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摘要：当前，高速铁路已成为人们交通出行的一种重要方式，对高铁场景下TD-LTE网络规划建设展开探讨十分必要。本文分析了高铁场景下TD-LTE网络建设的难点，并详细介绍了高铁TD-LTE网络规划建设应注意的问题。
关键词：高铁；TD-LTE；难点；关键问题
引言
随着我国社会经济的快速发展和人们生活水平的日益提高，高速铁路的建设不断加快，并逐渐成为了人们出行的首要选择。当前，以TD-LTE为主的4G技术得到广泛的应用，对其在高铁场景下的规划建设展开探讨，成为了当前三大运营商面临的一个重要问题。
1.高铁场景下TD-LTE无线网络建设的难点
高铁场景下TD-LTE无线网络的覆盖存在着以下几个难点：多普勒频偏、频繁切换、穿透损耗。
1.1多普勒频偏
多普勒频偏是指移动终端跟随列车高速移动时，终端和分体式基站的RRU（远端射频单元）接收到的频率会发生偏移。频偏值用△f表示，则△f=f·v/c·cosθ。其中，f为载波频率，v为移动终端运动速度，c为电磁波传播速度（其值为30万千米/秒），θ为掠射角（入射波方向与运动方向的夹角）。从上式可以看出，运动方向与电磁波传播方向相同时，多普勒频移为正；运动方向与电磁波传播方向偏移时，频率为负；运动方向与电磁波传播方向完全垂直时，没有多普勒频移。掠射角越小，工作频率越高，多普勒频偏值越大。掠射角θ为10°，终端移动速度为350km/h，若载波频率f为1.9GHz时，频偏值为606Hz，载波频率f为2.6GHz时，频偏值为853Hz。频偏会使接收机解调性能恶化。
1.2频繁切换
列车高速移动导致终端频繁进行小区重选和切换。假设每小区覆盖范围1.2km，当列车达到最高设计时速350km/h运行时，假设通话时长60s，切换次数为60×（350÷3.6）÷1200=4.86，即小区重选和切换次数为每分钟4~5次，约12s进行一次。如此频繁的小区重选将加重网络负担，通话中频繁切换将使切换失败率大大增加，导致掉话，降低用户的业务体验满意度。
1.3穿透损耗大
新型全封闭高速列车带来了高穿透损耗。高速列车普遍采用CRH（中国铁路高速列车）车型，其全封闭的结构使损耗大于普通列车。以设计时速350km/h的CRH380车型为例进行测试，载波频率f为1.9GHz时，损耗为26dB；载波频率f为2.6GHz时，损耗为27dB。随着掠射角的减小，穿透车体的厚度将增大，损耗也会随之增大。
2.高铁场景下无线网络规划的关键问题
2.1 TD-LTE高铁专网与公网协调规划
高铁覆盖有两种方案：a）公网覆盖方案。将高速铁路与周边区域统一规划，采用常规宏蜂窝组网方式进行覆盖。b）专网覆盖方案。针对高速铁路的特点，满足高速铁路覆盖需求建设专用网络。
采用公网覆盖方案将导致公网用户占用大量覆盖高铁的资源，无法定制邻区和切换，无法保障高铁用户感知。采用高速专网覆盖方案可为高速移动场景配置专用的无线参数取值及算法，设置简单的邻区关系，可最大程度满足高速覆盖要求。在网络优化和扩容时，也可以根据高速专网及公网各自的需求，独立进行规划和优化，降低了规划和优化的难度。因此，高铁覆盖原则上优先采用专网方式，保证专网信号在线路区域的主导地位。
如果使用高速专网进行覆盖，在高速铁路沿线将同时使用两个网络，高速专网负责为高速移动用户提供服务，公网则负责为低速用户提供服务，两网有部分区域重叠覆盖。为了保证高速移动用户的服务质量，一般要通过参数配置保证高速专网网络与公网的分离，只在进出高速专网网络的高速专网站点与公网配置邻区关系，其他专网站点与公网不设置邻区关系，或者只设置专网到公网单向切换邻区关系，尽可能使高速移动用户驻留在高速专网网络内，低速或静止用户驻留在公网内。
2.2 TD-LTE站点规划
站间距受发送功率、接收灵敏度、馈线及接头损耗、站高、站轨距、车体穿透损耗、环境遮挡等因素影响，实际规划时需进行链路计算。链路预算需要计算出允许的最大路径损耗，然后将允许的最大路径损耗代入校正后的传播模型，计算出基站的覆盖半径。允许的最大路径损耗=等效的发送功率+发送端的天线增益-发送端的馈线及接头损耗-人体损耗-穿透损耗-接收端的灵敏度+接收端的天线增益-接收端的馈线及接头损耗-干扰余量-衰落余量，参数取值根据规划区域实际情况确定。传播模型是表达电波传播路径损耗与传播环境、工作频率、天线高度及传播距离的一系列经验图表或经验公式，所以将允许的最大路径损耗代入矫正后的传播模型，就能计算出基站的最大覆盖距离，即覆盖半径。
在高铁覆盖规划中要合理设计相邻小区重叠覆盖区域，相邻小区重叠覆盖区域过小会导致切换失败，过大则会使站间距增大。相邻小区重叠距离与切换参数的取值息息相关，经验公式为：相邻小区重叠距离=2×〔切换迟滞对应距离（63m）+切换测量距离（128m）+切换执行时间（100ms）〕，将公式中的切换执行时间转换为对应距离，以设计时速350km/h为例，可得相邻小区重叠距离为125m。
有了覆盖半径和相邻小区重叠覆盖距离就可以估算站间距了。站间距经验公式：站间距=2×（覆盖半径2-站轨距2）1/2-重叠距离。
在进行实际站点部署时，应结合工程条件优先将站点交错成“之”字形部署在铁路两侧，有利于信号的均匀分布。对于弯路区域，应优先将站点设置在弯道内侧。
铁塔倒伏不能影响高铁列车通行，故基站塔应与高铁保持一定距离，距离的取值要适中，距离过大，会使基站覆盖范围变小，建网成本升高；距离过小，掠射角最小值较小，会使车体损耗变大，多普勒效应突显，同时也会出现“塔下黑”问题。综合以上因素，站点离铁路轨道垂直距离应取值适中。铁路轨道与站点位置关系如图1所示，d表示站点离铁路轨道垂直距离，r表示覆盖半径，θ为列车行驶到小区边缘时列车与基站连线和铁轨的夹角，近似等于掠射角最小值。因为d垂直于r，所以d=r·tgθ。从前面分析可知θ取值不能过小，以10°计算，当r取值600m时，d=105.8m；当r取值850m时，d=149.8m。因此建议站点离铁路轨道垂直距离在100~200m。
在站高规划中，需要综合考虑天线入射效果以及天线倾角可调范围。天线物理下倾建议不超过10°，否则会发生波形畸变。如果站高过高会导致下倾太大，站高设计需保证信号直射从列车玻璃穿透，减少信号从车顶穿透的概率。以主瓣入射角下倾10°为准，计算站高（天线相对于车窗高度），站高=基站离铁轨距离×tg10，可得出基站离铁轨距离100m时，站高17.6m；基站离铁轨距离150m时，站高26.4m；基站离铁轨距离200m时，站高35.3m。由此可见，为保证高铁线路覆盖效果，天线相对铁轨高度在20~40m为宜。在农村郊区，为了避免防护栏对信号阻挡增加损耗，天线可以略高一点。
为增加基站的覆盖距离，减少切换次数，高铁场景可采用窄波瓣高增益天线进行覆盖。市面上的窄波瓣高增益天线通常可以做到波瓣宽度约35°，增益18～21dBi。
图1铁路轨道与站点位置关系
2.3 TD-LTE高铁小区合并的规划
从高铁实测数据来看，在小区切换位置，流量明显下降，影响了整体吞吐量。通过统计数据可知，高铁上出现掉话多数是由于切换不及时造成的。小区合并技术是减少切换次数的比较可行的方案。
多小区合并技术是将多个物理小区合并为一个逻辑小区的技术，终端在一个逻辑小区内运动跨越物理小区时，不像普通单小区设置时那样发生切换，只有在跨越逻辑小区时才发生切换。多RRU共逻辑小区的小区合并技术方式如图2所示。
图2多RRU共逻辑小区的小区合并技术方式
随着TD-LTE的BBU（室内基带处理单元）基带处理能力增强，目前可以完美支持12个RRU小区合并。12个RRU合并小区覆盖距离达到9km，相对于不合并，切换次数几乎减少了12倍，同时也简化了邻区关系。实施小区合并技术减少了小区间切换，提高了网络覆盖质量，降低了掉话掉线率。
2.4 TD-LTE高铁频段的选择
TD-LTE频率分配如下：中国移动：1880~1890MHz（F频段）、2320~2370MHz（E频段）、2575~2635MHz（D频段）；中国联通：2300~2320MHz（E频段）、2555~2575MHz（D频段）；中国电信：2370~2390MHz（E频段）、2635~2655MHz（D频段）。
各运营商的频段有2段或3段，根据点播传播特性可知，频率越低，传输同样距离的损耗越低，即F频段、E频段的覆盖能力优于D频段，可降低站址数量，因此优先采用F频段、E频段部署。
在同样的配置情况下，损耗低，站间距可以加大，站间距加大可以减少站点数量，为运营商节省大量建设投资。在列车较多的路线，F频段、E频段由于带宽受限，无法满足扩容要求时，也可以采用D频段覆盖。前面已经论述为满足高速铁路覆盖需求建设的专用网络，高铁频点建议专网专用，不使用公网频点。
3.结语
综上所述，随着高速铁路成为人们出行的一个重要方式，人们对高速铁路无线网络的质量要求越来越高，开展高铁场景下TD-LTE网络规划建设具有十分重要的意义。但是，高铁场景下无线网络建设存在着许多问题，对此，相关建设人员要采取有效的措施，优化高铁无线网络规划，为用户提供优质的服务。
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[3]汤勇胜，王正平.TD-LTE高铁网络规划设计探析[J].移动通信，2015，39（05）：81-86.
论文作者:林进策
论文发表刊物:《基层建设》2018年第15期
论文发表时间:2018/7/24
标签：公网论文; 高铁论文; 频段论文; 小区论文; 距离论文; 基站论文; 多普勒论文; 《基层建设》2018年第15期论文;