高铁LTE无线优化策略探讨

1、高铁LTE无线优化策略探讨高铁LTE无线优化策略探讨摘要本论文主要针对高速铁路环境下存在的问题做了简要阐述，并对问题中干扰、接入、切换等问题分别从优化策略和实施效果来提出相应解决方案。关键词： LTE 高铁 异频组网 干扰 切换 重选ABSTRACTThis thesis focuses on the high-speed railway environment existing problems do briefly, and of problems in interference, access and handover problems respectively from optimiz

2、ation strategy and the implementation of the results to put forward the corresponding solutions.KEY WORDS:LTE-frequency,high-speedrail,network,coverage, Interference, Handover，reselection，1 概述基于高铁FDD LTE覆盖现状，结合高速场景特征提出专项解决方案。重点解决高速场景下干扰问题，以及改善重选、接入成功率和切换成功率的各项指标。2 背景随着现代社会各个领域的快速发展，全国各地高铁线路应运而生，作为当今

3、铁路技术的最高水平以及国民经济的重要载体之一，高铁主要面向中高端受众群体，另一方面，随着联通LTE网络的全面铺开，实现高铁LTE全覆盖是张形象牌，既能体现4G所有的技术解决方案，又能赢得大量有价值客户。目前国内高铁线路长约2.95万公里，时速最高可达400km/h，其中在建铁路沿线占很大一部分，在高铁尚未开通前进行LTE覆盖利于占有高铁高端市场，同时在高铁建设经验还不够丰富的情况下，网络建设难度和高铁关键技术还需在前期规划充分考虑和深入研究。为满足高铁客户的体验需求，上海界内的高铁沿线上海联通已实现FDD-LTE全程覆盖。但是由于高铁快速移动的特点，给高铁覆盖带来诸多与常规网络建设不同的特性，

4、这些特性给设备技术实现及规划方案提出了新的难题，需要提供合理有效的解决方案。3 高铁环境特征相对于静止状态下或低速移动状态下的通信，高速铁路环境下的通信面临着更多的挑战，列车的速度越高，对通信的影响也就越大，主要体现在以下几个方面：1. 高速移动导致严重的多普勒频移。由于用户设备的高速移动，导致接收到的载波频率发生了偏移，影响了用户设备接收机的解调性能；另一方面，由于用户设备发射的上行信号是以接收的下行信号的频率作为参考基准的，导致基站收到的上行信号相当于产生了2倍的频偏。特别是在切换过程前后，基站的下行信号频偏会发生突变。多普勒效应对用户设备和基站的信号解调都会产生严重的影响，很容易造成用户

5、设备与基站的连接中断和切换失败。2. 列车车厢带来的穿透损耗高速列车采用了密闭式的车厢设计，车体对无线信号的穿透损耗较大。新型380B列车车厢的穿透损耗要比普通列车高24dB。因此，高速铁路覆盖需要综合考虑列车车厢导致的穿透损耗，同时需要用户设备具有更高的接收灵敏度以及更高的发送功率。3. 频繁的切换高铁列车的高速移动导致用户设备频繁与路边基站进行切换。例如，当列车以350km/h的速度运行时，如果小区的覆盖半径为2km，那么用户在一个小区的停留时间大约只有40s。频繁的切换不但会导致掉话率的增加，降低用户体验。也会导致网络信令的负荷增加。4. 切换带无法满足切换需求高速运行的列车通过切换带的

6、时间通常小于6s，用户设备基本无法正常完成切换过程，造成较高的掉话现象。5. 信令风暴由于列车上的用户属于整体性的移动，会导致短时间内出现大量的切换和可能的出现位置更新行为，导致基站的信令负荷急剧增加，增加了系统的处理时延；另一方面，大量用户短时间内发起的随机接入过程也会造成随机接入信道的拥塞，最终导致切换的成功率较低。4 高铁问题解决方案高铁的覆盖网络具有穿透损耗大、终端移动速度快、单方向线性运行的特点，优化思路也是主要从改善信号质量、接入以及加快切换/重选的速度来进行考虑。4.1 高铁LTE异频组网由于高铁速度快，导致切换频繁，导致高铁沿线同频干扰严重，上海境内高铁基本全程在高架桥上，干扰

7、小区调整量巨大，不易彻底解决干扰，故尝试使用异频组网思路解决干扰问题。异频组网是指在不同的小区使用不同频率进行覆盖，根据信号隔离度在不同区域重复使用相同的频率。虽然异频组网的频谱效率较低，特别是在窄带宽情形下，每个扇区的频谱资源将十分有限。但能有效地改善系统边缘SINR 水平，很好地解决系统边缘用户服务质量较差的问题。联通现网FDD LTE组网，全网均采用20M带宽同频组网，针对联通现网FDD LTE资源情况，解决高铁沿线覆盖可选用10M+10M异频组网。10M+10M异频组网策略为高铁主控小区（F1）使用1840-1850（10M带宽），周边与高铁小区同站相邻小区和相邻站点覆盖高铁方向的小区

8、为干扰小区（F0），使用1850-1860（10M带宽）。图1 10M+10M异频组网拓扑结构图4.1.1 异频组网效果上海选择京沪高铁作为试验对象验证异频组网效果。京沪高铁全线地处外环外，主要经过闵行和嘉定，试验对用户感知影响较小。京沪高铁全长13158公里，上海境内27公里，地形处于平原地区，经过上海内闵行、嘉定行政区，试验时有21个主控小区，133个干扰小区:高铁名称公里数（上海境内）地形行政区主控小区数干扰小区数京沪高铁27KM平原闵行、嘉定21133测试车次信息如下：方向车次起始站终止站时间车型测试日期出沪G122上海虹桥苏州北10:46-11:09380B6月12日6月13日入沪G

9、101苏州北上海虹桥12:14-12:37380B从测试对比统计情况来看，异频组网SINR明显好于同频组网，例如采用异频组网的SINR=3dB的采样点比例比同频组网的SINR>=3dB的采样点比例高出8.43%,见下图：图2 异频组网SINR分布(空载) 图3 同频组网SINR分布（空载）图4 SINR覆盖对比本次异频组网试验采用的为10M+10M异频组网，与现网20M带宽组网相比上下行速率有较大差距。但根据10M异频组网的测试结果来预估20M异频组网的上下行速率情况来看，相同频率资源情况下，同SINR区间内异频组网的上下行速率明显高于同频组网。图5 异频下行速率分布(空载) 图6同频下

10、行速率分布（空载）图7异频/同频下行速率比较图8 异频上行速率分布(空载) 图9同频上行速率分布（空载）图10异频/同频上行速率比较4.1.2 异频组网方案优缺点异频组网方式有利于切换链的设计，高铁沿线的主控小区采用链形邻区的设计，UE只在专网内部进行切换，不与大网发生切换。这种组网方案可以很好保证高铁用户在高速移动时切换和重选的路径，提高LTE网络覆盖质量；有利于应用高速场景专用的无线资源管理算法、切换和重选策略和网络参数值，从而更好地提高整个网络的性能。然而，联通FDD LTE频率资源不足，选用10M+10M异频组网策略组网的话，需要高铁沿线宏站小区采用10M带宽频率。从而大大降低了高铁沿

11、线宏站的频率资源利用。从长远来看，当联通FDD LTE有2个20M带宽频率资源时，高铁采用20M带宽的异频组网效果可能会远远好于同频宏站组网。4.2 高速场景下重选、接入和切换参数优化由于列车的高速移动，列车会频繁的穿越多个小区，快速的重选，及时可靠的接入方式及切换对于保障用户的无缝移动以及QoS要求是十分重要的。4.24.34.2.1 重选优化当处于高速移动的情况下，UE的Idle态测量触发要早，避免由于信号衰落太快而来不及触发邻区测量。高速场景下，重选优化策略有：1. 建议Sintrasearch 设置为最大值62dB。2. Idle的Cell reselection timer可以适当减

12、小，原则上应该尽量设小。3. 需要对重选做一些提前量，应适当对重选满足条件适当设置偏置，但对方小区信号与本小区相当甚至是低一些时就重选过去，因列车是不断高速往前前进，当重选完成时目标小区的信号已经比较高了Nokia parameter name3GPP nameNokiaManaged objectPropositionsIntrasearchs-IntraSearchLNCEL62qOffsetCellq-OffsetCellIAFIM1tReselEutrt-ReselectionEUTRANLNCEL1celResTiFHMsf-HighLNCEL0.25表1 重选参数优化4.2.2 接

13、入优化对于高速场景的UE，由于Doppler效应，对破坏ZC序列不同循环移位之间的正交性。此时LTE中定义的特殊的规则来生成ZC序列的移位。SIB2中的highspeedFlag来指明小区是否支持高速移动下ZC序列移位的选择。高速场景下，PRACH优化策略有：1. 针对高速移动的用户，开启高速用户的处理算法prachHsFlag：UE根据这个标志启用Restricted前导序列。2. 配置高速移动的场景：hsScenario - scenario1 （用于开阔场景），scenario3（用于隧道场景）。3. 根据覆盖距离的需求，配置prachCS和rootSeqIndex。Nokia para

14、meter name3GPP nameNokiaManaged object PropositionprachHsFlaghighSpeedFlagLNCEL 1 (true) hsScenarioLNCEL 1prachCSzeroCorrelationZoneConfigLNCEL 10rootSeqIndexrootSequenceIndexLNCEL planned 表2 PRACH参数优化4.2.3 切换优化由于列车的高速运动，切换必须在很短的时间内完成，过大的切换延时会导致列车已经离开切换带，但切换尚未完成。而通过宏观网络规划和设计来增大基站的重叠覆盖区域面积会导致成本过高。为此，

15、需要针对高速铁路下研究如何降低切换的时延，从而提升切换的成功率。为了保证切换的及时性，应该尽量选择A3切换，切换相关的CIO和A3 offset、A3 time to trigger、A3 report interval等可以做调整：1. CIO：利用CIO的调整，可保证高铁切换链能够按规划实现，避免误切到非高铁覆盖小区；按高铁移动方向，增加目标邻区的CIO，可加快切换触发的过程；单向的CIO调整可以避免乒乓现象发生，邻区CIO建议取值为3dB。2. A3 Time to trigger:减小time to trigger的值，加快切换触发的速度，避免出现切换不及时导致掉话的情况发生。高铁参考

16、取值160ms。3. A3 Report interval：加快事件报告的频度，及时更新无线变化，保证切换能够合理顺利的进行。高铁参考取值120ms4. A3 offset：A3事件切换的offset，由于高铁是单向行驶，可降低该参数设置。建议设置3dB。Nokia parameter name3GPP nameManaged objectPropositionthreshold1s-Measure LNCEL 90a3Offset -LNCEL 3a3ReportInterval -LNCEL 120ms a3TimeToTrigger - LNCEL 160ms hysA3Offset hysteresis LNCEL 0cellIndOffNeighcellIndividualOffsetLNREL 3dB表3 切换参数优化4.2.4 参数优化效果沪杭高铁上海境内58公里，途径闵行、松江和金山。对其沿线45个主控小区的重选、接入和切换参数进行了优化。从参数调整后的指标统计情况来看，在6月16日实施参数调整后，平均无线接通率由98.45%左右提升到了99.58%左右。且接通率指标较稳定。平均切换成功率由96.12%左右提升到了98.48%左右