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高铁场景下提升覆盖的优化方案设计

发布时间:2022-01-03 10:29:26 人气:

  随着时代发展,高速铁路逐渐代替曾经的公共交通工具,高铁的大面积运行,使其成为越来越多人的出行工具[1]。南广高速铁路,即南宁至广州铁路,于2014年12月26日开始营运。是一条华南沿海地区骨干铁路线路,是连接广西与广东的重要交通线路,是国家I级双线电气化铁路,具备运输双层集装箱列车的能力[2]。

高铁场景下提升覆盖的优化方案设计(图1)

  大金山脉,呈南北走向,处于南广高铁云浮境内,北起郁南县的宋桂镇等地,南至云浮市云城区南盛镇、云安区六都镇,南连云雾山脉。绵延30多公里,东西宽约8公里,隧道众多,地质复杂。高铁场景下的移动通信网络覆盖,在国内外都在展开研究[3]。从现在国内外的高铁网络覆盖情况来看,因为高速铁路的时速高、车体穿透损耗等难点,导致上网速率、小区切换不理想,给用户体验带来不好的感觉。同时,因为每条高铁的地域环境不全相同,导致网络覆盖方案有较大差异,因此,每条高铁线路的覆盖优化,都是运营商去研究和解决的难题。


  论文通过研究覆盖规划原理和移动通信组网的理论,对网络覆盖关键点的内容、高铁组网方案等进行讨论,并且进行优劣势分析。研究当前的高铁覆盖方案,结合广西广东的地貌特征,分析可能影响覆盖范围的各种原因,详细讨论各种问题,提出相应的解决方案,并在更高的程度上提供移动通信网络高铁方案计划结果。


  1.1研究背景


  随着宽带中国,智慧中国战略的提出,我国的无线宽带建设进入一个高速发展期。以4G网络为代表的移动通信网络,无处不在的移动互联网悄悄改变了人们的生活[4]。呼之欲出的5G,则让人们憧憬着无限未来。当越来越多的老百姓搭乘高铁出行,当越来越酷炫的黑科技,在手机终端实现,旅途不再烦闷,生活处处是激情。


  如何让用户在不断提速的高铁上,享受优质的宽带服务,逐步成为时代交给运营商的使命。与此同时,高铁上高端商务客户云集,提供优质服务,己成为培养和争取客户的重要手段。高铁己成为运营商建设领先移动网络品牌的竞技平台,各运营商正不遗余力地争夺着“高铁出行+高速上网”双高目标[5]。


  但是由于高速铁路的运行速度快、所经过的无线环境复杂多变等特点,在实际的通信网络覆盖过程中,遇到不少困难和挑战,如下:


  (1)高速铁路通常在城市之间运行,网络覆盖范围包括平台覆盖范围和铁路沿线覆盖范围。高速铁路将有各种场景,例如隧道,桥梁,弯道等,涵盖复杂多样的场景[6]。


  (2)高铁线路的无线网络覆盖主要沿轨道,其线性覆盖特性与传统的宏基站蜂窝结构大不相同。


  (3)高速列车的实验运行速度已超过每小时500公里,而运营速度也已超过每小时250公里。它的高速特性势必会给无线网络覆盖带来严重的多普勒频移。火车运行得越快,用户越容易挂断电话,切换成功率越低[7]。


  (4)高铁的车架由金属材料制成,封闭式设计非常严谨,信号穿透损耗很大。


  (5)高速列车的高速特性对不同基站和小区之间的移动用户网络切换和网络重选提出了更高的要求;UE终端穿越交换区域的时间较短,因此很容易出现一系列网络问题,例如切换失败[8]。


  基于以上问题,高铁移动覆盖目前成为各运营商网络建设的重点和难点。如何有效的形成精品网络,并保证投资效益,成为整个产业研究焦点。


  1.2国内外研究现状


  各国对高铁速度的定义标准不一,采用的4G网络制式也不尽相同。国外运营商选择的4G网络主要为FDD-LTE制式,其技术特点与TDD-LTE存在差异。另外,由于各国的无线频段现状不一,4G网络使用频段也不一样。综上所述,本文在分析和借鉴经验时,主要参考国内经验。国外经验只对其组网的思路、关键问题的规避方法进行了借鉴。


  从国内来看,我国目前拥有运行高铁里程数3.5万公里,在建高铁1.8万公里。涉及的已运营高铁里程,基本都完成或正在进行移动网络覆盖。对目前国内不同省份、不同环境下的高铁线路无线网络组网方式探索经验,为本文提供了宝贵的经验。对其组网经验展开分析研究,可以发现,几乎所有的高铁无线网覆盖,都将组网关键问题聚焦到了解决小区频繁切换、解决多普勒频移、解决传播模型校正等的核心问题上[9]。


  1.2.1目前国内运营商的高铁覆盖组网方式及利弊分析


  国内的多条高铁无线覆盖组网,各运营商为节省投资,保证基站的建设效益,一般都会采用宏基站大网加铁路专网(在高速铁路的沿线进行专用基站建设)相结合的形式,进行网络覆盖。二者良好的结合,可以有效的减少切换次数,能够降低网络业务的掉线率。目前,国内常见的基站布局组网模式,各有利弊,具体分析如下:


  1.2.1.1高铁覆盖专网与宏基站大网的异频组网


  在这种模式下,能够有效的避免高铁专网与宏基站大网的信号干扰问题,经过运营商测试反馈,其效果良好。但也存在一些问题,如LTE网路带宽受限,频点不足(尤其是中国移动),最终影响网络的用户容量,也影响用户的实际体验速率[10]。


  1.2.1.2高铁覆盖专网与宏基站大网的同频组网


  在这种模式下,网络的RSRP信号值良好,用户体验好。但由于是同频组网,宏基站大网和高铁专网之间,会相互产生信号干扰,影响到公网用户体验速率。


  1.2.1.3由宏基站大网直接进行覆盖


  在这种模式下,由于宏基站大网间无法进行小区合并,小区切换的次数明显增多。当高铁途径市区时,由于城市地区的高速铁路通常使用高架桥并且架设高度较高,因此宏基站站点需要同时考虑高速铁路线和周围宏网络的覆盖范围,网络规划的难度将大大增加[11]。


  1.2.2目前国内高铁无线环境及传播模型校正


  高铁线路,绵延千里。线路上的自然环境迥异,气候、地貌等也大不相同。比较典型的有:哈大高铁(哈尔滨到大连的高铁),冬季气候可达到零下40多度,属于冰雪覆盖下的高寒地带。海南环岛高铁,穿越沿海的台风频发区,其山体特征、植被种类不同,且存在海面、水面,对信号的衰减情况不同,反射、折射现象相对严重;南广高铁,其主要穿梭于山区,多隧道,其覆盖主要研究隧道的覆盖[12]。


  面对以上问题,运营商在组网时,首先需要进行传播模型校正。我省在开展组网工作时,可以充分借鉴己有传播模型的经验。但另一方面,由于广西省内地形地貌独具特点,南部属于秦岭山区,植被茂密,山体遮挡严重;北部榆林属于黄土高原地貌,中部属于平原地带,其传播模型参数的具体数值,还需进行实际测量并进行校正。


  1.2.3目前国内高铁覆盖切换方式分析


  在移动通信网络中,终端在小区间切换,是整个通信系统必不可少的通信过程。当用户在通信网络的不同小区内移动时,其正在进行的某项业务(呼叫或者视频业务)的提供者,由源基站逐步过渡到信号更强的新基站,而此时的网络切换就必须迅速而且有效,否则将会影响网络用户的业务体验,更甚者容易让终端掉线。


  随着中国高铁技术的不断提高,列车速度越来越高,目前的最高可达到380Km/h[13]。列车运行速度提升,会直接导致无线信号小区切换更为频繁,从而加大了网络数据业务掉线率。从LTE网络的协议规则制定来讲,网络系统仅仅支持硬切换方式,不支持软切换。每次执行切换过程时,用户端都必须先断开其与源小区的eNodeB之间的链接,然后再与目标小区的eNodeB建立链接,这不可避免地导致切换中断。


  合理设置单元的重叠覆盖区域是实现业务连续性的基础[14]。如果设置区域太小,切换将失败;如果设置单元太大,则基站间距不合理,造成网络干扰,浪费投资。因此在高速铁路的规划中,应该合理设置重叠覆盖区域的大小[15]。其区域大小,和所处地貌环境、无线干扰水平息息相关。


  1.3研究内容与章节安排


  1.3.1研究内容


  论文主要进行高铁场景下覆盖优化设计研究,研究内容围绕南广高铁网络建设需求,结合运营商网络指标及用户发展需要,结合国内其他高铁覆盖经验,针对南广高铁的地貌特征,展开4G网络组网策略研究。总体研究内容包括研究背景和意义,覆盖范围规划,高铁网络面临的困难,解决方案以及总结展望五大部分内容。


  1.3.2章节安排


  本文一共分为5个章节。第1章为本文的绪论成分,主要研究了论文课题的背景、研究的意义、国内外研究的近况和研究的内容。


  第2章是本文的覆盖规划部分,简要地描述了容量与覆盖规划,分析影响覆盖距离的参数,如何计算用户用量,介绍了PCI规划和网络切换。


  第3章主要围绕高铁覆盖建设面临的问题展开研讨,分析了信道变化迅速、车体穿透损耗大、多普勒平移明显和网络切换频繁的问题


  第4章主要通过对不同的高铁区域地貌特征进行分析带来的影响困难,规划不同高铁场景的覆盖优化,给出不同的覆盖方案;针对南广高铁优化网络规划,通过南广高铁云浮境段覆盖场景,输出南广高铁云浮境段的网络覆盖优化方案,并就方案进行测试,最后分析结果。


  第5章是全文的总结部分,阐述了论文研究的内容及规划的方案,同时对未来做出展望。


  本文主要研究对象为TDD-LTE网络,主要应用场景为高铁覆盖。由于目前室外覆盖主要为F频段(1880-1920MHZ),本文内的各类模型测定主要以F为准。另外,由于LTE和后续5G网络业务指标方面存在较大差异,故在后续5G阶段,本文结果也无法直接应用,应先进行相关测试,根据结果,开展参数校正和应用。


  2覆盖规划


  2.1覆盖


  移动通信网络规划,归根结底,是网络覆盖、容量和质量的规划。规划的目标,就是研究如何在有限的投资内,根据覆盖目标特点,取得网络覆盖、容量、质量间最好平衡。


  每一种网络,在设计之初,对其支持的覆盖距离都会在帧结构上予以体现。找到决定覆盖距离的帧结构位置,便于灵活的分析各种场景下,覆盖距离的可接受范围。


  2.1.1 TDD-LTE基站基本帧结构


  LTE协议规定了两种帧结构,对于TDD-LTE,存在特殊的子帧。它可以分为DwPTS,GP和UpPTS的三个特殊时隙。10ms是无线电帧,5ms是半帧,lms是子帧。每个子帧可以分为两个时隙,每个时隙0.5ms。考虑LTE子载波间隔15KHZ,则1个TS=1/15K/1024=32.55押,则基带釆样率计算为fs=1/Ts=30.72MHz。具体帧结构见图2-1。


  2.1.2影响覆盖距离的参数


  TDD-LTE系统的协议规定中,网络覆盖能力相关的常见参数有RB、PRACH、频率复用系数、GP、发射功率等。其中,GP、CP以及PRACH配置和覆盖距离强相关,具体如下:


  (1)CP长度


  实际网络中,多径效应难以避兔。信号通过无线通道后,将发生较大的延迟和信号幅度衰减。由多径延迟引起的符号间干扰(ISI)将严重破坏子载波之间的正交性。就这一点而言,在TDD-LTE协议中,在每个OFDM符号之前添加循环前缀CP以抵消延迟的影响[16]。只要多径时延与有用信号间的时间误差,小于CP的长度,终端或者基站设备就能准确解调出信号。


  通常,在规划无线网络时,将根据需要选择CP的长度,以使其大于无线信道的最大延迟[17]。普通协议中,包含两种类型的CP,分为普通CP和扩展CP。对于普通CP,每个RB有7个OFDM符号。其中,第一个符号的CP长度较长,持续时间约为5.21叫,第2个到第7个符号,CP长度一样,均为4.69叫。则在正常CP配置时,通过计算,发现其可满足市区1.4km覆盖范围内的时延,可满足农村、郊区5km覆盖范围内的覆盖时延[18]。


  而对于扩展型CP,—个RB内会只配置6个OFDM符号,各符号的CP长度相同,都是16.67畔,考虑扩展CP主要是用于远距离覆盖,则通过计算,发现其最远可满足10km范围覆盖[19]。见图2-2.


  (2)GP


  TD_LTE系统,由于采用的是TDD制式,在时间上分时复用。则在上下行转换的时间,为避免信号干扰,需要进行一定时间的保护间隔,协议中称之为GP。GP窗口设置大小,直接关系到网络的覆盖距离。一般来说,当GP窗口越大时,其能够满足的时间提前量也就越大,结果,覆盖的距离变得越来越大。从帧结构分析来看,GP主要由两部分组成:设备传输时延和传输时延,即:


  GP=(TRx-Tx+传输时延)*2(2-1)


  基站最大覆盖距离=系统传输时延*光速=(GP-(TRx-Tx)*光速/2(2-2)


  TRx-Tx:是指用户终端从下行转到上行需要的转换时间,而该值通常与系统输出功率的精确度有关[20]。一般取值为10~40LIS,表2.3分析时设定为20LIS。


  在现有网络中,常规CP的特殊子帧配置的数量设置为7,对应于10:2:2为典型配置值。在这种配置下,理论覆盖距离可以达到18.4km[21]。这样,一方面网络具有足够的覆盖距离,另一方面,它可以减少下行链路容量。同样,扩展CP的特殊子帧配置0,也就是说,当选择3:8:1时,网络覆盖距离可以达到98km,特别适合于海洋和沙漠等超长距离场景覆盖。


  (3)其它因素


  ①RB配置:虽然增加RB配置不会对下行链路覆盖造成很大影响,但也会导致上行链路本底噪声的增加。类似于CDMA系统,由于用户的终端发射功率有限,如果当前己是最大发射功率,继续增加RB数量,只会减小小区的上行覆盖半径[22]。


  ②小区负荷:当小区内用户数增加时,系统的负载将增加,系统的干扰水平将增加,所需配置的干扰余量将增加,基站的覆盖半径将越来越小[23]。在进行组网规划时,就需要兼顾网络容量与覆盖能力间的平衡,提升投资效益。


  ③频率复用系数:一般而言,网络的频率复用系数越大,小区间的干扰就会越小,覆盖半径应该有所增加,能够提高覆盖性能。


  2.2容量规划


  TDD-LTE网络容量,主要分为两个层面,可接入用户数和小区吞吐量。


  2.2.1用户接入数


  2.2.1.1最大用户接入数计算方法


  LTE网络实际最大承载用户数需要根据具体用户行为、网络所处场景和忙时平均吞吐量、以及网络平均负载有关。具体计算方法如下:


  ⑴根据场景、负载估算得到频谱效率;


  例如密集的城市场景,8T8R下的系统带宽(10MHz,20MHz等),时隙比率(2:2或3:1等),负载等信息,估算出单小区每载波平均吞吐景[24];


  ⑵基于业务模型估箅每个用户在激活时间内的下行平均业务速率


  ?VoIP业务


  Ko/P平均、丨k务速率=L2语昔业务速率*激活因子八1+休眠时间/平均在线时长)pKo/P资源利用率=凋度时间资源利用率*(1+休眠时间/平均在线时长)(2-3)


  ?Filesharing业务


  激活时间=休眠时间+(Session时长*Session内平均业务速率/小区平均速率)


  平均业务速率=Session时长^Session内平均业务速率/激活时间(2-4)


  资源利用率=Session内平均下载速率/Filesharing平均业务速率(2-5)


  ?Chat业务


  激活时间=休眠时间+(Session时长^Session内平均业务速率/小区平均速率)(2-6)


  Chat平均业务速率=Session时长*Sessiori内平均业务速率/激活时间(2-7)


  Chat资源利用率=Session内平均下载速率/Chat平均业务速率(2-8)


  ⑶根据单用户业务速率估算小区下行最大可承载用户数


  根据现网话务模型统计,LTE用户业务模型见图2-3:


  2.2.2接入用户数


  根据以上计算模型,确定不同基站配置下,RRCConnected用户数、调度用户数情况见表2-1:


  表2-1接入用户数计算表


  站型(TDL)RRCConnected用户数调度用户数


  S1/1/1 3600 1200


  S2/2/2 7200 2400


  O1 1200 400


  O2 2400 800


  可以看出,单载扇接入用户和调度用户数分别是1200和400。


  2.2.3小区吞吐量


  (1)上下行小区吞吐量计算方法


  根据3GPP协议,TDD-LTE小区峰值速与小区带宽、时隙配比和特殊子帧配置、公共控制信道开销、端口数、传输模式等因素息息相关。考虑现网配置,按照3:1,6:6:2配置,进行计算。


  在下行速率方面:


  20M带宽下,下行有100个RB,取定CFI=1,考虑目前终端最大支持调制阶数为6。


  对于子帧0,其RE个数计算如下:


  TBS数量12*14-28(RS、PDCCCH、PBCH、SSCH的RE开销)*100(20MRB个数)*6(调制阶数)=84384。(2-9)


  子帧1为特殊子帧,其中DwPTS大小为6个符号,同时考虑RS、PDCCH、PSCH开销,考虑调制阶数6后,则20M带宽TBS为33168


  子帧3和子帧4为普通下行子帧。参考和控制信号占用的开销较少,考虑调制阶数,TBS=86400。.


  (2)常见配置下小区吞吐量


  表2-2各配置小R吞吐M表(在20M带宽下)


  基于以上计算方法,典型配置下,小区上下行吞吐率见表2-2:


  2.3质量规划


  2.3.1PCI规划


  PCI(PhysicalCellId),称为小区识别码,唯一标识物理小区。TDD-LTE系统共定义504个PCI,取值范围从0至503。


  PCI规划应遵循以下原则:


  各异原则:同频相邻小区PCI不同;


  不混淆原则:同站3个小区配置不同的PCI模3;相邻小区间干扰最优,即邻站(干扰大的小区间)尽量配置不同的PCI模3和PCI模30;


  对异厂家的边界区域进行安全网的PCI边界规划时,为了有效避免与PCI的冲突,应统一地进行全网的PCI边界规划,避免与边界区域PCI的冲突。


  2.3.2网络切换


  LTE网络切换过程分为三步,分别是切换测量流程,切换判决流程,切换执行流程。


  2.3.2.1切换测量流程介绍


  LTE系统的切换测量过程,主要包括“测量控制”和“测量报告”两个子过程信令流程:


  (1)RSSI:接收信号强度指示


  RSSI是指终端接收到的所有数据所观测到的总接收带宽功率,包括公共信道服务,非服务小区,相邻信道干扰和白噪声。根据信号强度,对LTE的所有候选小区进行排序,以用作小区切换和小区重选决策的输入参考[25]。


  (2)RSRP:参考信号接收功率


  RSRP:是指对切换或者重选候选小区,在一定宽度的频带上,小区专用参考信号CRS单位资源粒子RE的功率测量值的线性平均。


  2.3.2.2切换测量报告评估准则


  对于同系统与小区间的切换事件评估,LTE协议共分别定义了7类切换事件,其中前五种事件应用于小区的同系统内的测量(分别为小区的A1事件、A2事件、A3事件、A4事件、A5事件),后两种事件分别应用于异系统间的测量(分别为B1事件、B2事件)[24]。


  (1)LTE系统内测量事件介绍


  A1事件:主要是指当前服务小区的信号质量高于规定的绝对门限时开始测量,通常用于停止不同频率或不同系统的测量工作。当其被触发,并满足延迟延时TimetoTrigger指标设置的值时,终端会向网络上报A1事件的测量报缶结果。


  A2事件:主要是指当前服务小区RSRP信号质量低于指定的绝对门限值时启动测量,其通常用于异频或者异系统测量工作的启动。


  A3事件:主要是指相邻小区质量RSRP信号质量高于当前服务小区信号质量,并且差值已超过设定的门限值时,启动此项工作。


  A4事件:主要是指相邻小区RSRP信号质量高于设定的绝对门限值时,启动小区切换动作。


  A5事件:主要是当前服务小区RSRP信号质量低于设定的绝对门限值,并且相邻小区的RSRP质量高于设定的绝对门限值时,启动此项操作。


  (2)系统外测量


  B1事件:主要是指异系统相邻小区RSRP信号质量高于设定的绝对门限值时,执行此步操作。


  B2事件:主要是指当前服务小区RSRP信号质量低于设定的绝对门限值,并且异系统的相邻小区RSRP信号质量高于设定的绝对门限值时,执行此步操作。


  2.3.2.3切换判决流程


  手机的终端将对事件测量的结果进行数据分析,如果测量数据符合手机事件自动触发的条件,则向手机的eNode-b接口上报,以帮助终端确定事件是否进行切换。按照不同的类型,切换的方式可以划分为手机的同频切换和异频率的切换。以及手机系统内的同频切换和手机系统间的切换,其中手机系统内的同频切换,eNodeb间通过x2接口进行切换[26]。


  2.3.2.4切换执行


  当选择目标小区时,可以启动切换过程,并且对于不同的切换类型,切换过程是不同的。


  3高铁专网面对的问题


  3.1信道变化迅速


  根据国标TB10621-2014《高速铁路设计规范》,高速铁路运行速度不低于200公里/小时。从目前实际运行速度来看,高铁到达350公里/小时。由于运行速度快、无线环境复杂多变,无线信道出现较大随机性。主要表现在以下三方面:


  1、大尺度衰落:主要是指电磁信号在基站和接收天线间进行传输的主要衰减,它主要取决于传播距离,频率等因素。


  2、中尺度信号衰落:主要原因是指电磁辐射信号在无线基站和其他无线接收设备或天线间直接进行信号传输时,遇到大型遮蔽物,如高山、高楼等,信号强度就可能会有大幅度下降。一般而言,其信号强度服从于对数正态的分布。


  3、小尺度信号衰落:主要原因是一种指电磁信号在基站和电磁接收设备或天线间直接进行信号传输时,由于多径信号的传播而直接产生的小尺度衰落,主要是出现在住宅区和城市附近的区域。如受高楼的建立,多径信号的传播衰落现象严重。一般而言,信号的损耗小,但是频率变化快,服从莱斯分布。


  3.2车体穿透损耗大


  高速铁路,由于运行时速的局限,受到的阻力远高于普通常规的铁路。因此,高速铁路的车厢釆用新型的铝合金材料的玻璃组成,车窗釆用特殊铝合金材料的玻璃制成。而且全车箱体采用特殊密封技术处理,密封性能很好。从高铁列车箱体的组成以及材料结构来看,相对与普通的列车,高铁列车的车厢结构会明显的造成箱体穿透强度和损耗高的缺点。而高速铁路车厢的箱体穿透强度和损耗,会很大的程度上直接影响高速铁路车厢内用户移动终端的信号接收能力和信号强度[27]。最终,对高速铁路沿线的基站信号覆盖范围也产生了影响。


  3.3多普勒频偏明显


  对于LTE网络,当终端用户需要进行初始接入,网络侧通过上行随机接入信道(RACH)中的随机序列(Preamble),识别不同用户。在快速行驶的列车上,用户终端的高速移动,引发多普勒效应。当用户终端的随机接入序列Zadoff-Chu(ZC),到达基站接收机滤波器后,会产生旁斑。当旁斑落入主斑时,就会产生干扰。干扰可造成用户接入困难或时延较长。而根据多普勒频偏计算公式,频偏的大小,与信号与终端运动方向的夹角相关。即与基站与高速铁路路轨距离、基站站间距设置相关。


  3.4网络切换频繁


  在高铁通话场景,高速移动的终端,在业务持续阶段,在不同小区之间进行快速切换。通常情况下,系统容易受到高速移动终端频繁的切换的影响,而且对网络指标影响较大。例如,对于350km/h的列车运行速度而言,秒速约为97m。高速列车在短短数秒内,就可经过覆盖范围为几百米的小区。在这种场景下,很容易出现掉线,产生切换失败或者小区选择失败等网络问题[28]。QoS的基本要求,是保证用户无缝移动性,最基本的就是让切换流程,在用户通过切换区域短短的时间内完成,不然就会产生切换不及时而导致的掉话,影响终端的正常使用[29]。设置合理的基站位置,主要聚焦于解决以下几种情况:


  1、终端用户移动速度的过大,使得一个终端用户驻留一个小区的时间远远少于整个小区用户选择过程的时间


  2、在相同的小区间没有重选时延的情况下,终端移动的速度越快,小区间的重叠区就会越需要重选时间设置的越长;


  3、相同直接切换的区间时延重叠情况下,用户发现终端要在小区间直接移动的实时速度越快,小区间终端需要直接切换的时间重叠区就可能会将终端需要直接切换到的时间时延设置的越长。


  4南广高铁网络覆盖优化方案设计与实现


  4.1高铁区域地貌特征分析


  我国国土面积广阔,地势地貌复杂多变,高速铁路线路穿越的区域类型也呈现出多样化特点。对地貌类型进行分类,常见场景如下:


  1、场景一:建筑密集区(市区、郊区)


  此场景的特点是建筑密度较大、人口众多。市区内道路较多。而大部分区域内,无线信号强度较强。个别区域内,因为建筑遮挡,导致的深度覆盖原因,会存在大量的弱区和盲区。而且,由于市区内建筑布局杂乱,多径效应明显,信号较多,需要格外注意导频污染的规避。


  2、场景二:类似于平原的部分区域(主要包括一些郊县和部分偏远农村)


  此部分应用场景的主要特点之一是普遍处于地势平坦,主要是集中在城市郊县和偏远农村这类的地区,其主要特点是建筑物低矮、人口分布广泛,基站间距大,普遍在lkm以上。此应用部分主要是解决了网络广覆盖的方式,尤其特别是在农村小区边缘覆盖较弱,有时候甚至会导致小区出现一定的网络广覆盖盲区。


  3、场景三:山岭类区域(如行政村)


  此类网络场景的主要特点之一是由于山脉众多,无线信号进行传播时相对山体阻挡严重,覆盖的距离有限。且由于山体的遮挡,弱区、盲区较多。此类网络场景,可以充分地利用高铁沿线附近的山坡,进行高铁网络无线信号的良好传播和覆盖


  4.2高铁场景覆盖分析


  4.2.1高速铁路不同场景的覆盖方式


  基于环境保护投资的重要性考虑,不同场景的覆盖建设方式,根据其地理位置和区域的不同特点,提出不同的建设园区覆盖方式。具体的覆盖方式见设计表4.1所示:


  表4-1不同区域类型下覆盖方式表


  场景区域类型覆盖方式


  场景一建筑密集区利用宏基站大网直接覆盖


  利用宏基站大网小区分裂覆盖


  利用宏基站大网RRU拉远覆盖


  场景二类平原区域利用宏基站大网小区分裂覆盖


  利用宏基站大网RRU拉远覆盖


  新建分布式基站进行覆盖


  场景三山岭区域新建分布式基站进行覆盖


  利用宏基站RRU拉远级联方式覆盖


  1、利用宏基站大网小区分裂覆盖:考虑就近大网宏基站的小区分裂,单拉小区,增加天馈系统方式进行高铁覆盖。此种方式,需要注意与母站、以及相邻小区的叠覆盖区域,确保切换正常。


  2、新建分布式基站方式:当部分大网基站间距过大,且无法覆盖到铁路沿线时,可考虑釆用新建分布式基站进行覆盖。


  3、利用宏基站大网RRU拉远覆盖:当铁路沿线的部分区域,由于被高层建筑物阻挡,而形成弱覆盖时,可考虑现网宏基站的RRU拉远方式,解决局部覆盖问题。


  4.2.2室外覆盖方案


  1、常见隧道覆盖方案


  高铁隧道覆盖,常用的方式有两种,分别是定向天线隧道覆盖方式以及泄露电缆隧


  道覆盖方式。两种方式的覆盖示意见图4-1。


  图4-1隧道覆盖方案图


  2、方案优劣势对比对于定向天线方案,其特点如下:


  在隧道内架设时,考虑高铁隧道空间要求,天线的架设难度较大,一般适合短隧道的覆盖场景。此类方式,适用直线传播场景。当隧道内存在弯曲的情况,效果差。隧道内信号填充效果明显,但是无线网络信号的覆盖质量不佳。


  3、对于泄露电缆方案,其特点如下:


  ⑴一方面,泄露电缆施工布放简单、难度小,能适用多种隧道场景。


  ⑵另一方面,泄露电缆的传播损耗较大,其成本造价也较高。


  综合以上比较,定向天线与泄露电缆覆盖各有长短,应根据其优缺点,在实际网络建设过程中,灵活组合。


  4.3南广高铁覆盖方案设计


  4.3.1覆盖频率规划


  高铁场景下的网络覆盖和常见的公网覆盖不同,为了确保高铁专网的网络效果,高铁场景下的网络覆盖应该采用与周边公网相异的频率组网。南广高铁线路多山岭隧道,建议采用F频段来组网,覆盖能力比较强。


  4.3.2车体损耗


  针对高铁线路时速快、车体辐射穿透损耗大的问题,本次高铁全覆盖网络优化解决方案设计的重点是通过合理地设计信号分布基站的中心位置与高速铁路车体和轨道之间的直线距离,进而有效确保了基站信号向车体发射的掠射角和精度能够达到大于100从而有效地降低了信号的穿透对车体的损耗。


  4.3.3多普勒频移的解决


  现在通过自动频率偏差校正的算法快速准确计算出了高速移动设备带来的多普勒频移,校正了频率的偏差,目前为止,有中兴、华为等移动通信基站设备的供应商已经把一系列带有自发频率偏差校正算法能力的芯片植入连接到了移动通信基站设备的移动通信硬件中,从而可以用来有效解决多普勒频移效应。


  4.3.4基站间距


  我们都知道高铁现在时速基本都达到250km/小时,随着时代发展,高铁的速度只会越来越快,这就导致UE在列车上会频繁的小区切换。所以,考虑到小区切换的时间,小区重合区域必须大于等于2*列车速度*切换时间。同时要考虑运营商的投资效益,具体的基站间距需要综合考虑决定。


  4.4南广高铁难点场景规划


  4.4.1隧道场景


  南广高铁网中云浮至广州边境段为我国南广高铁网中隧道最多、最长的一条高铁路段,其中隧道的占比高达68%。高铁的隧道又可以大致分为三种,短隧道、长的短隧道和连续的长隧道,由于我国高铁对隧道的覆盖特性,不同隧道类型的高铁隧道覆盖的方式不尽相同,这样我们才能有效保证高铁经过各种高铁隧道进行通话、上网以及质量检测时能够所达到的要求。


  短隧道要采用定向天线覆盖方式,在隧道两头架设朝向隧道口的天线,使得信号填充满隧道里面,尽可能覆盖重叠,确保覆盖盲区,保证通话、流量业务的质量。


  长隧道主要讲五指山隧道,全长12.208公里,为云浮境内最长的隧道。五指山隧道采用抱杆RRU和敷设泄露电缆相结合的方式完成覆盖。组网方式如图


  长隧道每500米设有避车洞室,可以在此隧道内安装RRU,在隧道内泄露电缆采用RRU和RRU级联的方式[30],泄露电缆隧道内铺设1条,统一线缆安放于泄露电缆隧道的右侧,线缆与泄露车体的连接距离为4米,保证电缆隧道内的泄露电缆网络覆盖性能安全达标。采用电缆后期维护成本低,安装更方便。但是要注意的是,在隧道口,必须做好和宏站的切换,所以在隧道口安装的定杆RRU必须与隧道内覆盖区域做好重叠,才能保证出隧道切换成功。


  4.4.2车站场景


  高铁站是高铁专网和公网连接切换的唯一区域,如果规划设计不好,会导致用户进出公网不成功。所以,高铁站台采用室分系统覆盖,直接归入专网,高铁站台附近建设专网宏站,主要覆盖主站台[31]。这样保障站台区域覆盖能力强,用户切换成功。


  4.4南广高铁网络覆盖优化测试


  4.4.1测试方法


  网络覆盖优化测试主要分为两个步骤:第一是前台测试,然后第二步就是后台分析。首先我们要先确定好网络覆盖优化的指标,其次还有要优化测试哪一路段,再要是优化前的测试,最终梳理问题,并给出解决问题建议。


  路测的时候人员坐在高铁上,利用手机和电脑通过GPS定位系统,对测试路段中的网络覆盖、上下行速率进行测试,测试得到的数据保存在电脑内,用路测软件分析得到的数据。路测结果如图4-1、4-2:


  4.4.2南广高铁网络覆盖测试指标


  南广高铁网络覆盖测试指标如下表4.1所示。


  表4.1南广高铁网络覆盖测试指标


  测试范围平均应用层下行数据


  (Mbps)


  平均应用层


  上行数据(Mbps)


  平均RSRP


  (dbm)


  平均SINR


  (dB)


  SINR大于Odb占比


  (%)


  RSRP-110


  以上占比


  (%)


  南江口至云浮东19.95 3.54-92.31 9.23 89.72 96.43


  云浮东至南江口11.56 2.71-91.54 7.01 86.70 96.52


  双向15.71 3.22 88.63 8.43 91.66 96.46


  在高铁测试中,主要是对RSRP、SINR、上下行应用层平均数据进行测试和后台分析。


  4.5南广高铁覆盖测试分析


  使用路测软件分析所得到的路测数据,分析结果如下表4.2所示。


  表4.2覆盖优化测试数据分析


  测试范围指标平均应用层下行数据(Mbp


  s)


  平均应用


  层上行数据(Mbp


  s)


  平均RSRP


  (dbm)


  平均SINR


  (dB)


  SINR大于Odb占比(%)


  RSRP-110


  以上占比(%)


  南江口至云浮东正向指标19.95 3.54-92.31 9.23 89.72 96.43


  南江口站20.97 4.43-90.68 11.66 89.40 94.35


  云浮市19.10 3.21-93.69 7.45 90.10 98.87


  云浮东至南江口反向指标11.56 2.71-91.54 7.01 86.70 96.52


  南江口站9.47 3.24-88.76 7.02 86.67 95.35


  云浮市13.45 2.66-92.87 7.05 90.34 97.73


  双向全线指标15.71 3.22 88.63 8.43 91.66 96.46


  南江口站14.35 3.75 88.45 11.05 88.36 94.76


  云浮市16.77 2.98 89.23 7.33 88.62 98.02


  结果分析如下:


  通过RSRP指标可以发现,南江口至云浮东正向,南江口站内平均RSRA值为-90.68dBm,云浮市内平均RSRP值站内为-93.69dBm,与-92.31dBm的指标相对比,南江口站内的平均RSRP指标高于这个标准,云浮市内的平均RSRP指标低于标准1.38dBm;云浮东至南江口反向,云浮市内的平均RSRP值为-92.87dBm,南江口站内的平均RSRP值为-88.76dBm,与-91.54dBm的指标对比,云浮市内的平均RSRP值低于这个标准1.33dBm,南江口站内的平均RSRP值高于这个标准。


  原因分析:云浮市位于广东省中西部,与中国广西梧州接壤,多为丘陵平原地貌,加上室内密集的建筑物比较多,从而严重影响了对网络信号的传播以及吸收,建议后期对位于云浮市内的移动通信基站进行对网络的优化。


  通过SINR指标可以发现,南江口至云浮东正向,南江口站内平均SINR值为11.66dB,云浮市内的平均SINR值为7.45dB,与9.23dB的指标相对比,南江口站高于这个这个标准,云浮市内的平均SINR值低于这个标准1.78dB;南江口至云浮东反向,南江口站内平均SINR值为7.02dB,云浮市内的平均SINR值为7.05dB,与9.23dB的指标相对比,南江口站与云浮市的平均SINR值都达到这个标准。


  原因分析:云浮市内网络情况比较错综复杂,南广高铁网络覆盖受到室内网络影响从而没有达到指标要求。



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