高铁LTE网络覆盖研究

4
（3）站址的规划与布局 武广高铁的 LTE 网络覆盖主要包括两大部分，一部分是轨道沿线的覆盖， 另一部分是高铁站台及售票大厅的覆盖。 而对高铁站台及售票大厅的覆盖主要采 用室内分布形式， 与通常的室内分布覆盖基本相同， 因此重点分析对铁路轨道沿 线的覆盖。 1）高铁轨道常规场景站点布局 首先明确的是对武广高铁的 LTE 网络覆盖站点将伴随铁路轨道的延伸呈线 状分布， 这样可以保证用最小的物理站点数最大化地覆盖轨道沿线， 从而形成清 晰的链状主服务小区， 使高铁覆盖的小区信号在铁路沿线具有绝对优势， 这对提 高小区选择/重选和切换的准确性是非常有利的。另外，高铁站址的选择尽量交 错分布于铁路轨道两侧，采用双侧覆盖车厢的方法，呈“之”字形布站，如图 2 所示。 这样可有效避免单侧覆盖所产生的障碍物盲点效应， 减少了实际穿透损耗， 从而使得车厢内两侧用户接收信号质量更加均匀。根据现网实际测试经验， 分别 坐在车厢两侧进行测试时，平均信号强度相差 3～5dB。采用“之”字形布站可 有效减少这 3～5dB 的覆盖重叠区，从而达到改善切换区域的目的。
在城区部分，由于建筑物较密集，穿透损耗大，且站址往往建设在周边建筑 物上，因此站高偏矮，覆盖距离近，一般控制站点高度不低于 20m。而郊区开阔 地带无线环境相对较好， 小区覆盖距离也相对远些， 站高通常控制在不低于 35m。 由以上链路预算可知，城区 LTE 站点小区覆盖半径约 0.38km，郊区开阔地带覆
图 2 线状“之”字形布站双侧覆盖车厢方法示意图
2）特殊场景站点布局 高铁轨道往往会存在隧道、弯道、桥梁等各种场景，对覆盖这些场景的站点 布局会略有不同。 ◆隧道场景： 隧道内无线信号屏蔽效应很强， 通常的室外宏站信号很难覆盖 到隧道内部， 直接会影响到隧道内移动终端的无线信号接收， 甚至会导致信号中
关键词
1、引用
高铁即高速铁路，是当今铁路技术发展的又一新高度，它具有速度快、效益 高、污染少等优点，是国民经济的重要载体之一。近几年，随着我国经济的高速 发展， 各地高铁线路应运而生， 而对高铁线路的无线信号覆盖也成为各运营商进 行网络部署的一项重要工作，尤其是伴随 4G LTE 网络的逐步开通，用户对数据 业务的要求越来越高，高铁的 LTE 网络覆盖自然成为了打响品牌和知名度的必 争之地。因此，如何合理完美地做好高铁 LTE 网络的覆盖，并保证各小区的合 理划分及小区间的顺畅切换， 从而让用户在乘坐高铁的旅途中享受到一个优质连 续的 4G 网络，便成为要深入分析研究的一个重要课题。
高铁 LTE 网络覆盖研究
摘 要 针对高铁 LTE 网络覆盖进行分析研究。 首先论述了高铁 LTE 网络覆盖的 特殊性， 然后从列车车厢的穿透损耗、 多普勒频移特点以及高铁轨道线 状延伸特性等几个方面进行分析，得出高铁站点规划与布局的总体原 则， 并对一些特殊场景的站点规划及高铁 LTE 网络的主要规划参数设计 进行了论述， 同时又对高铁 LTE 专网的切换策略进行了分析研究， 最后 通过高铁 LTE 网络建设后的实际测试效果验证了整个方案的合理有效 性。 高铁 LTE 网络 多普勒频移 切换策略
图 3 弯道及桥梁场景示意图
◆桥梁场景： 桥梁场景的特点。 在武广高铁中采用了在桥的两端架设基站天线进行覆盖 的方式，如图 3 所示。 3）天线选型 在天线的选型上，为了增加单基站的覆盖距离，尽量减少切换次数，一般采 用高增益窄波瓣天线对高铁进行覆盖， 这样不但可以弥补多普勒频移对性能的影 响，又可以增大覆盖距离。高增益窄波瓣天线通常可以做到增益 18～21dBi，波
从表 3 链路预算得出站点小区覆盖半径如表 4 所示：
表 4 站点小区覆盖半径表
覆盖半径/km 城区 郊区开 阔地带
站高/m 上行 UL 256kbps 下行 DL 4Mbps 上行 UL 256kbps 下行 DL 4Mbps
35 0.45 0.46 1.22 1.24
20 0.38 0.39 0.99 1
7
盖半径约 1.22km。 通过上文分析，总结得出高铁 LTE 覆盖站点整体沿轨道延伸呈线状分布， 且呈 “之” 字形分布在轨道两侧。 又由车厢穿透损耗分析及多普勒频移分析可知， 站点选择距离轨道垂直距离不能过近，尽量保证信号入射角要大于 10°，因此 由站点小区覆盖半径可以计算得：站点距离轨道的垂直距离不能小于 100m，而 超过 300m 则又会影响小区覆盖距离， 一般常规 35m 高的站点覆盖半径为 1.2km， 则站点垂直距离轨道在 200m 左右为合适。
6
瓣宽度 35°。而对于弯道场景则要选择宽波束天线，增大覆盖面积。对于短直 隧道通过两端隧道口向内覆盖方式时，可以采用方向性更强的八木天线； 而较长 的隧道则考虑通过泄漏电缆进行隧道内的均匀覆盖。 4）站点分布及链路预算 高铁运行在城市与城市之间，其轨道必然会穿过密集城区， 也会经过郊区开 阔地带， 因此， 常规场景下对高铁覆盖站点的链路预算分为城区密集区和郊区开 阔带两部分。高铁 LTE 站点链路预算项目参数取定如表 3 所示：
表 2 特定频率下多普勒频移与移动速度关系表
列车行驶速 度/ km h -1 50 100 150 200 250 300 350 400 1.8GHz 下行 83 167 250 333 417 500 583 750
最大频偏/Hz 2.1GHz 上行 167 333 500 667 833 1000 1167 1500 下行 97 194 292 389 486 583 681 875 上行 194 389 583 778 972 1167 1361 1750
4、高铁 LTE 网络的覆盖规划
高铁 LTE 网络的覆盖规划主要包括站址的规划与布局，小区的划分与小区 间切换带的设计以及一些主要的网络规划参数设计， 下面就以武广高铁为例从这 3 个方面进行详细的分析论述。
2
4.1 站址的规划与布局
对于高铁 LTE 网络站址的规划与布局，既要考虑到站点的覆盖距离，又要 保证高铁列车车厢内移动用户的接收信号强度。而高铁列车车厢主要为金属材 料，且采用密闭箱体式设计，对信号的屏蔽严重，因此必须要考虑信号对列车车 厢的穿透损耗。 （1）高铁列车穿透损耗 不同列车由于材质上的差异，其对于无线信号的穿透损耗差别也较大。 如表 1 所示是高铁常用列车车型及信号的穿透损耗情况（频段：1.8GHz） ：
5
断。对于小于 1km 的短直隧道，可以采用由隧道两端通过室外定向天线的方式 向隧道内覆盖， 且两面天线最好设置为同一个小区， 以避免在隧道内切换影响覆 盖效果。 而对于较长的隧道可采用泄漏电缆的方式进行覆盖， 天馈安装高度一般 在车窗上方位置的隧道墙壁上。 ◆弯道场景：在实际中，高铁列车轨道势必会存在弯曲部分，而在轨道弯曲 部分设置站点时， 尽量选在轨道弯曲曲线弧的内侧， 这样不但可以有效地保证站 点对轨道的覆盖， 而且会增大无线信号覆盖列车车厢的入射角， 从而可以对多普 勒频移有一定的削弱作用，如图 3 所示：
f v cos 。可见，多普勒效应不但 C
与无线信号频率 f 及列车的移动速度 v 相关， 而且与终端移动的方向和基站信号 传播方向的夹角θ有关（如图 1 所示） ，当终端移动的方向和基站信号传播方向 的夹角θ趋于 0°或 180°时，存在最大频率偏移。而在基站小区覆盖半径 r 一 定的情况下，基站与轨道的垂直距离 d 越小，夹角θ就会越小，那么多普勒频移 就会越明显，因此，为了削弱多普勒效应产生的影响，除了选用设备本身具备良 好的频率校正与补偿功能外， 基站站址的合理选择也至关重要。 虽然基站距离轨 道越近， 小区对列车轨道的覆盖距离会越远， 但过近的基站与轨道间距离也会使 多普勒频移越发明显。 下面是根据多普勒频移公式得出的在一定频率下列车及终 端移动速度与频率偏移量的关系，如表 2 所示。
2、高铁 LTE 网络覆盖的特殊性
高铁作为城市之间的一种高速轨道交通工具，其运营时速往往超过 300km/h，因此高铁沿线及站台的 LTE 无线网络覆盖与通常的室外宏站以及室内 分布覆盖方式相比，具有其自身的区别和特点。 （1）高铁通常运行在城市与城市之间，包括站台覆盖和轨道沿线覆盖，而 高速铁路轨道会存在隧道、桥梁、弯道等各种情况，因此覆盖场景复杂多样化。 （2）高铁的网络覆盖主要为轨道的沿线覆盖，其呈线状覆盖的特性。 （3）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问题。
表 1 高铁常用列车车型及信号的穿透损耗情况
车型 普通列车 CRH1（庞巴迪列车） CRH2（部分动车） CRH3（京津城际） CRH5（阿尔斯通）
列车材质 铁质 不锈钢 中空铝合金车体 铝合金车体 中空铝合金车体
损耗参考值/dB 12～15 20～24 14～16 24～26 22～24
武广高铁主要有两种车型：CRH2 和 CRH3，其中 CRH3 车型损耗值更高， 在 24～26dB 左右。另外，对于同一车型不同的信号，入射角也会对应不同的穿 透损耗， 如图 1 所示， 当无线信号垂直入射车厢时， 相应的穿透损耗最小； 相反， 无线信号的入射角越小，穿透损耗越大。因此，当基站的位置垂直于铁道的距离
表 3 高铁 LTE 站点链路预算项目参数
项目 频段 带宽 场景模型 传播模型 天线设置 天线增益 功率设置 穿透损耗 站高 MCS 设置 业务目标
内容 1.8GHz 20M 城区/郊区开阔地带 Cost231-HATA 下行 DL：2T2R；上行 UL：1T2R eNB：21dBi；UE：0dBi eNB：46dBm；UE：23dBm 24dB 20m/35m 下行 DL：QPSK0.30；上行 UL：QPSK0.31 下行 DL：4Mbps；上行 UL：256kbps
3、高铁 LTE 整体组网方案概述
基于高铁无线网络覆盖的自身特点，本次武广高铁的 LTE 网络覆盖站点将 伴随铁路轨道延伸呈线状分布。考虑到现有 3G 网络覆盖为专网形式，因此 4G 也同样采用专网形式覆盖，站址除共站部分现网 3G 站点建设外，在站距相对较 远的地方适当增加新站址。在设备选用上，由于现有 3G/4G 网络采用相同厂家 设备，因此高铁的专网设备同样采用相同厂家设备，从而不但能够保证语音 CS 业务到 3G 网络的良好回落时延及成功率，而且为移动用户在站台处专网与公网 间的无缝切换打好基础，同时也使后续网络的优化及维护降低了难度。 在无线网络频段和带宽的选择上，根据当前 4G 无线网络频段的实际拥有情 况，武广高铁 LTE 网络采用与公网相同的频段（1.8GHz 频段） ，带宽同样采用 20M。由于 LTE 网络仅有 PS 域业务，且目前没有开通 VoLTE，因此移动用户的 CS 业务采用 CSFB（Circuit Switched Fallback，电路域回落）方式统一回落到 3G 网络第一频点 F1 承载语音业务。
近几年随着我国经济的高速发展各地高铁线路应运而生而对高铁线路的无线信号覆盖也成为各运营商进行网络部署的一项重要工作尤其是伴随4glte网络的逐步开通用户对数据业务的要求越来越高高铁的lte网络覆盖自然成为了打响品牌和知名度的必争之地因此如何合理完美的做好高铁lte网络覆盖并保证各小区的合理划分及小区间的顺畅切换从而让用户在乘坐高铁的旅途中享受到一个优质连续的4g网络便成为了我们要深入分析研究的一个重要课题
图 1 穿透损耗及多普勒频移与入射角关系示意图
越近时，覆盖区边缘信号进入车厢的入射角就会越小，而穿透损耗会越大。经实 际测试表明，当入射角小于 10°以后，随着角度的减小，车厢穿透损耗增加的
3
变化率越大，呈快速上升状态。因此，合理的控制入射角，将能够更好地满足高 速轨道覆盖目标。 （2）多普勒频移 高铁列车高速运行必然会带来多普勒效应，导致接收机和发射机之间产生 频率偏差， 且这种频偏效应是时变的， 它的频率变化的大小和快慢与列车的速度 相关（列车进站、出站、途中调度，其运行时速都会变化） ，从而导致接收机的 解调性能下降，直接影响移动终端的接入成功率、切换成功率，同时也会对 LTE 系统的容量和覆盖产生影响。 多普勒频移的计算公式为： f f d
1
（4）高铁的车厢为金属材料，且为密闭式厢体设计，对信号屏蔽严重，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切换和重选提出了更高的 要求；由于 UE 终端穿越切换区域的时间接近甚至小于切换响应时间，因此很容 易出现脱网、小区切换失败等网络问题。 （6）高铁的高速运行会导致移动终端在 TA 边界处的极短时间内产生大量 TAU（Tracking Area Update，跟踪区更新）信令，给网络带来信令冲击风险。