包括：
　　（1）小区合并级数越多，逻辑小区距离越长，吸纳的铁路线外围的UE越多，反而会降低高铁UE用户体验。
　　（2）高铁UE所处的逻辑小区内的各站点将同时处于高负荷工作状态，导致全网的功耗上升，不符合节能减排原则。
　　那么，在LTE网络中，小区合并功能的应用价值是怎样的呢？合并级数为多少比较合适？下面以100公里高铁里程（车速300公里/小时）为例，从这2个方面对小区合并功能（One Logical Cell，简称OLC）的作用进行理论定量分析。
　　3.2  减少切换次数
　　根据上述链路预算中得出的TD-LTE高铁小区理论半径，可得出100公里高铁路段内理想情况下的切换次数。切换次数与OLC级数关系如图3所示：
　　图3    切换次数与OLC级数关系
　　由图3可见，小区合并级数越多，切换次数越少。以4并1小区合并为例，切换次数可比不合并减少约3/4，从而减少因切换失败而掉线的概率。合并级数达到6并1以后，切换次数减少幅度明显变小。
　　但需要指出，切换次数多少对不同网络的影响程度差异也是比较大的。对于LTE网络而言，切换时长非常短，只有几十毫秒，且切换成功 率非常高，基本都接近100%，而GSM网络则大大不同，其切换时长达到5秒之多，切换成功率则在96%左右。另一方面，LTE主要承载的是非实时的数据业务，而GSM主力承载的则是实时的话音业务，显然切换失败对GSM网络的用户感知影响更大，而减少切换次数对提升LTE用户感知的作用则比较有限。
　　3.3  提升吞吐率
　　LTE为硬切换系统，在快速移动UE发生切换时或多或少都会出现吞吐速率降级的情况，称之为“掉坑”现象。路测结果显示由于切换导致的速率降级持续时间约4秒，且最低速率将降至平均速率的1/4左右。以单小区内的单用户平均吞吐率30Mbps为例，受切换导致的速率降级影响而未能传送的文件大小约60M（图4中的阴影部分面积）：
　图4    高铁小区驻留示意图
　　同时，对于UE在单小区内的平均驻留时长，若铁轨沿地面铺设，小区半径是0.55公里，该时长为9秒（车速200公里/小时）或6秒（车速300公里/小时）;若铁轨沿高架铺设，小区半径变为1.07公里，该时长则为18秒（车速200公里/小时）或12秒（车速300公里/小时）。
　　那么假设开启小区合并后可完全消除速率“掉坑”现象，于是有：
　　高铁线路上的理论平均吞吐率=（30Mbps×OLC级数×小区内驻留时长-60Mbps）/（OLC级数×小区内驻留时长）。
　　计算后可作出开启小区合并功能后的理论平均速率曲线，如图5所示：
　　图5    吞吐率与小区合并级数关系
　　由此可见，小区合并级数越多，单用户平均吞吐率越大。但在不同铺轨类型下，开启小区合并对吞吐率的提升作用差别较大：对于沿地面铺设的铁路线，单个站点的小区覆盖半径较小，小区合并作用会比较明显，以4并1为例，开启后吞吐率提升幅度在26%左右;对于沿高架铺设的铁路线，单个站点的小区覆盖半径较大，小区合并对吞吐率提升作用降至12%左右。同时，合并级数达到6并1以后，速率提升幅度将明显变小。
　　需要说明的是，300公里/小时车速的高铁线路基本上都是采用高架桥方式，因此小区合并功能对平均吞吐率的理论提升幅度在10%左右。但另一方面，高铁线路穿过的地形地貌种类繁多，其无阻挡情形不可能一直保持在理想状态，再加上“掉坑”现象不可能被完全消除，小区合并功能在实际高铁（300公里/小时）网络中对用户体验的提升效果将无法达到理论水平。表1是对不同制式系统下小区合并作用进行的对比。
　　4   结束语
　　上述研究分析表明，在TD-LTE高铁网络的规划设计中，除了考虑高速移动因素外，还需特别关注UE高度提升带来的传播特性的变化，这对链路预算结果有着重要影响。同时，通过构建理论数学模型，对小区合并功能在高铁场景中的应用价值做了定量计算与分析，以深化对该功能实际应用效果的理性认识。
　　参考文献：
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