高鐵LTE無線優(yōu)化策略探討

1、高鐵LTE無線優(yōu)化策略探討摘要本論文主要針對高速鐵路環(huán)境下存在的問題做了簡要闡述，并對問題中干擾、接入、切 換等問題分別從優(yōu)化策略和實施效果來提出相應(yīng)解決方案。關(guān)鍵詞：LTE高鐵異頻組網(wǎng)干擾切換重選ABSTRACTThis thesis focuses on the high-speed railway environment existing problems do briefly, and of problems in interference, access and handover problems respectively from optimization strategy and

2、 the implementation of the results to put forward the corresponding solutions.KEYWORDS:LTE-frequency,high-speedrail,network,coverage,Interference,Handover， reselection，1概述基于高鐵FDD LTE覆蓋現(xiàn)狀，結(jié)合高速場景特征提出專項解決方案。重點解決高速場景 下干擾問題，以及改善重選、接入成功率和切換成功率的各項指標(biāo)。2背景隨著現(xiàn)代社會各個領(lǐng)域的快速發(fā)展，全國各地高鐵線路應(yīng)運而生，作為當(dāng)今鐵路技術(shù)的 最高水平以及國民經(jīng)濟(jì)的重要載體

3、之一，高鐵主要面向中高端受眾群體，另一方面，隨著聯(lián) 通LTE網(wǎng)絡(luò)的全面鋪開，實現(xiàn)高鐵LTE全覆蓋是張形象牌，既能體現(xiàn)4G所有的技術(shù)解決方 案，又能贏得大量有價值客戶。目前國內(nèi)高鐵線路長約2.95萬公里，時速最高可達(dá)400km/h，其中在建鐵路沿線占很 大一部分，在高鐵尚未開通前進(jìn)行LTE覆蓋利于占有高鐵高端市場，同時在高鐵建設(shè)經(jīng)驗還 不夠豐富的情況下，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)難度和高鐵關(guān)鍵技術(shù)還需在前期規(guī)劃充分考慮和深入研究。為滿足高鐵客戶的體驗需求，上海界內(nèi)的高鐵沿線上海聯(lián)通已實現(xiàn)FDD-LTE全程覆蓋。 但是由于高鐵快速移動的特點，給高鐵覆蓋帶來諸多與常規(guī)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不同的特性，這些特性 給設(shè)備技術(shù)實現(xiàn)及規(guī)劃

4、方案提出了新的難題，需要提供合理有效的解決方案。3高鐵環(huán)境特征相對于靜止?fàn)顟B(tài)下或低速移動狀態(tài)下的通信，高速鐵路環(huán)境下的通信面臨著更多的挑戰(zhàn)， 列車的速度越高，對通信的影響也就越大，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：高速移動導(dǎo)致嚴(yán)重的多普勒頻移。由于用戶設(shè)備的高速移動，導(dǎo)致接收到的載波頻率發(fā)生了偏移，影響了用戶設(shè)備接收機(jī) 的解調(diào)性能；另一方面，由于用戶設(shè)備發(fā)射的上行信號是以接收的下行信號的頻率作為參考 基準(zhǔn)的，導(dǎo)致基站收到的上行信號相當(dāng)于產(chǎn)生了2倍的頻偏。特別是在切換過程前后，基站 的下行信號頻偏會發(fā)生突變。多普勒效應(yīng)對用戶設(shè)備和基站的信號解調(diào)都會產(chǎn)生嚴(yán)重的影響， 很容易造成用戶設(shè)備與基站的連接中斷和切換

5、失敗。列車車廂帶來的穿透損耗高速列車采用了密閉式的車廂設(shè)計，車體對無線信號的穿透損耗較大。新型380B列車車 廂的穿透損耗要比普通列車高24dB。因此，高速鐵路覆蓋需要綜合考慮列車車廂導(dǎo)致的穿 透損耗，同時需要用戶設(shè)備具有更高的接收靈敏度以及更高的發(fā)送功率。頻繁的切換高鐵列車的高速移動導(dǎo)致用戶設(shè)備頻繁與路邊基站進(jìn)行切換。例如，當(dāng)列車以350km/h 的速度運行時，如果小區(qū)的覆蓋半徑為2km，那么用戶在一個小區(qū)的停留時間大約只W40so 頻繁的切換不但會導(dǎo)致掉話率的增加，降低用戶體驗。也會導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)信令的負(fù)荷增加。切換帶無法滿足切換需求高速運行的列車通過切換帶的時間通常小于6s，用戶設(shè)備基本無法正

6、常完成切換過程， 造成較高的掉話現(xiàn)象。信令風(fēng)暴由于列車上的用戶屬于整體性的移動，會導(dǎo)致短時間內(nèi)出現(xiàn)大量的切換和可能的出現(xiàn)位 置更新行為，導(dǎo)致基站的信令負(fù)荷急劇增加，增加了系統(tǒng)的處理時延；另一方面，大量用戶 短時間內(nèi)發(fā)起的隨機(jī)接入過程也會造成隨機(jī)接入信道的擁塞，最終導(dǎo)致切換的成功率較低。4高鐵問題解決方案高鐵的覆蓋網(wǎng)絡(luò)具有穿透損耗大、終端移動速度快、單方向線性運行的特點，優(yōu)化思路 也是主要從改善信號質(zhì)量、接入以及加快切換/重選的速度來進(jìn)行考慮。4.1高鐵LTE異頻組網(wǎng)由于高鐵速度快，導(dǎo)致切換頻繁，導(dǎo)致高鐵沿線同頻干擾嚴(yán)重，上海境內(nèi)高鐵基本全程 在高架橋上，干擾小區(qū)調(diào)整量巨大，不易徹底解決干擾，故

7、嘗試使用異頻組網(wǎng)思路解決干擾 問題。異頻組網(wǎng)是指在不同的小區(qū)使用不同頻率進(jìn)行覆蓋，根據(jù)信號隔離度在不同區(qū)域重復(fù)使 用相同的頻率。雖然異頻組網(wǎng)的頻譜效率較低，特別是在窄帶寬情形下，每個扇區(qū)的頻譜資 源將十分有限。但能有效地改善系統(tǒng)邊緣SINR水平，很好地解決系統(tǒng)邊緣用戶服務(wù)質(zhì)量較 差的問題。聯(lián)通現(xiàn)網(wǎng)FDD LTE組網(wǎng)，全網(wǎng)均采用20M帶寬同頻組網(wǎng)，針對聯(lián)通現(xiàn)網(wǎng)FDD LTE資源情 況，解決高鐵沿線覆蓋可選用10M+10M異頻組網(wǎng)。10M+10M異頻組網(wǎng)策略為高鐵主控小區(qū)（F1）使用1840-1850（10M帶寬），周邊與高 鐵小區(qū)同站相鄰小區(qū)和相鄰站點覆蓋高鐵方向的小區(qū)為干擾小區(qū)（F0），使用1

8、850-1860（ 10M 帶寬）。圖1 10M+10M異頻組網(wǎng)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)圖4.1.1異頻組網(wǎng)效果上海選擇京滬高鐵作為試驗對象驗證異頻組網(wǎng)效果。京滬高鐵全線地處外環(huán)外，主要經(jīng) 過閔行和嘉定，試驗對用戶感知影響較小。京滬高鐵全長13158公里，上海境內(nèi)27公里， 地形處于平原地區(qū)，經(jīng)過上海內(nèi)閔行、嘉定行政區(qū)，試驗時有21個主控小區(qū)，133個干擾 小區(qū)：高鐵名稱公里數(shù)（上海境內(nèi)）地形行政區(qū)主控小區(qū)數(shù)干擾小區(qū)數(shù)京滬高鐵27KM平原閔行、嘉定21133測試車次信息如下:方向車次起始站終止站時間車型測試日期出滬G122上海虹橋蘇州北10:46-11:09380B6月12日入滬G101蘇州北上海虹橋12:1

9、4-12:37380B6月13日從測試對比統(tǒng)計情況來看，異頻組網(wǎng)SINR明顯好于同頻組網(wǎng)，例如采用異頻組網(wǎng)的SINR=3dB的采樣點比例比同頻組網(wǎng)的SINR=3dB的采樣點比例高出8.43%,見下圖：圖2異頻組網(wǎng)SINR分布（空載）圖3同頻組網(wǎng)SINR分布（空載）SINR覆蓋對比圖4 SINR覆蓋對比本次異頻組網(wǎng)試驗采用的為10M+10M異頻組網(wǎng)，與現(xiàn)網(wǎng)20M帶寬組網(wǎng)相比上下行速率有 較大差距。但根據(jù)10M異頻組網(wǎng)的測試結(jié)果來預(yù)估20M異頻組網(wǎng)的上下行速率情況來看，相 同頻率資源情況下，同SINR區(qū)間內(nèi)異頻組網(wǎng)的上下行速率明顯高于同頻組網(wǎng)。圖5異頻下行速率分布（空載）圖6同頻下行速率分布（空載

10、）異頻/同頻卜行速率比較圖7異頻/同頻下行速率比較圖8異頻上行速率分布（空載）圖9同頻上行速率分布（空載）異頻/同頻上行行速率比較30.001X2613.4215.3214.SS明13.6414-6314.2914.92異小22.S226.S530.629.772S.5O27.2729.2728.5920.4019.792Z.C023.3924.4625,1421.7419.95圖10異頻/同頻上行速率比較4.1.2 異頻組網(wǎng)方案優(yōu)缺點異頻組網(wǎng)方式有利于切換鏈的設(shè)計，高鐵沿線的主控小區(qū)采用鏈形鄰區(qū)的設(shè)計，UE只 在專網(wǎng)內(nèi)部進(jìn)行切換，不與大網(wǎng)發(fā)生切換。這種組網(wǎng)方案可以很好保證高鐵用戶在高速移動

11、時切換和重選的路徑，提高LTE網(wǎng)絡(luò)覆蓋質(zhì)量；有利于應(yīng)用高速場景專用的無線資源管理算 法、切換和重選策略和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)值，從而更好地提高整個網(wǎng)絡(luò)的性能。然而，聯(lián)通FDD LTE頻率資源不足，選用10M+10M異頻組網(wǎng)策略組網(wǎng)的話，需要高鐵沿 線宏站小區(qū)采用10M帶寬頻率。從而大大降低了高鐵沿線宏站的頻率資源利用。從長遠(yuǎn)來看，當(dāng)聯(lián)通FDD LTE有2個20M帶寬頻率資源時，高鐵采用20M帶寬的異頻組 網(wǎng)效果可能會遠(yuǎn)遠(yuǎn)好于同頻宏站組網(wǎng)。4.2高速場景下重選、接入和切換參數(shù)優(yōu)化由于列車的高速移動，列車會頻繁的穿越多個小區(qū)，快速的重選，及時可靠的接入方式 及切換對于保障用戶的無縫移動以及QoS要求是十分重要

12、的。4.2.1重選優(yōu)化當(dāng)處于高速移動的情況下，UE的Idle態(tài)測量觸發(fā)要早，避免由于信號衰落太快而來不 及觸發(fā)鄰區(qū)測量。高速場景下，重選優(yōu)化策略有：建議Sintrasearch設(shè)置為最大值62dB。Idle的Cell reselection timer可以適當(dāng)減小，原則上應(yīng)該盡量設(shè)小。需要對重選做一些提前量，應(yīng)適當(dāng)對重選滿足條件適當(dāng)設(shè)置偏置，但對方小區(qū)信號 與本小區(qū)相當(dāng)甚至是低一些時就重選過去，因列車是不斷高速往前前進(jìn)，當(dāng)重選完 成時目標(biāo)小區(qū)的信號已經(jīng)比較高了Nokia parameter name3GPP nameNokiaManaged objectPropositionsintrasea

13、rchs-IntraSearchLNCEL62qOffsetCellq-OffsetCellIAFIM1tReselEutrt-ReselectionEUTRANLNCEL1celResTiFHMsf-HighLNCEL0.25表1重選參數(shù)優(yōu)化4.2.2 接入優(yōu)化對于高速場景的UE，由于Doppler效應(yīng)，對破壞ZC序列不同循環(huán)移位之間的正交性。 此時LTE中定義的特殊的規(guī)則來生成ZC序列的移位。SIB2中的highspeedFlag來指明小區(qū)是 否支持高速移動下ZC序列移位的選擇。高速場景下，PRACH優(yōu)化策略有：針對高速移動的用戶，開啟高速用戶的處理算法prachHsFlag UE根據(jù)這個

14、標(biāo)志啟用Restricted前導(dǎo)序列。2.配置高速移動的場景：hsScenario- scenariol （用于開闊場景），scenarios （用于隧道場景）。3.根據(jù)覆蓋距離的需求，配置prachCS和rootSeqIndex。Nokia parameter name3GPP nameNokiaManaged objectPropositionprachHsFlaghighSpeedFlagLNCEL1 (true)hsScenarioLNCEL1prachCSzeroCorrelationZoneConfigLNCEL10rootSeqIndexrootSequenceIndexLNCE

15、Lplanned表2 PRACH參數(shù)優(yōu)化4.2.3切換優(yōu)化由于列車的高速運動，切換必須在很短的時間內(nèi)完成，過大的切換延時會導(dǎo)致列車已經(jīng) 離開切換帶，但切換尚未完成。而通過宏觀網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃和設(shè)計來增大基站的重疊覆蓋區(qū)域面積 會導(dǎo)致成本過高。為此，需要針對高速鐵路下研究如何降低切換的時延，從而提升切換的成 功率。為了保證切換的及時性，應(yīng)該盡量選擇A3切換，切換相關(guān)的CIO和A3 offset、A3 time to trigger、A3 report interval 等可以做調(diào)整：CIO：利用CIO的調(diào)整，可保證高鐵切換鏈能夠按規(guī)劃實現(xiàn)，避免誤切到非高鐵覆蓋小 區(qū)；按高鐵移動方向，增加目標(biāo)鄰區(qū)的CIO

16、,可加快切換觸發(fā)的過程；單向的CIO調(diào)整 可以避免乒乓現(xiàn)象發(fā)生，鄰區(qū)CIO建議取值為3dB。A3 Time to trigger:減小time to trigger的值，加快切換觸發(fā)的速度，避免出現(xiàn)切 換不及時導(dǎo)致掉話的情況發(fā)生。高鐵參考取值160ms。A3 Report interval:加快事件報告的頻度，及時更新無線變化，保證切換能夠合理順 利的進(jìn)行。高鐵參考取值120msA3 offset： A3事件切換的offset，由于高鐵是單向行駛，可降低該參數(shù)設(shè)置。建議設(shè) 置 3dB。Nokia parameter name3GPP nameManaged object Proposition

17、thresholdls-MeasureLNCEL90a3Offset-LNCEL3a3ReportInterval-LNCEL120msa3TimeToTrigger-LNCEL160mshysA3OffsethysteresisLNCEL0celllndOffNeighcellIndividualOffsetLNREL3dB表3切換參數(shù)優(yōu)化4.2.4參數(shù)優(yōu)化效果滬杭高鐵上海境內(nèi)58公里，途徑閔行、松江和金山。對其沿線45個主控小區(qū)的重選、 接入和切換參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化。從參數(shù)調(diào)整后的指標(biāo)統(tǒng)計情況來看，在6月16日實施參數(shù)調(diào)整后，平均無線接通率由 98.45%左右提升到了 99.58%左右。且接通

18、率指標(biāo)較穩(wěn)定。平均切換成功率由96.12%左右提 升到了 98.48%左右，且切換成功率指標(biāo)較穩(wěn)定。接入成功率oo&rj凸捋備9 00 薄 IgaLnw 食 CCCTyouiMTM 008Z00 聲 T 皆M 號 mmCLNS HygysM 令s ymoEE 右 oo-oolnrtnMlv.g 00含目昌s 口悍羿呂5心 oo日日旨莒荷 8WI兄fgl/g oo宮宵0TM3 000搭5TS 密 口9ILnmrMMTg 00 忐 Ilnmf-.如LP 00-8蘭S哉史9 00莒g亶m呻 aAoI KLaT.I 詒 口9IinanlTT 宙 on日相目Ms-1總 口AODmEms 呂Or-JUn目JES 口 口目當(dāng)呂斜一:話 號,inm 蕓 S 口00巴導(dǎo)-.凸 5 7 57.9E3 9圖11無線接入成功率坍拱底功率2曾0睫雖 WU-IW號羿潔 ggurJwrT/9 Is 呂gKs 號耳忌 LnI 相 IQrifh-vs S-GI皂玉 5=目Ml-i湍 號昌 510毆m3 的一; CM擊T擊 骨崢&nlfgTm n旨s洛 gLrllwsw fLHMEETE wgangMg 昌？dfmmtm g搭 aruMTfg nlATCI 惜 nm Eu-Ism 中 glAmETm 3豈話 皆弟aru孑T 5I5mru孑坦9 sga孕* moLwg-