论文部分内容阅读
摘 要：建设高速铁路网的为通信运营发展提供了新机遇，怎样建设满足高铁运营场景下的信息通信网络也成为了目前新的问题。高速铁路覆盖具备显著的技术特性，高速铁路用户具有较强的业务需求。TD-LTE近几年经过在业界的共同努力发展下，网络及终端已基本成熟。所以有需要针对高速铁路进行TD-LTE专项覆盖，提升用户体验。
关键词：LTE;高铁覆盖;链路预算
伴随着国内目前高速铁路建设的不断加快以及铁路列车的速度不断提高，越来越多的商务人士开始选择城际快车、高速铁路，用户对网络覆盖以及质量提出了越来越高的要求。铁路覆盖开始成为各个运营商展现品牌的市场。随着中国移动TD-LTE 的大规模建设，高速的数据通信已普遍实现。在高速铁路上，用户同样希望体验到高速数据通信给生活工作带来的各种便利。按照目前高铁的运营现状与发展趋势，高铁无线覆盖方案必须满足300km/h或者达到以上高速行驶的标准。高速列车场景的网络覆盖面临严峻挑战，业界熟知的三大困难有：多普勒频移、小区间频繁切换、和车体穿透损耗大。高速所带来的多普勒频移会破坏OFDM 子载波的正交性，导致了误码率的降低;无线信号穿透车体穿透損耗大，影响车内无线覆盖;终端在不同基站小区间频繁切换，影响用户体验。
一、高铁环境对移动通信的影响
1、多普勒频移
接收到的信号波长由于接收机与信号源的相对运动而发生变化，称为多普勒效应。在高速场景下，这种效应尤其明显。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率会随着变高，当移动台远离基站时，频率会变低，多普勒频移影响接收机接收性能主要体现在降低接收机的灵敏度这方面。
多普勒频移计算公式为：Fd=f* v *Cos（θ）/C，其中v是终端运动速度，f为载波频率，θ为终端移动方向和信号传播方向的角度，C为无线电磁波传播速度。
频率变化的大小和快慢与列车的速度有关。
2.快衰落
快衰落不单只与多径有关，并且和移动台的移动速度有关。在高铁覆盖场景下，通常情况下移动终端和基站间存在直射路径，因此接收端信号电平受由多径效应产生的快衰落影响较小，受路径损耗影响较大，所以，快衰落并非影响高铁性能的主要因素。
二、组网方案
高速铁路当前覆盖主要采用专用网组网方案或公网组网。专用网组网方案可以采用同频或异频。公网组网方案采用和铁路周边宏网络一样的频点，新建站点或者利用原有的站点，在覆盖铁路附近公网用户的基础上，通过覆盖增强、协同优化等方式兼顾覆盖高速列车的乘客用户。
LTE高铁覆盖按照组网方案不同与频率不同，主要有同频专网覆盖、同频公网覆盖、异频专网覆盖等等几种方式，其中的同频专网覆盖按照不同的覆盖模式，能够把它分为重叠覆盖同频专网覆盖与插花同频专网覆盖两种模式。综合以上几个方案，采用异频专网覆盖不仅干扰小，并且可以确保高铁用户的质量以及容量，对于频率资源丰富的运营商，应将异频专网覆盖作为选择的依据;对于同频专网，无论是插花覆盖还是 重叠覆盖，都不可以实现专网专用，并且对大网用户影响较大，特别在重叠覆盖的情况下，可能会导致出现严重的干扰问题，因此不建议做同频专网;建议频率资源匮乏的运营商，应采用同频公网的方式，依托现网大网结构，针对性地加强优化高铁覆盖的工作。
三、网络设置原则
1. 组网方式
在WCDMA 建网初期，建议高铁覆盖采用公网方式，对于频率资源丰富的运营商，采用异频专网覆盖方案。基站同时满足高铁客车和沿线区域的用户需求，提高基站使用效率，降低投资费用。对于频率资源匮乏的运营商，建议采用同频公网组网方案，同时针对高速铁路进行专门的覆盖优化。我国大规模的高速铁路建设仍然处于起步阶段，移动网络高铁覆盖还没有成熟经验可循，因此还需要相关技术人员在后续运行维护期间，总结问题，完善管理措施，不停地积累实践经验，做好高铁覆盖的工作
2.多普勒频移补偿
为了能够处理好高铁高速运行带来的多普勒频移，开通多普勒频移补偿算法对频偏进行补偿。
3.邻区配置原则
倘若LTE高铁覆盖采用公网组网方案，LTE高铁站点与周边站点做双向邻区配置，但是邻居配置比较简单化，理论上只需配置一层邻区。倘若要采用专网覆盖，除了一些车站等专网入口处，专网与大网配置双向邻区，其它的沿线站点不用配置邻区，避免列车上用户外切。
4.与3G的互操作原则
3G与 LTE高铁覆盖的互操作应当满足以下几个原则：
（1）如果有3G专网，高铁覆盖站点上4G用户就可以优先回落到3G专网;
（2）满足LTE到WCDMA的双向小区重选;
（3）对于语音业务，通过CSFB回落到3G;
（4）满足LTE 到WCDMA 的数据业务PS的切换，在结束了WCDMA数据业务之后，如果仍存在LTE网络，通过重选WCDMA小区至LTE网络进行驻留。
5. 小区合并原则
在小区中，对于离铁轨较近的站点，朝向高铁线路覆盖的两个扇区做小区合并;在郊区及农村场景，对于高铁覆盖站点能做同BBU下的跨物理站址的小区合并，进而降低小区间切换与重选次数。
四、LTE高铁网络覆盖的特性
高铁作为一种城市间的轨道高速交通工具，一般其运营时速超过300Km/H，因此对高铁站台以及高铁沿线的LTE无线覆盖，和一般的室外宏站以及室内分三布覆盖方式对比，具有自身的特点。
（1）高铁穿梭在在城市之间，包括轨道沿线覆盖以及站台覆盖，而高速铁路轨道会存在桥梁、隧道、弯道等各种情况，因此覆盖场景具有多样化;
（2）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的影响; （3）高铁的网络覆盖主要为轨道的沿线覆盖，其覆盖特性呈线状;
（4）高铁的车厢材料是金属材料，是密闭式的厢体设计，较大地屏蔽了信号，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重选和切换提出了更高的要求;给予UE终端穿越切换区域的时间，如果接近甚至有小于切换响应时间，因此很容易出现小区切换失败、脱网等等的网络问题。
五、TD-LTE高铁组网关键技术
1. 组网方式
从组网覆盖性能角度出发，LTE高速铁路覆盖推荐采用专网方式，并且通过精确建设、精细规划确保专网信号在线路区域的主导功能。
2. 频率选择
在专网频率和沿线公网异频组网中性能较优，因此会导致高铁专网频率需要优先采用与沿线公网异频组网的方案：
（1）农村、郊区的高铁路段，采用F频段组网;
（2）市区内的高铁路段，优先和區域内公网采用异频组网方式;
（3）隧道场景，使用分布系统方式或者 泄漏电缆覆盖，使用F频段组网;
（4）车站覆盖，优先采用E频段组网。
3. 自适应频偏算法解决多普勒频移
自适应频偏校正算法可以在检测基带层面中，实时检测出目前子帧频率偏移的相应信息，有着予以校正频偏造成的基带信号相位偏移的作用，提高基带性能解调。当前主流设备厂家都开发各自的自适应频偏算法，以某厂家为例，良好控制高速状态下上行性能的损失，不要超过10%。高速状态下频偏值为1500Hz时只存在0.2dB左右的性能损失。
结束语：
对未来高铁网络覆盖工作而言，TD-LTE 高铁覆盖规划起着重要的指导作用，通过精确的规划，进行合理的网络布局能够保证网络质量达到最优，满足网络用户的业务需求，提高用户对产品的满意度，提高运营商的企业品牌的价值。
参考文献：
[1]中讯邮电咨询设计院有限公司. 合宁线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[2]中讯邮电咨询设计院有限公司. 温福线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[3]中讯邮电咨询设计院有限公司. 京津线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[4]曾召华. LTE基础原理与关键技术[J]. 通信技术，2010（5）.
[5]赵旭松，濮伟心，王星. 高速移动环境下TDSCDMA系统组网方案研究[J]. 电信工程技术与标准化，2008（30）：54-59.
关键词：LTE;高铁覆盖;链路预算
伴随着国内目前高速铁路建设的不断加快以及铁路列车的速度不断提高，越来越多的商务人士开始选择城际快车、高速铁路，用户对网络覆盖以及质量提出了越来越高的要求。铁路覆盖开始成为各个运营商展现品牌的市场。随着中国移动TD-LTE 的大规模建设，高速的数据通信已普遍实现。在高速铁路上，用户同样希望体验到高速数据通信给生活工作带来的各种便利。按照目前高铁的运营现状与发展趋势，高铁无线覆盖方案必须满足300km/h或者达到以上高速行驶的标准。高速列车场景的网络覆盖面临严峻挑战，业界熟知的三大困难有：多普勒频移、小区间频繁切换、和车体穿透损耗大。高速所带来的多普勒频移会破坏OFDM 子载波的正交性，导致了误码率的降低;无线信号穿透车体穿透損耗大，影响车内无线覆盖;终端在不同基站小区间频繁切换，影响用户体验。
一、高铁环境对移动通信的影响
1、多普勒频移
接收到的信号波长由于接收机与信号源的相对运动而发生变化，称为多普勒效应。在高速场景下，这种效应尤其明显。在移动通信中，当移动台移向基站时，频率会随着变高，当移动台远离基站时，频率会变低，多普勒频移影响接收机接收性能主要体现在降低接收机的灵敏度这方面。
多普勒频移计算公式为：Fd=f* v *Cos（θ）/C，其中v是终端运动速度，f为载波频率，θ为终端移动方向和信号传播方向的角度，C为无线电磁波传播速度。
频率变化的大小和快慢与列车的速度有关。
2.快衰落
快衰落不单只与多径有关，并且和移动台的移动速度有关。在高铁覆盖场景下，通常情况下移动终端和基站间存在直射路径，因此接收端信号电平受由多径效应产生的快衰落影响较小，受路径损耗影响较大，所以，快衰落并非影响高铁性能的主要因素。
二、组网方案
高速铁路当前覆盖主要采用专用网组网方案或公网组网。专用网组网方案可以采用同频或异频。公网组网方案采用和铁路周边宏网络一样的频点，新建站点或者利用原有的站点，在覆盖铁路附近公网用户的基础上，通过覆盖增强、协同优化等方式兼顾覆盖高速列车的乘客用户。
LTE高铁覆盖按照组网方案不同与频率不同，主要有同频专网覆盖、同频公网覆盖、异频专网覆盖等等几种方式，其中的同频专网覆盖按照不同的覆盖模式，能够把它分为重叠覆盖同频专网覆盖与插花同频专网覆盖两种模式。综合以上几个方案，采用异频专网覆盖不仅干扰小，并且可以确保高铁用户的质量以及容量，对于频率资源丰富的运营商，应将异频专网覆盖作为选择的依据;对于同频专网，无论是插花覆盖还是 重叠覆盖，都不可以实现专网专用，并且对大网用户影响较大，特别在重叠覆盖的情况下，可能会导致出现严重的干扰问题，因此不建议做同频专网;建议频率资源匮乏的运营商，应采用同频公网的方式，依托现网大网结构，针对性地加强优化高铁覆盖的工作。
三、网络设置原则
1. 组网方式
在WCDMA 建网初期，建议高铁覆盖采用公网方式，对于频率资源丰富的运营商，采用异频专网覆盖方案。基站同时满足高铁客车和沿线区域的用户需求，提高基站使用效率，降低投资费用。对于频率资源匮乏的运营商，建议采用同频公网组网方案，同时针对高速铁路进行专门的覆盖优化。我国大规模的高速铁路建设仍然处于起步阶段，移动网络高铁覆盖还没有成熟经验可循，因此还需要相关技术人员在后续运行维护期间，总结问题，完善管理措施，不停地积累实践经验，做好高铁覆盖的工作
2.多普勒频移补偿
为了能够处理好高铁高速运行带来的多普勒频移，开通多普勒频移补偿算法对频偏进行补偿。
3.邻区配置原则
倘若LTE高铁覆盖采用公网组网方案，LTE高铁站点与周边站点做双向邻区配置，但是邻居配置比较简单化，理论上只需配置一层邻区。倘若要采用专网覆盖，除了一些车站等专网入口处，专网与大网配置双向邻区，其它的沿线站点不用配置邻区，避免列车上用户外切。
4.与3G的互操作原则
3G与 LTE高铁覆盖的互操作应当满足以下几个原则：
（1）如果有3G专网，高铁覆盖站点上4G用户就可以优先回落到3G专网;
（2）满足LTE到WCDMA的双向小区重选;
（3）对于语音业务，通过CSFB回落到3G;
（4）满足LTE 到WCDMA 的数据业务PS的切换，在结束了WCDMA数据业务之后，如果仍存在LTE网络，通过重选WCDMA小区至LTE网络进行驻留。
5. 小区合并原则
在小区中，对于离铁轨较近的站点，朝向高铁线路覆盖的两个扇区做小区合并;在郊区及农村场景，对于高铁覆盖站点能做同BBU下的跨物理站址的小区合并，进而降低小区间切换与重选次数。
四、LTE高铁网络覆盖的特性
高铁作为一种城市间的轨道高速交通工具，一般其运营时速超过300Km/H，因此对高铁站台以及高铁沿线的LTE无线覆盖，和一般的室外宏站以及室内分三布覆盖方式对比，具有自身的特点。
（1）高铁穿梭在在城市之间，包括轨道沿线覆盖以及站台覆盖，而高速铁路轨道会存在桥梁、隧道、弯道等各种情况，因此覆盖场景具有多样化;
（2）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的影响; （3）高铁的网络覆盖主要为轨道的沿线覆盖，其覆盖特性呈线状;
（4）高铁的车厢材料是金属材料，是密闭式的厢体设计，较大地屏蔽了信号，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重选和切换提出了更高的要求;给予UE终端穿越切换区域的时间，如果接近甚至有小于切换响应时间，因此很容易出现小区切换失败、脱网等等的网络问题。
五、TD-LTE高铁组网关键技术
1. 组网方式
从组网覆盖性能角度出发，LTE高速铁路覆盖推荐采用专网方式，并且通过精确建设、精细规划确保专网信号在线路区域的主导功能。
2. 频率选择
在专网频率和沿线公网异频组网中性能较优，因此会导致高铁专网频率需要优先采用与沿线公网异频组网的方案：
（1）农村、郊区的高铁路段，采用F频段组网;
（2）市区内的高铁路段，优先和區域内公网采用异频组网方式;
（3）隧道场景，使用分布系统方式或者 泄漏电缆覆盖，使用F频段组网;
（4）车站覆盖，优先采用E频段组网。
3. 自适应频偏算法解决多普勒频移
自适应频偏校正算法可以在检测基带层面中，实时检测出目前子帧频率偏移的相应信息，有着予以校正频偏造成的基带信号相位偏移的作用，提高基带性能解调。当前主流设备厂家都开发各自的自适应频偏算法，以某厂家为例，良好控制高速状态下上行性能的损失，不要超过10%。高速状态下频偏值为1500Hz时只存在0.2dB左右的性能损失。
结束语：
对未来高铁网络覆盖工作而言，TD-LTE 高铁覆盖规划起着重要的指导作用，通过精确的规划，进行合理的网络布局能够保证网络质量达到最优，满足网络用户的业务需求，提高用户对产品的满意度，提高运营商的企业品牌的价值。
参考文献：
[1]中讯邮电咨询设计院有限公司. 合宁线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[2]中讯邮电咨询设计院有限公司. 温福线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[3]中讯邮电咨询设计院有限公司. 京津线高速铁路测试分析报告[R]. 中讯邮电咨询设计院有限公司，2009.
[4]曾召华. LTE基础原理与关键技术[J]. 通信技术，2010（5）.
[5]赵旭松，濮伟心，王星. 高速移动环境下TDSCDMA系统组网方案研究[J]. 电信工程技术与标准化，2008（30）：54-59.