叙述FDD―LTE高速铁路覆盖的问题

【摘 要】随着通信技术的不断发展，已由3G的TDMA、CDMA、WCDMA过渡至4G通信FDD-LTE、TDD-LTE时代。其中，FDD-LTE作为新一代的通信技术，在无线通信网络中将被大规模应用，但长期以来，高速移动场景的无线网络建设一直是移动通信技术发展的难点。通过深入分析高速铁路FDD-LTE网络覆盖中存在的问题，提出了基于LTE技术的高铁无线覆盖解决方案，希望对相关单位有所帮助。

【关键词】LTE；FDD；高速铁路；网络覆盖

传统通信技术在数据信息传送模式上具有一定的弊端因素，传输信道的带宽窄，处理运行速度慢，使之造成较大的延时效应。而现代4G组网模式中，每秒传输数据信息的速率能够达到上百兆，避免了因延时效应造成数据信息丢失的现象。

一、LTE技术概述

LTE（Long Term Evolution，UTRA长期演进）是无线通信从3G向4G演讲的重要技术，该技术的目标是实现更高的数据速率、更短的时延、更低的成本，更高的系统容量以及改进的覆盖范围。

LTE系统同时定义了LTE FDD（Frequency Division Duplexing）与LTE TDD（Time Division Duplexing）两种方式，分别使用频分双工和时分双工，国内习惯于将LTE TDD称为TD-LTE。TD-LTE与LTE FDD本质上共用一套标准基础，相似度超过90%，但在业务实现的技术上有着一定差别，因此在频谱配置与利用率、速率、覆盖范围、抗干扰能力等方面就有了各自的优劣。

二、FDD-LTE技术特点

FDD-LTE在系统运行工作原理层面上的特点包括在传送信道内数据接收与发送的分离模式、频率段选取模式、时间调度模式以及业务支持点模式。FDD是频分双工传输模式，在传输信道内根据同一时隙不同频率段进行数据信息的传输。其中在信道分离模式上，是根据两个不同的频率段中对称信道在接收信息时隙上划分的，具有相同的时间间隔，但保护频段的方式采用的是隔离两个不同的传输频率，这样在传输模式上便能根据FDD的运行模式进行有效的传输。频率段的选取是根据上行传输链路与下行传输链路的比值进行有效的选取，宽带调频性质依据傅里叶级数的线性变换以及调频指数的近似取值来确定，傅里叶级数在单频信号中的调测公式为m（t）=Amcos2лfmt，A代表在FDD频分系统中调测信号的幅值，f代表在FDD频分系统中调测信号的频率，t代表在FDD频分系统中调测信号的检测时间。当数据都确定后根据贝塞尔函数解析式便能求出单频的调测信号。

根据时间调度模式的划分，可分为单工、半双工以及全双工调度模式。其中单工原理是单方向时间的传输形式，只能由一个终端系统向另一个终端系统进行单方向的传输。半双工运行原理是两个终端系统可以进行互调，但是只有在一个终端系统传输完毕之后，才能进行另一方向的传输。这两种模式都增大的信息传输的延时，而全双工的调度模式，是由两个终端系统进行彼此之间的互发，不存在两者在传输信息时，造成的延时效应。在业务支持点模式上FDD采用的是对称式的业务节点，当传输的数据业务存有相等的码片长度，便能高效的利用频谱资源，但当传输数据信息的码片不等长度时，便大大降低了传输信道内频谱资源的利用率。其次在子帧划分片段上，能够将10ms的数据帧在频率子网段的划分下，可划分为10段等长的子帧，并且每段的子帧在结构组成上有2个等效的时隙片段组成，时隙片段的等效长度为0.5ms。这样的子帧结构在信道上下行配比关系上能够对多子帧信息的传输模式进行调度。

三、FDD-LTE网络在高速铁路的覆盖分析

随着智能终端和移动互联网业务的高速发展，乘客搭乘高铁出行时，会有越来越多的移动办公和娱乐等数据应用的需求。与以往的铁路网络覆盖相比，高铁网络覆盖不仅要提供良好的语音业务，而且乘客对数据业务也有较高的要求。在FDD-LTE网络覆盖高速铁路时，多普勒频移现象和小区间频繁切换的问题尤为突出。因此，如下针对高铁FDD-LTE覆盖方案中的一些问题的分析。

（一）网络特点

高速铁路有着特殊的移动通信场景，导致网络覆盖的难度大大增加，主要具有以下5个特点：①运行速度快，导致出现多普勒频移现象。多普勒效应是指接收到的信号的波长因信号源和接收机的相对运动而变化。在移动通信系统中，设备的移动速度越快，多普勒频移出现的次数越多，基站接收信号的性能也越差。②车体穿透损耗程度大，无线覆盖能力较低。高速列车采用密闭式厢体设计，车体损耗较大，高铁列车车厢的穿透损耗可达24 dB，这对基站的发射功率和接受灵敏度提出了更高的要求。③切换频繁。终端的高速移动导致穿越切换区的时间变短，切换难度增大。当穿越切换区的时间小于系统处理时间时，会因切换无法完成而导致掉话和脱网，进而影响了用户的通信服务体验。④线状覆盖区域。⑤多覆盖场景。高铁沿线场景复杂，高速铁路组网技术需要满足大多数场景的要求。

（二）组网和解决方案

1.覆盖分析

（1）专网覆盖

目前，高铁2G和3G网络覆盖均逐渐采用专网进行，LTE对高速铁路的覆盖也建议采用专网组网的形式，通过设置参数和频率，使专网与公网分离，从而在最大程度上满足高铁区域的覆盖要求。专网沿线可采用链型邻区设计，不与公网切换，以保证用户在高速移动时可切换和重选，从而提高通信质量。

（2）站址选择

高速铁路车体由金属钢板或高分子合成材料构成，穿透损耗较大。为了降低车体穿透损耗，运营商在选择建设基站时应该尽量使基站靠近铁路，建议基站与铁路的垂直距离在50～200 m之间。

（3）站间距选择

为了确保高质量的网络覆盖，FDD-LTE下行电平强度控制在-100 dBm左右。某省试验网高铁专网的平均站高统计如表1所示。

经综合考虑，高铁FDD-LTE站间距的选择为：在F频段、平均站高25 m的情况下，非边界小区站间距应在1 km左右为宜；边界小区站点存在重叠覆盖区，站间距在600 m左右为宜。目前，2G和3G线网的站间距主要集中在500～1 000 m之间，可满足FDD-LTE网络站间距建设的需求。在满足覆盖需求的情况下，可考虑共址建设，以减少工程投资。

（4）链路预算

分析FDD-LTE（F频段）的下行覆盖无线链路后发现，链路预算必须满足以下4个前提：①高铁隧道覆盖以其他覆盖场景考虑，本文中暂不作讨论。高铁沿线通常位于城市郊区地带，环境较为开阔，基站与列车呈直视径传输，应综合考虑地形、地物等的影响，场景模型应选用农村模型。②F频段车体穿透损耗设置为24 dB。③天线配置。基站侧采用2T4R、UE侧采用1T2R；基站侧天线增益为18 dBi、UE侧为0 dBi。④功率配置。基站侧RRU发射功率为43 dBm（考虑双模场景，预留20 W功率给TD-SCDMA）、终端侧功率为23 dBm。下行覆盖目标（-105 dBm）覆盖的估算值如表2所示。

2.多普勒频移

终端高速运动时，从基站发向终端的信号和终端发向基站的信号均会产生多普勒频移。在列车靠近基站时，波长变短，频率增大；列车远离基站时，波长变长，频率减小。频偏大小与载波大小、运动速度成正比，而频偏会导致信号畸变，进而影响接收质量。当频偏到达一定程度时，甚至会出现信号完全无法接收的情况。

基于频偏带来的影响，目前，主流的解决办法是通过一定的算法，快速测算因高速所带来的频率偏移，并进行频偏补偿，改善无线链路的稳定性，从而明显提高解调性能。

3.小区合并技术

小区合并技术是指将多个单通道RRU接入同一个BBU，并设置为同一逻辑。小区采用单通道小区合并技术后，可对上行链路进行数据合并，进而提高了接收增益；对于下行链路，可在所选择的天线上发送用户下行数据，这更具有针对性，有效提高了用户接收下行数据的质量，并降低了其余天线的负荷。对于高速铁路覆盖而言，小区合并的主要作用是延长单小区的覆盖范围，从而极大地减少了切换次数。

4.车载直放设备

可在高铁车厢内部署FDD-LTE车载直放站设备和外置车载天线发射和接收信号。车载天线可选用高增益天线，以改善车载台与基站之间的无线链路。机载台将接收到的FDD-LTE信号解调、放大后，传输至部署在车厢内的FDD-LTE室内微基站或WiFi信号转发器。这样可避免车体带来的巨大穿透损耗，保证车厢内部信号的强度，改善无线通信环境，为车厢内的用户提供良好的无线通信环境，从而提升网络服务性能

四、总结

高铁经过几次大幅度的提速后，列车的运行速度越来越快，旅客也越来越多地选择高铁作为出行工具。因此，LTE高铁专网建设也显得越来也重要。文章中提出的LTE高铁覆盖方案，有利于高铁场景网络规划，可帮助通信运营商打造优质的LTE高铁覆盖网络。

参考文献：

[1]李丹，庄宏成.高速铁路3G及TD-LTE移动通信关键问题研究综述[J].计算机应用研究，2013（05）.

[2]陈伟杰.高速铁路场景TD-LTE组网的关键问题探讨[J].信息通信，2013（07）.