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4G无线网高速公路覆盖方案
姜莉莉 中国移动通信集团设计院有限公司内蒙古分公司
【摘 要】 本文分析了高速移动对 TD-LTE 系统的影响.针对高速公路不同场景的特点,提出了 TD-LTE 高速公路覆盖方案建议并列举了具体案例.
【关键词】 TD-LTE 高速公路 规划 覆盖方案
一、引言
随着移动互联网在中国的飞速发展,移动数据流量呈现爆炸式的增长,三大运营商纷纷加大对移动宽带网络发展的投入,并逐渐把经营模式从传统的语音经营转换到流量经营上.中国移动经过扩大规模试验网、4G 一、二、三期工程的网络建设,TD-LTE 网络已基本实现全国各省的乡镇镇区以上区域的连续覆盖和部分农村热点的有效覆盖.随着 4G网络四期工程的不断推进,4G 网络覆盖区域逐步扩大,高速公路、高铁、景区等特殊场景的精确覆盖越来越重要,以进一步扩大 TD-LTE 广覆盖和连续覆盖区域.
二、高速移动场景信号影响分析
2.1 多普勒频移影响
在高速场景下用户终端高速移动,无线网络会产生多普勒效应,这种多普勒效应引起的选择性衰弱和频率偏移将导致基站和移动终端的相干解调性能降低,直接影响移动终端的接入成功率、切换成功率,对通信质量将会造成较大的影响,也会对无线系统的容量和覆盖产生影响,如图 1 所示.
其中：v 为终端运动速度,c 为无线电波传播速度,θ为终端运动方向与信号直射方向之间的夹角,fc 为载波中心频率. [2]
从上述公式可以得出,多普勒频移的大小与车辆运动速度成正比；车辆运动速度越快频偏越大；多普勒频移的大小和载波频点相关频点越高频偏越大.当行驶在高速公路上的汽车车速为 120km/h 时,1.9GHz 信号的多普勒频移最高可达211Hz.由于终端需要对下行信号中心频率进行跟踪,上行信号到达基站时与基站参考频率的最大频偏将是 2 倍多普勒频移,达到 422Hz. LTE 导频位置与时隙边缘符号中心位置的时间差为 214us,在最大多普勒频移情况下,引入的相位差接近 45°, 如果不进行频率校准和补偿, 随着车速的增加,频率偏移现象会更加明显.为了抑制多普勒效应引起的频偏和同频干扰,提高通信质量,需要在高速公路场景下使用一些特殊覆盖方案和关键技术.
2.2 车体高穿损影响
由于手机终端主要分布在高速移动的车辆中,车体对无线信号具有一定的穿透损耗,不同类型的车穿透损耗不同,一般在 8~12dB.
2.3 快衰落和慢衰落
快衰落（Fast Fading）：移动终端附近的散射体（地形,地物和移动体等）引起的多径传播信号在接收点相叠加,造成接收信号快速起伏的现象.主要由于多径传播而产生的衰落,由于移动体周围有许多散射、反射和折射体,引起信号的多径传输,使到达的信号之间相互叠加,其合成信号幅度表现为快速的起伏变化,其变化率比慢衰落快,迭加后的信号幅度变化符合瑞利分布,因而又被称为瑞利衰落,工程中一般依靠功率控制方式来消除快衰落的影响,同时在链路预算中预留少量余量来防止通信链路的突然恶化.
由于移动终端的不断运动,电波传播路径地形地貌是不断变化的,因而局部中值也是不断变化的．这种变化所造成的衰落比多径效应引起的快衰落要慢得多,称为慢衰落.慢衰落的场强中值服从对数正态分布,且与位置、地点相关,衰落的速度取决于移动终端的速度. 接收信号电平的随机起伏,即接收信号幅度随时间的不规则变化.在实际系统中,可以通过设置衰落储备余量来抑制快衰落和慢衰落的影响,快衰落余量和信道衰落深度有关,而慢衰落余量可由衰落的正态分布函数和边缘覆盖概率计算得到.
三、高速公路主要覆盖场景和 TD-LTE 覆盖方案
无线信号的覆盖一般可分为面状覆盖、线状覆盖及点状覆盖三大类 , 高速公路场景属于线状覆盖类型,一般情况下,高速公路周边的地形地貌环境不同于一般城区,没有比较高的树木和建筑物,基本以低矮的灌木丛和草坪为主,移动信号以直射传播为主,而且覆盖道路的基站天线多加挂在铁塔上,天线挂高一般在 30-40 米左右,位置高于周边建筑和树木,基于以上条件解决高速公路道路的覆盖需求成为 4G 无线网络的组网的主要目标.
3.1 站址选择部署
如何才能快速、低成本部署 4G 网络,确保 4G“高速”业务体验呢？根据高速公路的 TD-LTE 信号覆盖特点,主要采用公网宏站进行基础覆盖,道路专网进行专项覆盖.现阶段一般采用 F 频段进行覆盖以保证覆盖距离节省投资,尽量充分利用公网 2/3G 现有站址资源共址建设,选择高速场景沿道路满足覆盖要求的站点.
由于现有 2G 网络存在 2 公里以上的站间距,需要创新的 TD-LTE 覆盖解决方案应对高速公路的空洞覆盖,低成本建设.在无站址利旧情况下,需结合不同场景下的站间距新建站点.根据不同场景特点选择新建站点位置,一般站点位置选择在距道路 100~150 米左右,确保站点能与道路、车辆形成一定的角度.基站站点间距的选择需要在规划阶段根据确定的目标覆盖区域,传模模型校正结果,进行链路预算来确定最小站间距.兼顾周边覆盖情况下,F 频段覆盖站间距建议为：平原 1.4~1.6 公里,山区 0.9~1.1 公里；仅考虑线状公路覆盖情路况下,F 频段覆盖站间距建议为：平原 1.1~1.4公里,山区 0.7~0.9 公里 .
高速公路中存在许多特殊场景,在进行站址选择的时候需要充分考虑这些特殊的因素,比如高速公路有许多道路存在比较明显的 S 状弯道区域,在这类型的区域一般采用利旧共址站点和新增站点相结合的方法进行覆盖,为了达到 S 状弯道区域信号形成良好的覆盖效果,新增站点位置一般选在S 状弯道区域的弯道内侧,这样可以方便的使基站天线扇区的方位角沿着道路的延伸方向,增强覆盖效果.
另外需要特别注意的是汽车的穿透损耗与车型以及天线主瓣方向入射角度有关,通常为 8~12dB,同时由于部分高速公路旁植有防护林会遮挡信号, 根据防护林的高度和宽度,损耗通常为 3~5dB,那么在站址选择的时候,为了弥补建筑物或者防护林遮挡等其它因素带来的影响,结合工程条件优先将站点交错部署在道路两侧.
3.2 覆盖方式选择
针对高速公路场景的覆盖, 需要重点考虑由于切换频繁、位置更新量大、信道拥塞而引起的数据业务不达标等问题.另外道路上行驶的用户大部分时间处于连续运动状态,这样会引起终端频繁跨越小区,在不同基站小区间频繁发生重选或切换,容易发生业务掉线和脱网,从而导致用户感知下降.那么根据无线网络覆盖目标的不同,将高速公路场景的覆盖分为以下两类：
确定覆盖目标为高速公路且兼顾周边区域广覆盖时,采用八通道天线覆盖方案,规划组网内的每个站点使用一个BBU, 单站配置3个RRU, RRU安装位置靠近BBU, 无需拉远,工程难度小,每个 RRU 为一个小区,容量最大,覆盖效果较好,两个扇区分别覆盖基站位置两侧的道路,同时第三扇区可兼顾高速周边区域的覆盖.例如需要覆盖高速公路且同时覆盖服务区或者道路周边村庄的场景.
确定覆盖目标为线状高速公路时,采用两通道天线覆盖方案,规划组网内的多个物理站点公用 BBU 资源,BBU 集中放置,单 BBU 可连接多个 RRU,RRU 通过光纤拉远进行布放,采用多 RRU 共小区方式组网,避免频繁切换和重选,使用小区合并技术增加单小区的覆盖区域半径,减少小区间的切换、重选以及时延,大幅提高了网络速率.两个天线扇区背向对打,分别覆盖基站位置两侧的道路,高速公路道路覆盖效果好. 如需要覆盖高速公路平直道路和弯道区域场景.
3.3 邻区规划
由于高速公路、省道及国道等主要是采用线状覆盖,一般单个基站会设置两个扇区对道路进行覆盖,如前所述,在采用两通道天线覆盖方案时,相邻站点的 RRU 通过光纤拉远串联起来,增加单个小区的信号覆盖范围,那么在进行邻区规划时,每个小区一般只规划两个邻区,分别为在高速公路沿线上本小区两侧的各一个小区,这样可以减少终端的测量时间,有利于增加切换的准确性和及时性.
3.4 天线设置
天线的选择在 TD-LTE 网络规划尤为重要,对于高速公路这样线状覆盖的特殊场景选择好合适的天线对网络覆盖能起到事半功倍的效果.对于满足高速公路覆盖且兼顾周边区域覆盖的广覆盖需求时,选用八通道天线,下行方向采用空间分集、空分复用、波束赋形等技术传播无线信号,获得多种增益.在上行方向,通过多天线接收获得分集增益,以提高上行覆盖能力.对于满足线状高速公路需求时,选用两通道天线,采用空间分集和空分复用技术进行覆盖.也可适当选择高增益天线,在线状狭长区域场景,智能天线或由于增益较低无法覆盖远处目标或无法发挥波束赋型特性.因此选择天线选择应考虑高增益天线.高增益 2 通道天线增益不低于 20dBi,且波束较窄,适合对高速等线状区域进行覆盖.对于道路弯曲区域,可根据弯曲幅度大小,选择水平波瓣角度不同的定向天线或者全向天线覆盖.
3.5 频率配置
中国移动所使用的 TD-LTE 系统目前可用频段有 F 频段1.9GHz、D 频段 2.6GHz 和 E 频段 2.4 GHz,室外主要使用 D频段和 F 频段,室内主要使用 E 频段.根据无线传播模型Cost231-Hata 模型,可知路径损耗的大小与基站工作频率的大小成正比,工作于 D 频段 2.6GHz 的 TD-LTE 系统的信号路径损耗会比工作在 F 频段 1.9GHz 下的信号路损大 4dB 左右.从增强系统的覆盖效果,节省投资角度考虑,一般选择频率较低的 F 频段进行组网.另外,如果频率资源允许,建议相邻小区采用异频方式组网,以减少相邻小区间同频干扰带来的影响.
四、具体覆盖案例
内蒙古乌兰察布市境内有四条高速公路,分别是 G55 二广高速,G6 京藏高速,G7 京新高速和 S24 兴巴高速公路.G7 京新高速内蒙古乌兰察布段全长 212 公里是继 G6 京藏高速公路后内蒙古又一条进京高速公路.本案例以乌兰察布市境内 G7 京新高速特定场景为例,通过分析对比,制定合理的 4G 网络覆盖方案.
在初期进行省道、国道等重要道路的 LTE 覆盖规划时,不能按传统的宏基站连续覆盖来进行规划,否则会造成资源的浪费.如前文所述的覆盖方式选择的方法,本案例覆盖需求为高速公路且兼顾周边区域广覆盖,主要采用八通道天线覆盖方案.在频段选择上,考虑到 F 频段频率低于 D 频段,空间传播损耗较小,系统的覆盖效果强,而且可以节省建设投资,因此本案例选择 F 频段进行组网覆盖.
如图所示,中旗察汉哈达高速站和中旗偏关卜子高速站为 G7 京新高速乌兰察布段道路上的相邻的两个站点,两个站点位置分别距道路 103 米和 148 米,为了增强信号覆盖效果,站点位置基本选择在道路旁边较高的山坡上,两站点站间距为 3.4 公里.中旗察汉哈达高速站与中旗偏关卜子高速站站型都为 S111 配置,主要设备类型为基带拉远型（BBU＋ RRU）均采用中兴 ZXSDR B8300,射频拉远设备均采用中兴 R8978 M1920A.天线均采用 FA 频段内置滤波器智能天线通宇 TYDA-192017D4T3v01.
中旗察汉哈达高速站由于站点位置处于道路北侧山坡上与高速公路存在 12 米落差,所以考虑到覆盖区域和该位置地形条件可采用 18 米落地增高架的塔型,天线安装于 18 米处.根据该站点覆盖高速公路的弯曲程度和覆盖目标区域将小区设置为 1 小区主要覆盖道路东北侧村庄和东侧高速公路部分,2 小区覆盖南侧高速公路部分,3 小区覆盖西侧高速公路部分,三个小区的网络性能 DT 测试结果如下图 6.中旗偏关卜子高速站站点位置规划选择时考虑了站点覆盖道路弯曲程度较小这个因素,将其位置选择于道路北侧较高的山坡上,该位置点与道路落差达到 28 米,所以考虑到覆盖区域和该位置地形条件可采用 25 米三管塔塔型,天线安装于 23 米处.根据该站点覆盖高速公路的弯曲程度和覆盖目标区域将小区设置为 1 小区主要覆盖道路东侧和东南侧高速公路部分,2 小区覆盖南侧高速公路部分,3 小区覆盖西侧和西南侧高速公路部分,三个小区的网络性能 DT 测试结果如下图 7.从图 6 和图 7 中不难看出道路信号覆盖关键指标RSRP 值基本满足中国移动通信集团公司要求的 RSRP 值大于 -100dBm 这个标准；RS-SINR 值基本满足大于等于 -3dB这个标准；切换成功率基本大于等于 95% 满足中国移动通信集团公司指标要求.
五、结束语
在未来 TD-LTE 网络建设中,特殊场景的覆盖变得越来越重要,中国移动集团的无线网建设指导意见中也要求确保基于价值和需求的精确覆盖, 特别加强重点场景的有效覆盖.高速公路这样的特殊场景,各种场景均可能出现,所以在进行高速公路无线网络覆盖规划时需要根据覆盖目标范围,灵活地选择相适应的覆盖方案；同时根据道路的及周边的实际情况对天线的安装高度,方位角,天线型号的选择做现场的勘察设计,从网络全局的角度出发,确保网络良好的运行.
高速公路论文范文结:
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