夏 燭，車張濤，李曙海（.華信咨詢設(shè)計(jì)研究院有限公司，浙江杭州004；.中國電信股份有限公司新疆無線通信局，新疆烏魯木齊80000；.中國電信浙江分公司，浙江杭州004）

1 概述

對中國電信LTE 高鐵特殊場景的組網(wǎng)方式進(jìn)行了研究，根據(jù)1.8與2.1 GHz不同頻段覆蓋及疊加時的覆蓋性能對比結(jié)果，得出高鐵專網(wǎng)覆蓋時城區(qū)段落采用疊加組網(wǎng)的覆蓋方式的結(jié)論，并考慮高鐵的專網(wǎng)用戶和周邊普通用戶2 個用戶群的體驗(yàn)感知及網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)，針對疊加組網(wǎng)區(qū)域的參數(shù)進(jìn)行專有設(shè)置，包括重選、切換等方面；同時在高鐵場景中，由于列車移動速度快，高鐵用戶的頻繁切換會對下行速率等存在嚴(yán)重影響，選擇在疊加頻段2.1 GHz 專網(wǎng)組建超級小區(qū)方案，不僅可減少高鐵用戶頻繁切換，同時由于縮減了小區(qū)間切換帶，還可以增加高鐵沿線站點(diǎn)的站間距。

本文主要從實(shí)際操作測評結(jié)果，結(jié)合理論推導(dǎo)對高鐵這種特殊場景在不同頻段組網(wǎng)方式下的性能進(jìn)行了深入探討。

2 高鐵1.8與2.1 G H z異頻覆蓋對比

2.1 測試背景

大網(wǎng)宏站普遍采用1.8 GHz 組網(wǎng)，采用2.1 GHz 異頻覆蓋可以有效隔離大網(wǎng)干擾。評估2.1 GHz（20 MHz 帶寬100 個RB）、2.1 GHz（15 MHz 帶寬75 個RB）頻段與1.8 GHz（15 MHz 帶寬75 個RB）頻段在覆蓋方面的優(yōu)劣，對高鐵覆蓋優(yōu)化進(jìn)行了實(shí)踐性的探討。

2.2 站點(diǎn)與測試路線選取

選取余姚段9個站點(diǎn)，最初該路段覆蓋頻段為1.8 GHz，路段總長11.8 km，在平均車速240 km/h 情況下完成測試。隨后將該路段9個站替換成2.1 GHz頻段，分別測試了20 MHz 帶寬和15 MHz 帶寬，通過數(shù)據(jù)對比分析，評估不同頻段覆蓋路段的指標(biāo)差異。

2.3 不同頻點(diǎn)覆蓋主要路測指標(biāo)對比

測試結(jié)果如表1所示。

表1 高鐵1.8與2.1 GHz異頻覆蓋指標(biāo)對比

從表1可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 頻段比1.8 GHz 高，高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時，RSRP 相比1.8 GHz 覆蓋時略差；由于RRU 功率限制，2.1 GHz 部署20 MHz 帶寬時，RSRP相比15 MHz帶寬略低。

b）SINR：高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時，SINR 相比1.8 GHz 覆蓋時高22%；2.1 GHz 部署20 MHz 和15 MHz 帶寬時SINR值差異不大。

c）PDCP 層下行吞吐率：高鐵采用2.1 GHz 覆蓋時，PDCP層下行吞吐率相比1.8 GHz覆蓋時高28%；由于頻率帶寬原因，2.1 GHz 部署20 MHz 時吞吐率比15 MHz帶寬時明顯提高。

通過同一路段不同頻段站點(diǎn)替換，分析判斷在同等覆蓋條件下，由于頻段越高損耗越大，干擾能力越低，高鐵沿線在1.8 GHz 覆蓋下比2.1 GHz 覆蓋路段的干擾增強(qiáng)，導(dǎo)致同等覆蓋路段的SINR值、PDCP層下行速率的差異。

3 高鐵1.8與2.1 G H z疊加組網(wǎng)覆蓋對比

3.1 測試背景

結(jié)合1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋高鐵場景測試對比結(jié)果，選取城區(qū)段采用疊加覆蓋方式進(jìn)行覆蓋性能對比測試。主要從1.8與2.1 GHz疊加覆蓋、1.8 GHz單獨(dú)覆蓋及2.1 GHz 單獨(dú)覆蓋等方式進(jìn)行不同層面覆蓋對比。1.8 與2.1 GHz 均在15 MHz 帶寬前提條件下進(jìn)行。

3.2 站點(diǎn)及測試路線選取

選取杭甬高鐵寧波城區(qū)段總長11 km，沿線LTE站點(diǎn)共11 個；原先11 個站點(diǎn)頻段為1.8 GHz，后疊加2.1 GHz 設(shè)備（均為15 MHz 帶寬）；測試時高鐵平均車速為60 km/h；評估同等條件下，2.1 GHz 異頻組網(wǎng)與1.8 GHz同頻組網(wǎng)的性能差異。

3.3 疊加組網(wǎng)段覆蓋性能指標(biāo)對比分析

對同路段進(jìn)行不同頻段覆蓋性能測試，測試結(jié)果如表2所示。

表2 疊加組網(wǎng)覆蓋指標(biāo)對比

從表2可以看出：

a）RSRP：由于2.1 GHz 頻段相比1.8 GHz高，采用2.1 GHz單獨(dú)覆蓋或疊加覆蓋時，RSRP相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時略差。

b）SINR：高鐵線城區(qū)段采用疊加2.1 GHz覆蓋后，SINR相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時高7.3%；2.1 GHz疊加組網(wǎng)時，通過參數(shù)配置讓終端優(yōu)先使用2.1 GHz，因此疊加組網(wǎng)時的SINR與2.1 GHz單獨(dú)覆蓋時差異不大。

c）PDCP 層下行吞吐率：高鐵線城區(qū)段采用2.1 GHz疊加覆蓋后，PDCP層下行吞吐率相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時高20.1%；2.1 GHz 疊加組網(wǎng)時，通過參數(shù)配置讓終端優(yōu)先使用2.1 GHz，因此疊加組網(wǎng)時的吞吐率與2.1 GHz單獨(dú)覆蓋時差異不大。

4 高鐵1.8與2.1 G H z疊加組網(wǎng)策略分析

根據(jù)1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋性能對比及疊加時的覆蓋性能對比結(jié)果，綜合考慮高鐵的專網(wǎng)用戶和周邊普通用戶2 個用戶群的體驗(yàn)感知，以及未來網(wǎng)絡(luò)運(yùn)營后用戶的投訴量和網(wǎng)絡(luò)KPI 指標(biāo)，建議高鐵沿線郊區(qū)區(qū)域采用2.1 GHz 主覆蓋、城區(qū)段采用1.8 與2.1 GHz疊加組網(wǎng)的覆蓋方式。

4.1 高鐵疊加組網(wǎng)區(qū)域參數(shù)設(shè)置

如果高鐵和公網(wǎng)采用同頻組網(wǎng)方式，公網(wǎng)小區(qū)可能越區(qū)覆蓋到高鐵沿線形成針尖效應(yīng)。一方面，高鐵沿線的大網(wǎng)站點(diǎn)，需優(yōu)化收縮其覆蓋范圍，使信號覆蓋盡量不越過高鐵軌道，將大網(wǎng)和高鐵網(wǎng)絡(luò)的切換區(qū)設(shè)置在高鐵軌道外側(cè)，確保高鐵軌道上的鏈形小區(qū)分布；另一方面，則需要考慮公網(wǎng)的覆蓋調(diào)整工作量，并且高鐵小區(qū)既吸收高鐵用戶又吸收高鐵沿線的公網(wǎng)用戶。在FDD LTE大網(wǎng)覆蓋日趨完善的情況下，采用高鐵和公網(wǎng)同頻組網(wǎng)方式，較難實(shí)現(xiàn)高鐵和公網(wǎng)之間的兼顧。因此本節(jié)重點(diǎn)研究高鐵采用異頻疊加組網(wǎng)方式的參數(shù)設(shè)置方案。

4.1.1 方案思路

選取城區(qū)采用1.8與2.1 GHz疊加組網(wǎng)覆蓋方式的區(qū)域，如圖1 所示。紅色表示高鐵沿線城區(qū)段的疊加組網(wǎng)站點(diǎn)，均采用同一BBU 下掛6 個RRU（3 扇區(qū)需6個、2 扇區(qū)需4 個）的方式（由于BPL 板只能下掛3 個RRU，因此硬件模塊需增加1 塊FS 擴(kuò)展槽），1.8 與2.1 GHz均采用2T2R RRU方式共用同一副天線，即1個物理扇區(qū)下共有2個邏輯小區(qū)。

圖1 高鐵覆蓋疊加組網(wǎng)示意圖

4.1.2 高鐵城區(qū)段疊加組網(wǎng)區(qū)域參數(shù)配置

4.1.2.1 重選參數(shù)配置

重選參數(shù)具體配置原則如下。

a）全網(wǎng)頻間小區(qū)重選優(yōu)先級相同。

b）室外大網(wǎng)1.8 GHz 異頻重選參數(shù)中，同/低優(yōu)先級RSRP測量判決門限設(shè)為-90 dBm，乘客進(jìn)入候車廳室分容易重選到2.1 GHz上。

c）室分同/低優(yōu)先級RSRP 測量判決門限設(shè)為-110 dBm，候車廳中的用戶不容易重選到1.8 GHz的室外宏站上（主要考慮實(shí)際無線環(huán)境設(shè)置而定）。

d）在疊加組網(wǎng)區(qū)域?qū)?.8 與2.1 GHz 小區(qū)的異頻重選參數(shù)中同/低優(yōu)先級RSRP測量判決門限統(tǒng)一設(shè)置成-110 dBm，頻間頻率偏移值設(shè)置為10 dB，將2.1 GHz服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為1 dB，1.8 GHz服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為3 dB。

4.1.2.2 切換參數(shù)配置

切換參數(shù)配置原則如下。

a）采用A2/A3切換算法。

b）室外宏站1.8 GHz 與候車廳室分2.1 GHz 添加異頻雙向鄰區(qū)，1.8 GHz 的A2 事件判決的RSRP 門限為-95～-85 dBm，2.1 GHz 的A2 事件判決的RSRP 門限為-105～-95 dBm，使室外用戶進(jìn)入候車廳更容易切換到室分2.1 GHz 網(wǎng)絡(luò)中，同時增加室分2.1 GHz 的用戶發(fā)生A2事件的難度。

c）候車廳室分2.1 GHz 只添加疊加網(wǎng)絡(luò)的2.1 GHz 的同頻雙向鄰區(qū)，室分2.1 GHz 用戶A1 測量判決門限為-95～-75 dBm。

d）疊加區(qū)1.8和2.1 GHz的A2事件判決門限都調(diào)整為-110 dBm，同時調(diào)整A1事件為-105 dBm，使高鐵用戶難以發(fā)生異頻切換。

e）考慮到疊加網(wǎng)的普通用戶不易切入2.1 GHz專網(wǎng)上，高鐵沿線2.1 GHz 只添加1.8 GHz 單向鄰區(qū)及2.1 GHz同頻鄰區(qū)，1.8 GHz只配置同頻雙向鄰區(qū)。

f）將疊加組網(wǎng)區(qū)域2.1 GHz 小區(qū)的同頻切換參數(shù)中A3偏移設(shè)置為0.5 dB，判決遲滯設(shè)置為0.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時間差設(shè)置為100 ms；將疊加組網(wǎng)區(qū)域1.8 GHz小區(qū)的同頻切換參數(shù)中A3偏移設(shè)置為1.5 dB，判決遲滯設(shè)置為1.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時間差設(shè)置為160 ms。

4.1.2.3 返回帶參數(shù)配置

考慮到實(shí)際高鐵沿線無線環(huán)境，在局部區(qū)域2.1 GHz覆蓋并不連續(xù)，對于這一區(qū)域交疊區(qū)段，做如下配置。

a）2.1 GHz服務(wù)小區(qū)異頻重選參數(shù)中的同/低優(yōu)先級RSRP 測量判決門限設(shè)置為-110 dBm，1.8 GHz 服務(wù)小區(qū)異頻重選參數(shù)中的同/低優(yōu)先級RSRP測量判決門限設(shè)置為-85 dBm；2.1 GHz 小區(qū)異頻重選參數(shù)中頻間頻率偏移值設(shè)置為10 dB，1.8 GHz 小區(qū)異頻重選參數(shù)中頻間頻率偏移值設(shè)置為0 dB。

b）2.1 GHz 服務(wù)小區(qū)A2 門限設(shè)置為-110 dBm，1.8 GHz 服務(wù)小區(qū)A2 門限設(shè)置為-85 dBm，1.8 與2.1 GHz小區(qū)的A1門限統(tǒng)一設(shè)置為-75 dBm。

c）將疊加組網(wǎng)的2.1 GHz 小區(qū)的A3 偏移設(shè)置為0.5 dB，判決遲滯設(shè)置為0.5 dB，事件發(fā)生到上報(bào)的時間差設(shè)置為100 ms，將1.8 與2.1 GHz 的服務(wù)小區(qū)重選遲滯設(shè)置為1 dB。

d）返回帶鄰區(qū)添加規(guī)則：2.1 GHz 服務(wù)小區(qū)配置同頻鄰區(qū)，1.8 GHz 小區(qū)正常配置同頻鄰區(qū)與2.1 GHz異頻鄰區(qū)。

4.2 站間距規(guī)劃

LTE網(wǎng)絡(luò)的高鐵場景是一個用戶較為集中且切換較為頻繁的場景，對網(wǎng)絡(luò)的覆蓋以及站點(diǎn)的規(guī)劃要求也更為嚴(yán)格，合理的站間距規(guī)劃可以實(shí)現(xiàn)在網(wǎng)絡(luò)覆蓋和投資成本之間雙贏的局面。

4.2.1 未做超級小區(qū)的站間距規(guī)劃方案

如果高鐵沿線采用了普通宏站，除了考慮鏈路損耗的距離外還要考慮切換帶重疊覆蓋區(qū)的距離（見圖2）。

圖2 切換重疊覆蓋區(qū)示意圖

根據(jù)現(xiàn)網(wǎng)的天饋發(fā)射功率和小區(qū)最小接入電平，由無線鏈路損耗公式可推導(dǎo)出每個小區(qū)的最大有效覆蓋距離。

式中：

Pr——接收功率（-122 dBm）

Pt——設(shè)備的發(fā)射功率（16 dBm）

Gta——發(fā)射天線的增益（18 dBi）

Ltl——發(fā)射端傳輸線路衰耗（12 dB）

Lrl——接收端傳輸線路衰耗（3 dB）

Lr——車廂穿透損耗（24dB）

Ltm——傳輸空間衰耗（Ltm=42.6+26lg d+20lg f）

La——高鐵場景預(yù)留余量（12.5 dB）

f——使用頻率（2 100 MHz）

d——通信距離（km）

根據(jù)中國電信要求的最小接入電平（-122 dBm），由式（1）可以推導(dǎo)出最大有效通信距離d 約為670 m，以現(xiàn)網(wǎng)的站高h(yuǎn)1平均約為40 m，結(jié)合上述的切換帶論證預(yù)留168～436 m 的重疊覆蓋距離，現(xiàn)網(wǎng)站點(diǎn)離鐵軌的距離h2為0～500 m，如圖3所示。

圖3 基站與鐵軌垂直距離計(jì)算示意圖

根據(jù)圖3，可得出高鐵車速350 km/h情況下，基站與鐵軌不同垂直距離下的站間距，如表3所示。

表3 未做超級小區(qū)時的站間距規(guī)劃

4.2.2 超級小區(qū)內(nèi)的站間距規(guī)劃方案

當(dāng)采用了超級小區(qū)方案，在同一超級小區(qū)下的不同扇區(qū)采用的同PCI 在邏輯上為同一個小區(qū)，因此扇區(qū)間不用考慮切換的問題，此方案可以減少高速場景下用戶切換的頻率，提升網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。因此超級小區(qū)方案的基站站間距可在以上未做超級小區(qū)的站間距方案中將切換帶預(yù)留距離剔除，具體的方案如表4所示。

以上的論證結(jié)果表明，高鐵沿線基站在未做超級小區(qū)的情況下平均站間距為800～900 m，而且站與站之間需設(shè)置切換帶。在采用超級小區(qū)方案時，在同一超級小區(qū)內(nèi)的各點(diǎn)間距平均能達(dá)到1.1 km 左右，可以有效減少投入成本，同時可大幅減少各扇區(qū)間切換帶的設(shè)置問題，特別是在高速場景下能有效減少用戶頻繁切換，從而提升網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量。

表4 超級小區(qū)的站間距規(guī)劃

4.3 超級小區(qū)方案

高鐵、地鐵等特殊覆蓋場景，高速移動的終端會導(dǎo)致大量的重選切換，采用超級小區(qū)可以延長邏輯小區(qū)的覆蓋距離，從而減少頻繁切換，降低因切換帶來的速率下降及掉線等問題。

將高鐵沿線多個2.1 GHz 小區(qū)做成超級小區(qū)，能有效改善模三干擾和重疊覆蓋；但如果高鐵采用和大網(wǎng)同頻的1.8 GHz覆蓋，合并為超級小區(qū)后，因覆蓋區(qū)域增大，會大大增加與大網(wǎng)的PCI沖突，同時也會降低系統(tǒng)容量等，進(jìn)而影響速率和感知，因此高鐵超級小區(qū)方案只針對高鐵異頻組網(wǎng)有效。

4.3.1方案原理

組建超級小區(qū)也可以不改變設(shè)備的連接方式，使傳統(tǒng)小區(qū)成為超級小區(qū)的一個組成部分，稱為CP（Cell Portion），如圖4 所示。同一個超級小區(qū)內(nèi)的CP共用相同的Cell ID及其相關(guān)的公共信道，從而在邏輯上擴(kuò)大了小區(qū)的覆蓋范圍。

圖4 超級小區(qū)組網(wǎng)示意圖

超級小區(qū)的實(shí)現(xiàn)方式為修改基帶資源的CPID，將需要組建超級小區(qū)的CPID從0依次向后排序，再在小區(qū)配置里引用以上修改的CPID 即可。超級小區(qū)的基本小區(qū)配置信息如PCI、TAC、Cell ID 等繼承的是設(shè)為主CP的那個小區(qū)的配置信息，小區(qū)合并之后相關(guān)的鄰區(qū)信息也需重新配置。

4.3.2 超級小區(qū)方案對比結(jié)果

本次主要驗(yàn)證城區(qū)高鐵疊加段專網(wǎng)組建超級小區(qū)后，高鐵城區(qū)段不同頻段覆蓋場景下的RSRP、SINR、下行速率等指標(biāo)的變化情況。測試結(jié)果如表5所示。

表5 超級小區(qū)方案覆蓋指標(biāo)對比

可以看出：

a）RSRP：由于頻段原因，高鐵沿線1.8 GHz 覆蓋時RSRP最好，總體RSRP差異不大。

b）SINR：疊加組網(wǎng)2.1 GHz 配置超級小區(qū)后，SINR 相比未配置超級小區(qū)時提升3.4%，相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時提升10.9%。

c）PDCP層下行吞吐率：疊加組網(wǎng)2.1 GHz配置超級小區(qū)后，PDCP 層下行吞吐率相比未配置超級小區(qū)時提升4.4%，相比1.8 GHz單獨(dú)覆蓋時提升25.3%。

5 總結(jié)

根據(jù)1.8 與2.1 GHz 不同頻段覆蓋以及疊加組網(wǎng)時的覆蓋性能對比結(jié)果，可以看出：

a）2.1 GHz（15 MHz）比1.8 GHz（15 MHz）頻段覆蓋時SINR和下行速率分別提升22%和28%。

b）城區(qū)疊加2.1 GHz覆蓋時的SINR均值和PDCP層的下行速率比單1.8 GHz覆蓋時高出7.3%和20.1%。

建議高鐵沿線郊區(qū)包括隧道等部分采用2.1 GHz主覆蓋；高鐵城區(qū)段采用1.8與2.1 GHz 疊加組網(wǎng)的覆蓋方式。在疊加組網(wǎng)方式下，需針對疊加組網(wǎng)區(qū)域的參數(shù)（包括重選、切換等）進(jìn)行專門設(shè)置，以及郊區(qū)段專網(wǎng)覆蓋不連續(xù)時需考慮返回帶設(shè)置保證與大網(wǎng)的順利回落。同時在高鐵場景中，由于列車移動速度快，高鐵用戶的頻繁切換會對下行速率等造成嚴(yán)重影響，建議在2.1 GHz 專網(wǎng)組建超級小區(qū)，不僅可減少高鐵用戶頻繁切換，而且由于縮減了小區(qū)間切換帶，還可以增加高鐵沿線站點(diǎn)的站間距。從實(shí)際測評結(jié)果看出，疊加區(qū)域2.1 GHz專網(wǎng)組建超級小區(qū)后SINR均值及下行速率均有所提升，相比1.8 GHz單頻覆蓋分別高出11%和25%，效果顯著。且在組建超級小區(qū)后，還可以通過參數(shù)優(yōu)化手段如專用TAC 區(qū)、開環(huán)功率參數(shù)Pa/Pb 等方案進(jìn)一步提升高鐵網(wǎng)絡(luò)覆蓋指標(biāo)。

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