贺柳杰
中国移动通信集团广东有限公司肇庆分公司 广东肇庆 526000
摘要：随着4G网络的大规模部署，高速铁路沿线场景下的多普勒频移、车厢穿透损耗、小区频繁切换等关键问题影响着4G网络的覆盖，本文因此分析了这些问题的来由，并对解决方案及应用进行了探讨。
关键词：TD-LTE；网络覆盖；高速铁路；应用
目前，我国高速铁路总里程已超过1万公里，接近世界高铁运营里程的一半。伴随着高铁的飞速发展，运营铁路上2G/3G通信方案已难以满足用户对高速数据业务的需求，由于高铁用户中商务人士比例较高，他们对高质量的数据业务要求很迫切，TD-LTE方案是解决这一问题的最佳平台之一，因此在高铁沿线覆盖TD-LTE成为中国移动公司展现品牌优势的主战场。但是高铁环境与常规移动通信场景有着显著差别，其关键问题[1，2]包括：（1）列车运行速度快，正常运营速度可达200～350km/h，多普勒频移导致接收性能恶化；（2）高铁车厢对无线电信号穿透损耗大，高出普通车厢10dB左右；（3）小区切换频繁，影响网络整体性能。此外，高铁沿途复杂的地形地貌、线状覆盖区域特点等也是高铁TD-LTE网络覆盖方案需要考虑的因素。本文针对相关问题探讨了改善高铁覆盖TD-LTE方案及应用。
1 影响高铁TD-LTE网络覆盖关键因素分析
1.1 多普勒频移
多普勒频移是指基站向移动终端发射的无线电波会因传播路程差而产生发射与接收频率变化的现象。多普勒频移可以用 来表示，式中 为多普勒频移， 为载波频率（Hz）， 为移动终端速度（m/s）， 为光速（m/s）， 为基站与移动终端前进方向的夹角（入射角），并有关系 ，且 ，如图1所示。由此可知，距离基站越远，波长越长，频率越小，多普勒频移值越大，并且移动终端速度越大，多普勒频移值也越大；反之亦然。同时可以看到多普勒频移与 的密切关系， 越小，多普勒频移值越大。对于F频段，可以计算多普勒频移最大偏差：移动终端速度 =200km/h时， =371 Hz；当 =350km/h时， =648 Hz。因此，对于高铁的TD-LTE网络方案是无法忽视多普勒频移效应的。图2是基站与移动终端上、下行多普勒频移情况示意。多普勒频移会造成无线链路不稳定，影响基站的解调性能，使部分区域出现覆盖不足现象，另一部分区域产生覆盖盲区，用户的通信体验变得较差。
1.2 车厢穿透损耗
高铁列车车厢为全封闭结构，箱体材质为不锈钢或铝合金，车窗玻璃厚度较大，因此室外信号在车厢内穿透损耗较大。经测试，高铁新型列车CRH型、T型、K型、D字头型和庞巴迪型的车体穿透损耗分别为10dB、12 dB、14 dB、20 dB和24 dB，所以车厢穿透损耗一般以庞巴迪型列车进行考虑，穿透损耗至少取24 dB。
1.3 小区频繁切换影响
因为单个基站覆盖范围是有限度的，所以铁路沿线需设置很多的基站，由于高铁运行速度非常快，接收机必须频繁切换小区。以列车行驶速度300km/h为例，用户大约12s就要切换一次。频繁的切换会降低网络性能，增加掉线的几率，使用户通信质量大大降低。
2 改善高铁TD-LTE网络覆盖的方案与应用
2.1 设置专网覆盖方案
为了满足高铁覆盖需求可设置专网覆盖来解决，虽然也可以在车厢内设置直放站来克服，但这一方面涉及到车厢大量改造及成本较高的问题，另一方面还关系到多个运营商多制式带来的重复建设投资问题，所以专网方案是目前更常用的方案，况且设置专网还可同时满足铁路部门内部通信的需求，如无线调度、机车同步操控、视频监控等方面[3]。专网除了要满足业务需求、安全需求和可靠性需求以外，还要满足无线覆盖需求，也就是要解决多普勒频移、频繁切换和车体损耗大等问题。
2.2 解决多普勒频移的做法
目前，解决多普勒频移问题主要做法是对频偏进行补偿，也就是采用自适应频偏校正算法（AFC）进行有效补偿，以改善链路稳定性和提高解调性能。AFC通过实时检测频偏信息，再对基带相位偏移进行校正，其过程是由eNodeB算出上行信号频偏量，再进行相应的补偿，当然下行信号也同样按此原理进行补偿。补偿时为了减少网络开销，eNodeB可根据列车行驶速度自动决定是否应用自动补偿，当车辆低速行驶时可以关闭AFC算法。测试结果表明，AFC可以有效改善多普勒频移所带来的通信性能下降问题。
2.3 克服车体穿透损耗大的方法
解决车体穿透损耗问题可以从以下几个方面考虑：一是通过合理布局站点来克服车体穿透损耗大的问题；二是利用车载车载CPE在车厢内形成无线覆盖。
站点布局方面需要考虑基站与轨道的距离及入射角。一般来说信号垂直入射车厢（即入射角为90°）时穿透损耗最小，随着入射角的减小，穿透损耗逐渐增大。根据测试结果，入射角 小于10°后穿透损耗显著增加，如入射角从10°减小到8.5°，车体穿透损耗会增加5dB，但是入射角从15°减小到10°，车体穿透损耗增加量不到5dB，因此基站距铁路的垂直距离应控制在100～300m[4]，太近将减少入射角而增加车体损耗，太远高铁专网与宏网形成干扰。合理站点布局的第二个方面是合理基站间距，站间距可用“站间距=覆盖半径2×2-站点距铁路距离2-重叠覆盖距离”关系来计算，以站高15～30m、F频段为例，基站间距以600m为宜。另外，站点布置应交错分布于铁路两侧，这样有利于改善切换区域的均匀性。
车载CPE装置设于车厢内，而天线在车顶，可避免车体穿透损耗的弊端，改善接收性能。
2.4 解决小区频繁切换的办法
目前，解决小区频繁切换问题主要由小区合并和设置重叠切换带两个方面入手。小区合并是将多个单通道RRU合并为一个逻辑小区，这样就减少了小区切换的次数，相当于拉长了小区覆盖长度。目前，高铁基站建设一般采用BBU+RRU光纤拉远方式组网，BBU可以将用户上行数据进行合并，并根据上行信号接收质量选择下行RRU，结果提高了上行链路的增益，改善了下行链路的数据质量。其原理如图3所示。
为了更好地实现不同小区之间的切换，相邻小区重叠区域的设置也十分关键。如果重叠区域设置过小，容易出现切换失败现象，但是重叠区域设置过大，相邻小区之间的干扰就会增加而影响用户通信体验，所以要合理设置重叠区域的大小，设置原理如图4所示。A区域为信号过渡区域，其距离要满足电平迟滞的需要，即2dB的要求，一般需要40m的距离。B区域为信号切换区域，信号切换就发生在这个区域，一般考虑两次快速切换所需的距离（同频切换），用时约378ms，连同对称的区域，重叠切换带总长大约200m。
论文作者:贺柳杰
论文发表刊物:《基层建设》2015年19期供稿
论文发表时间:2015/12/28
标签：多普勒论文; 基站论文; 高铁论文; 入射角论文; 车体论文; 区域论文; 小区论文; 《基层建设》2015年19期供稿论文;