[楊一帆 崔波 李冬 滕琳雅]
高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案研究
[楊一帆 崔波 李冬 滕琳雅]
受車廂高損耗、小區(qū)頻繁切換及沿線環(huán)境復(fù)雜多變等諸多因素影響,高鐵線路無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋一直是運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的難點(diǎn)。本文針對(duì)高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案展開研究,對(duì)組網(wǎng)方式、重疊覆蓋區(qū)和小區(qū)合并等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,最后提出高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)方案。提出的建設(shè)方案已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高鐵線路覆蓋中,并取得良好的覆蓋效果。
高鐵無(wú)線覆蓋 TD-LTE 網(wǎng)絡(luò)建設(shè)
楊一帆
工程師,2007年畢業(yè)于華南理工大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè),工學(xué)碩士,現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。
崔波
工程師,2008年畢業(yè)于中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)信號(hào)與信息處理專業(yè),工學(xué)碩士,現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。
李冬
工程師,2014年畢業(yè)于暨南大學(xué)通信與信息系統(tǒng)專業(yè),工學(xué)碩士,現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。
滕琳雅
助理工程師,2014年畢業(yè)于香港大學(xué)電子電機(jī)工程專業(yè),工學(xué)碩士,現(xiàn)在在中國(guó)移動(dòng)通信集團(tuán)設(shè)計(jì)院有限公司廣東分公司工作。
隨著國(guó)家十三五規(guī)劃的實(shí)施,新一輪高速鐵路建設(shè)將全面啟動(dòng)。是否能在高鐵列車上提供無(wú)線高速寬帶服務(wù)已成為電信運(yùn)營(yíng)商綜合實(shí)力的重要標(biāo)志。然而,由于高鐵具有車體封閉性高、移動(dòng)速度快,沿途環(huán)境復(fù)雜多樣等特點(diǎn),使得高鐵沿線無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)成為一大難題。高鐵無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面臨的主要困難如下。
(1)密封性的提高及材質(zhì)的升級(jí)導(dǎo)致高鐵車體的信號(hào)損耗較普通列車大幅提升。
國(guó)內(nèi)高鐵一般為CRH車型,CRH列車采用密閉式鋁合金廂體設(shè)計(jì),增大了車體損耗。在規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí),為保證有足夠的冗余度,應(yīng)選取車體損耗最大的CRH1車型(龐巴迪列車)進(jìn)行考慮,即車體損耗應(yīng)取24dB。[4]
(2)高速移動(dòng)導(dǎo)致小區(qū)切換過于頻繁
假設(shè)列車以300km/h運(yùn)行,終端約每12秒左右將進(jìn)行一次小區(qū)切換,這提高了小區(qū)切換難度,同時(shí)也加大了網(wǎng)絡(luò)的信令負(fù)荷。[3]
(3)高速移動(dòng)產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”,影響信號(hào)接收。
移動(dòng)臺(tái)在高鐵上通信時(shí),由于與基站的相對(duì)運(yùn)動(dòng),無(wú)線電波會(huì)產(chǎn)生“多普勒效應(yīng)”,發(fā)射機(jī)的信號(hào)頻率在到達(dá)接收機(jī)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的頻率偏差。[1][2]多普勒頻移會(huì)造成接收機(jī)解調(diào)性能的下降,影響網(wǎng)絡(luò)性能。
2.1組網(wǎng)方式選擇
針對(duì)高鐵覆蓋,可采用無(wú)線公網(wǎng)覆蓋或?qū)>W(wǎng)覆蓋兩種組網(wǎng)方式,其具體定義如下:
公網(wǎng)覆蓋方案:將高鐵線路覆蓋與周邊區(qū)域覆蓋合并考慮,采用相同的宏蜂窩組網(wǎng)方式規(guī)劃建設(shè)。
專網(wǎng)覆蓋方案:針對(duì)高速鐵路的特定需求制定專門的覆蓋方案,建設(shè)專用網(wǎng)絡(luò)。
專網(wǎng)覆蓋方案在頻率選擇、設(shè)備選型、網(wǎng)絡(luò)功能開啟及參數(shù)配置等方面均有特殊的要求。主要特性如下:
(1)頻率配置優(yōu)先選擇低頻段頻率提升覆蓋能力,減少站址需求。優(yōu)先采用專用頻率,如無(wú)專有頻率,應(yīng)盡量規(guī)避公網(wǎng)的同頻干擾。[5]
(2)設(shè)備選型
主要采用兩通道分布式基站設(shè)備。
利用小區(qū)合并功能擴(kuò)大單小區(qū)覆蓋范圍。
天線選用窄波束、高增益定向天線。
(3)參數(shù)設(shè)置
配置高速移動(dòng)功能及小區(qū)合并功能。
簡(jiǎn)化系統(tǒng)信息,縮短獲取小區(qū)信息的時(shí)間。
優(yōu)化重選、切換控制參數(shù),加快重選、切換速度。
通過頻率優(yōu)先級(jí)設(shè)置、基于負(fù)荷的切換機(jī)制等保證專網(wǎng)覆蓋質(zhì)量。[5]
公網(wǎng)與專網(wǎng)特點(diǎn)對(duì)比如表1所示。
表1 公網(wǎng)覆蓋與專網(wǎng)覆蓋特點(diǎn)對(duì)比表[5]
2.2重疊覆蓋區(qū)域規(guī)劃(如圖1所示)
圖 1重疊覆蓋帶設(shè)計(jì)
重疊區(qū)域切換時(shí)延由以下兩部分組成:
區(qū)域A:過渡帶,從相鄰兩基站間中點(diǎn)位置到信號(hào)電平值滿足切換遲滯需要點(diǎn)間的區(qū)域
區(qū)域B:切換帶,在終端切換時(shí)間遲滯以及切換執(zhí)行時(shí)間內(nèi)列車所移動(dòng)的距離。
根據(jù)目前設(shè)備狀況,
切換測(cè)量時(shí)間設(shè)為:128ms:
切換執(zhí)行時(shí)間設(shè)為:100ms。
重疊覆蓋區(qū)域需考慮雙向,則
重疊帶=2*(切換遲滯對(duì)應(yīng)距離+車速*切換時(shí)延)
其中:TD-LTE切換遲滯(2dB)對(duì)應(yīng)距離為40米,切換時(shí)延為128ms+100ms,則在不同速率下的重疊帶需求距離如表2所示。
表2 不同移動(dòng)速率下的重疊需求距離
2.3小區(qū)合并技術(shù)
高鐵專網(wǎng)中采用把多個(gè)RRU合并成為同一個(gè)小區(qū)的小區(qū)合并技術(shù),成倍加大了小區(qū)的覆蓋范圍,從而減少了高鐵中移動(dòng)臺(tái)的小區(qū)切換次數(shù),提升整體吞吐量,如圖2、表3所示。
圖2 普通小區(qū)組網(wǎng)與小區(qū)合并組網(wǎng)差異
表3 不同RRU小區(qū)合并下差異對(duì)比
高鐵場(chǎng)景下可根據(jù)設(shè)備支持能力,主干光纜資源,配套資源等因素選擇單小區(qū)或多小區(qū)的站型配置方式,不同配置下小區(qū)合并對(duì)比如圖3、表4所示。
圖3 不同配置下小區(qū)合并BBU+RRU連接示意圖
表4 不同小區(qū)配置方案對(duì)比
3.1多場(chǎng)景建設(shè)方案
(1)室外覆蓋場(chǎng)景
高鐵沿線覆蓋以直視徑為主,采取鏈型小區(qū)連續(xù)覆蓋的方案,采用BBU+RRU光纖拉遠(yuǎn)型的分布式基站進(jìn)行覆蓋,組網(wǎng)主要采用單抱桿雙RRU背靠背和單抱桿單RRU功分兩種方式,如圖4所示。
兩種建設(shè)方案的特點(diǎn)如下:
① 單抱桿雙RRU背靠背方案:每個(gè)抱桿上放置2個(gè)雙通道的RRU,每個(gè)RRU與一個(gè)兩通道天線相連,分別覆蓋抱桿兩側(cè)的鐵路。每個(gè)抱桿可稱為一個(gè)子站,子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。
② 單抱桿單RRU功分方案:每個(gè)抱桿上放置1個(gè)雙通道的RRU,RRU采用功分器連接到2個(gè)兩通道天線;子站通過光纜連接到集中放置的BBU處。
由于功分器的引入,使單抱桿單RRU功分方案單子站覆蓋距離比單抱桿雙RRU背靠背方案短。
(2)隧道場(chǎng)景
隧道場(chǎng)景的特點(diǎn)是空間狹小封閉,存在填充效應(yīng),造成無(wú)線傳播環(huán)境相對(duì)復(fù)雜。隧道場(chǎng)景可采用射頻拉遠(yuǎn)單元(RRU)配合泄漏電纜與定向天線的混合覆蓋方案進(jìn)行覆蓋。
圖4 高鐵BBU+RRU鏈狀覆蓋方案
① 短隧道方案
對(duì)于長(zhǎng)度小于300米的短隧道,如果隧道內(nèi)無(wú)轉(zhuǎn)彎,且隧道沿線未布放泄露電纜,可在隧道口設(shè)置定向天線對(duì)隧道內(nèi)區(qū)域直接覆蓋。如果隧道沿線已布放泄露電纜,可采用泄露電纜和定向天線相結(jié)合的方式進(jìn)行覆蓋,如圖5所示。
圖5 短隧道覆蓋方案
② 長(zhǎng)隧道覆蓋方案
對(duì)于長(zhǎng)度大于300米的長(zhǎng)隧道,因?yàn)樗淼雷呦蛲ǔ?huì)彎曲多變,且無(wú)足夠空間安裝定向天線,所以無(wú)法使用定向天線進(jìn)行覆蓋。泄露電纜能很好地適應(yīng)隧道空間狹長(zhǎng),彎曲多變的特征,而且在隧道內(nèi)布放施工難度小,因此在長(zhǎng)隧道場(chǎng)景推薦采用泄露電纜進(jìn)行覆蓋,建議泄漏電纜安裝在車窗上方位置的隧道墻壁,如圖6所示。
圖6 長(zhǎng)隧道覆蓋方案
③ 連續(xù)隧道覆蓋方案
對(duì)于多條連續(xù)隧道場(chǎng)景,在隧道與隧道之間的空曠路段建議在隧道口架設(shè)定向天線進(jìn)行覆蓋,在連續(xù)隧道之間不設(shè)置小區(qū)切換區(qū)域,以避免切換掉話,組網(wǎng)方式如圖7所示。
綜上分析,隧道組網(wǎng)方案建議采用RRU+泄露電纜的方式進(jìn)行隧道內(nèi)覆蓋,同時(shí)采用定向天線進(jìn)行隧道外覆蓋,保證與隧道內(nèi)外高鐵專網(wǎng)的覆蓋銜接。
(3)大型橋梁場(chǎng)景
大型橋梁的普遍特點(diǎn)為橋面?zhèn)鞑キh(huán)境空曠,橋上架設(shè)天線難度大,工程條件非常有限;對(duì)于大型橋梁場(chǎng)景,優(yōu)先建議在橋梁兩側(cè)架設(shè)天線進(jìn)行覆蓋
由于實(shí)際環(huán)境復(fù)雜,部分橋梁可能存在一定的彎度,這種情況下,天線可對(duì)準(zhǔn)橋面中部覆蓋,并針對(duì)具體場(chǎng)景條件選擇不同波束寬度和增益的天線。
圖7 連續(xù)隧道覆蓋方案
3.2天線發(fā)射點(diǎn)布局方案
(1)發(fā)射點(diǎn)交錯(cuò)布局
高鐵沿線發(fā)射點(diǎn)的布局方案應(yīng)結(jié)合具體場(chǎng)景而確定,發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量交錯(cuò)建設(shè)于鐵路兩側(cè),以保證車廂內(nèi)兩側(cè)用戶接收信號(hào)質(zhì)量均勻,并有利于小區(qū)切換,如圖8所示。
圖8 發(fā)射點(diǎn)交錯(cuò)布局方案示意圖
(2)拐彎處發(fā)射點(diǎn)布局
在高鐵的拐彎區(qū)域,天線發(fā)射點(diǎn)應(yīng)盡量設(shè)置在拐角內(nèi)側(cè),以減小基站覆蓋方向與軌道方向夾角,減小多普勒頻移的影響,同時(shí)天線的選型需配合軌道弧度,弧度較大的選擇波瓣較寬的天線,如圖9所示。
圖9 拐彎處發(fā)射點(diǎn)布局示意圖
(3)站點(diǎn)與軌道距離
依據(jù)信號(hào)穿透特點(diǎn),當(dāng)信號(hào)與列車入射角小于10度時(shí),信號(hào)的穿透損耗將明顯增大;以站間距1千米左右計(jì)算,在信號(hào)入射角10度左右時(shí),站點(diǎn)離鐵軌距離約100米左右,因此高鐵紅線外選點(diǎn)建議在100米左右。
根據(jù)規(guī)劃信息以及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),高鐵高架度約為10~15米之間,為保障高鐵在高架橋上覆蓋效果,建議天線距離地面高度為25-40米,即天線相對(duì)高架橋高度在10~30米左右。
本文針對(duì)高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)方案展開研究,對(duì)組網(wǎng)方式、重疊覆蓋區(qū)和小區(qū)合并等網(wǎng)絡(luò)建設(shè)關(guān)鍵問題進(jìn)行分析,最后提出高鐵場(chǎng)景下TD-LTE網(wǎng)絡(luò)的具體建設(shè)方案,指導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)。本文提出的建設(shè)方案已應(yīng)用于國(guó)內(nèi)高鐵線路覆蓋中,并取得良好的覆蓋效果。
1 梁寅明,潘峮,袁超. TDD_LTE移動(dòng)通信系統(tǒng)高速鐵路場(chǎng)景共存研究[J]. 《廣東通信技術(shù)》, 2011(2): 45-49
2 蔣遠(yuǎn),湯利民. TD-LTE原理與網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計(jì)[M]. 1版. 北京:人民郵電出版社, 2012: 288-292
3 王映民,孫韶輝. TD-LTE技術(shù)原理與系統(tǒng)設(shè)計(jì)[M]. 1版 北京:人民郵電出版社, 2012: 208-429
4 楊一帆. 高速鐵路TD-LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究[J]. 《移動(dòng)通信》,2014,第18期(18): 13-17
5 高明皓,高天,劉培欣,徐江. 高速鐵路LTE專網(wǎng)覆蓋和建設(shè)的關(guān)鍵技術(shù)研究[J], 《電信技術(shù)》, 2015, 8期(08):65-68
10.3969/j.issn.1006-6403.2016.06.002
(2016-05-05)