TDSCDMA高速铁路无线网络规划指导书.doc

TD-SCDMA高速铁路无线网络规划指导书版 本：V1.0中兴通讯工程服务部TD网规网优部 发布TD-SCDMA高速铁路无线网络规划版本说明：版本日期作者审核修改记录V1.02008-11-17罗祯林邹广玲 无关键字：高速铁路，多普勒频移摘要：中兴通讯在京津高铁中成功应用了超级小区技术，在高铁中采用何种链路预算表？高铁中将采用何种天线组网？超级小区将会给高铁覆盖中站点选址带来哪些新的变化？本文正是从规划的角度出发对这些问题进行探讨，并得到实质性的计算结果。 缩略语： EIRP：Effective Isotropic Radiated Power 有效全向辐射功率参考资料： 陈建军 中兴通讯京津高速铁路组网方案V1.1 目 录1高速运动存在的问题11.1高速移动下的多普勒频移11.2高速移动下的重选和切换11.3高速移动对TD系统的影响12高铁覆盖方案整体思路22.1多普勒频移解决方案22.2重选和切换解决方案22.3专网解决方案33高铁覆盖中设备选型43.1RRU设备选型43.2天线选型44传播模型55链路预算65.1小区内中心扇区链路预算表65.2小区内边缘扇区链路预算表76容量估算97小区覆盖半径108站点设置118.1两小区间距118.2小区内物理扇区间距138.3逻辑小区间距158.4所需站点数目158.5站点选定原则159高铁相关距离计算表格17图目录图 21 超级小区3图 71 小区覆盖半径10图 81 重叠覆盖区域计算图-小区间间距11图 82 重叠覆盖区域计算图-小区间间距13图 83 小区间距15表目录表 31 RRU设备性能对比4表 41 高铁传播模型5表 51 上行链路预算表6表 52 上行链路预算表7表 61 话务数据模型9表 62 容量估算结果9表 71 中心与边缘小区估算结果101 高速运动存在的问题1.1 高速移动下的多普勒频移高速铁路的无线信道特征基本上可以看作是一个较大的多普勒频率偏移加上很小的频率色散。其中较大的多普勒频率偏移是由高速列车相对基站收发信机的高速运动形成；而很小的频率色散是由用户相对于车内反射散射体的低速运动形成。另外，高速铁路场景的基站侧角度扩展较小，且时延扩展较小，有利于发挥智能天线波束赋形增益。1.2 高速移动下的重选和切换高速铁路场景是线性覆盖区域，同时所服务的对象具有运动速度快，车体密闭，穿透损耗大的特点。要确保车体内能够被良好信号覆盖，需要在网络规划上采取必要措施。高速移动时，UE最佳的服务小区变化较快，小区选择与重选，切换发生的频率明显加快，如果按照普通场景的小区选择与重选，切换参数默认配置，则容易导致小区重选，切换不及时，导致重选失败或切换掉话等现象。1.3 高速移动对TD系统的影响(1) 基于技术上的区别，3GPP标准协议规定FDD系统需支持最高移动速度为500km/h，TDD系统最高移动速度则定义为120km/h，因此，高速移动对TD-SCDMA系统本身会带来较大的影响。目前根据TD现有的机制，在250KM/h之内，TD完全有能力保证正常的通话能力。对于时速在350Km/h的高速铁路。TD系统本身必须作出一定的改进和调整。(2) TD-SCDMA系统要求实现严格的上行同步，在高速移动环境下，可能出现同步偏差而不能达到系统要求的1/8Chip的同步精度，可能致使系统性能有一定程度的下降。2 高铁覆盖方案整体思路2.1 多普勒频移解决方案高速列车场景的多普勒频移通常高达几百赫兹，对系统设备和终端的接收机性能都构成了挑战，如果接收机不进行检测和补偿，那么链路性能将大大下降，严重恶化网络覆盖及容量等指标。中兴自主知识产权的高速频偏校正算法能够检测并补偿至少高达800赫兹的多普勒频率偏移。2.2 重选和切换解决方案高速移动场景下，需要加快小区切换和重选对速度，因此一方面切换迟滞和测量上报时延以及小区重选对迟滞和测量时间都需要相应的缩短，另一方面在物理上利用多个小区合并为超级小区来减少小区间的切换。(1) 重选切换参数调整根据高速移动场景，建议小区重选和切换参数配置如下。重选：Treselection =1s Qhyst=2dB。 切换：TimeToTrigger =320ms Hyst = 2dB(2) 超级小区将多个小区合并为一个小区。目前高铁覆盖采用4天线6扇区解决方案，后期随着基带处理板能力的提升，可以采用8天线6扇区超级小区。本文讨论的链路预算，站间距等都是基于4天线6扇区解决方案图 21 超级小区2.3 专网解决方案将高铁覆盖的站点设置成专网。这样会带来如下好处：(1) 可以避免公网中常见的多LAC切换。(2) 避免由于多用户引起的干扰。(3) 专网与其他网络分开，避免有切换关系，这样可以针对专网进行切换，重选等无线参数优化。(4) 通过专网覆盖，其频点，扰码可以独立设置。保证专网的独立性。3 高铁覆盖中设备选型3.1 RRU设备选型目前市场推行RRU设备有R08i和R11。R08i为室外8通道RRU，为高集成度8通道6载波塔顶单元设备。R11为室外单通道RRU，为覆盖增强的大功率发射单元设备， 提供6载波的支持能力。两者参数对比如下表：表 31 RRU设备性能对比项目R08i性能指标R11性能指标尺寸548mm×388mm×140mm370mm×290mm×135mm重量25kg11kg容量6载波6载波功率3W /通道12W满配功耗165W75W工作电压-48V DC (-57V-36V)220V AC (130V300V)220V AC (85V300V)-48V DC (-60V-36V)工作温度、湿度-40+70 5%100%-40+70 5%100%防护等级IP66IP66针对高铁覆盖，因为需要采用RRU组成超级小区，RRU设备建议采用8通道RRU：R08i。3.2 天线选型为了保证高度移动的信号，天线选型方面应该把握2个原则：(1) 尽量先用波速宽度较窄的天线。(2) 选用天线增益较高的天线。因此根据不同的覆盖方案，可以采用：(1) 使用15-18dBi甚至21dBi增益的窄波瓣的高增益天线，获得较好的无线覆盖。(2) 常规智能天线。如30度单极化或者双极化天线。4 传播模型高铁作为特殊的覆盖环境，在实际规划中也必须进行相关的传模测试工作。业务半径以CS64K业务连续覆盖为基本要求。传播模型采用天津农村区域传播模型。PATHLOSS= 123.54+35logd。穿透损耗取值30dB。针对不同的环境会有不同的传播模型。如北京高铁覆盖采用如下SPM模型：表 41 高铁传播模型环境K1K2K3K4K5K6Kclutter高铁-22.3757.665.831-6.5501本报告中以京津高铁天津段为例进行讨论。5 链路预算通过链路预算计算CS64K业务上行覆盖半径。按照超级小区组网的方案，必然存在4个扇区在小区内部，2个小区位于小区边缘。由于在小区中心的4个扇区采用了上行分集接收技术，因此上行接收分集增益为3dB。处于小区边缘的两个扇区则没有该分集接收增益。正是因为存在小区中心和小区边缘的分集接收增益，导致存在不同的链路预算表。由此也导致在后面的讨论中有不同的扇区间距，不同的小区间距等等。5.1 小区内中心扇区链路预算表小区中心4个扇区的上行链路预算表。表 51 上行链路预算表系统业务速率bpsCS64k工作频率MHz2000.0扩频带宽MHz1.28发射端最大发射功率dBm24.00终端天线增益dBi0.00人体损耗dB0.00EIRPdBm24.00接收端热噪声功率谱密度dBm/Hz-173.98热噪声功率dBm-112.90噪声系数dB3.50噪声功率dBm-109.40干扰余量dB0.50处理增益NA3.42Eb/NodB11.62C/IdB8.20接收机灵敏度dBm-100.70基站天线增益dBi15.00智能天线分集增益dBi5.50+3 增加了3dB的分集增益馈线损耗dB0.50储备区域覆盖概率%95%边缘覆盖概率%88%阴影衰落标准差dB6.00储备阴影衰落余量/慢衰落储备dB3.40功控余量/快衰落储备dB1.00切换对抗快衰落增益dB0.00切换对抗慢衰落增益dB1.90穿透损耗dB30.00储备总计（室外）dB2.50储备总计（室内）dB32.50路损最大允许路损dB115.20注：请关注：智能天线分集增益一项5.2 小区内边缘扇区链路预算表小区边缘2个扇区的上行链路预算表。表 52 上行链路预算表系统业务速率bpsCS64k工作频率MHz2000.0 扩频带宽MHz1.28 发射端最大发射功率dBm24.00 终端天线增益dBi0.00 人体损耗dB0.00 EIRPdBm24.00 接收端热噪声功率谱密度dBm/Hz-173.98 热噪声功率dBm-112.90 噪声系数dB3.50 噪声功率dBm-109.40 干扰余量dB0.50 处理增益NA3.42 Eb/NodB11.62 C/IdB8.20 接收机灵敏度dBm-100.70 基站天线增益dBi15.00 智能天线分集增益dBi5.50 馈线损耗dB0.50 储备区域覆盖概率%95%边缘覆盖概率%88%储备阴影衰落标准差dB6.00 阴影衰落余量/慢衰落储备dB3.40 功控余量/快衰落储备dB1.00 切换对抗快衰落增益dB0.00 切换对抗慢衰落增益dB1.90 穿透损耗dB30.00 储备总计（室外）dB2.50 储备总计（室内）dB32.50 路损最大允许路损dB112.20注：注意智能天线分集增益一项6 容量估算容量估算必须基于单用户话务模型。单用户话务模型可以基于如下考虑：CRH的标准配置为8节车厢，额定载客人数约为600人次，根据预计发车时间间隔为5分钟，那么在单方向一个小区内仅会有1列车，单小区用户最多是发生在两车交会时。两车交会时单小区总用户数为1200人，建设3G用户数占70%，中国移动占有80%的用户数，那么实际的在线用户数为672人。下表是规划的输入参数。话务模型参考了郊区的话务数据特征模型。表 61 话务数据模型UrbanNo. of Users672No. of Sites1Uplink Traffic Model (per user in BH)UrbanAMR 12.2k (Erl)0.025CS 64k (Erl)0.005PS 64k /64k (kbps)0.050PS 64k /128k (kbps)0.050Downlink Traffic Model (per user in BH)UrbanAMR 12.2k (Erl)0.025CS 64k (Erl)0.005PS 64k /64k (kbps)0.050PS 64k /128k (kbps)0.010通过kaufman-roberts算法进行TD-SCDMA的容量估算，其估算结果如下。表 62 容量估算结果UrbanULDLNo. of sites11Required BRUs per sector114134Required Carriers per sector33Load of BRUs79%93%可见，在一个4天线6扇区合并的小区里，3个载波可以满足两列列车通过时的容量需求。7 小区覆盖半径 图 71 小区覆盖半径根据不同的传模模型，分小区中心和小区边缘分别计算小区半径，可以得到如下结果：表 71 中心与边缘小区估算结果传播模型Pathloss= 123.54+35logd扇区类型小区内扇区小区边缘扇区最大路损115.2112.2小区覆盖半径(m)578474站点距铁路距离(m)120120小区在铁路覆盖距离(m)5664598 站点设置按照超级小区组网的方案，一个超级小区包含6个扇区，其中4个扇区位于小区内部，2个小区位于小区边缘。两者不同的分布位置导致两者存在分集增益的差异。从而导致两者覆盖半径存在区别，进一步的，导致两者之间存在的重叠覆盖区也有一定差异，影响到站间距之间的差异。下文从重叠区计算着手，计算两者之间的站间距差异。8.1 两小区间距 图 81 重叠覆盖区域计算图-小区间间距小区间距的计算重点在重叠区的计算。具体重叠区分布图见图7-1。上图说明：【场强过渡区】对应场强下降切换参数（Hysteresis/2）dB列车前行的距离。【测量时延】对应切换参数TimeToTrigger时间内列车前行的距离。高铁中TimeToTrigger一般为320ms【切换时长】系统执行切换所 需时间内列车前行的距离。一般为800ms。【d1】站点到场强过渡区边缘的距离。【d2】站点到场强过度区中心点的距离。【小区覆盖半径】链路预算得到的小区半径。这里设其为R【站点到铁路距离】为TD站点到铁路的垂直距离。根据上图，容易得到：重叠覆盖区=（场强过渡区+测量时延+切换时长）*2根据上图结合传播模型，可以得到以下四个公式：(1) Pathloss1=K1+K2lg（d1）(2) Pathloss2=K1+K2lg（d2）(3) d1在铁路的覆盖距离 小区覆盖半径。或者准确的说，d1在铁路的覆盖距离=-（测量时延+切换时长）。考虑到距离精度，直接用公式(3)d1在铁路的覆盖距离小区覆盖半径。(4) 场强过渡区=d1-d2由第四章传播模型PATHLOSS= 123.54+35logd，第六章小区边缘扇区小区覆盖半径474米，假设站点到铁路距离120米，高铁车速为300Km/h, 扇区间过渡区包括2dB场强过渡时延，高铁覆盖中测量时延为320ms，切换时长800ms。可以得到如下结果d1=1.07d2d1=474米。场强过渡区=474-474/1.07=31米测量时延=320ms*300Km/h=26.6米切换时长=800ms*300Km/h=66.6米则：重叠覆盖区=（场强过渡区+测量时延+切换时长）*2=（31+27+67）*2=248米小区间距=（小区在铁路上覆盖距离-重叠覆盖区）*2+重叠覆盖区=（459-248）*2+248=670米8.2 小区内物理扇区间距扇区间距的计算和小区间距计算相同，只是两者的覆盖半径存在差异。 图 82 重叠覆盖区域计算图-小区间间距小区间距的计算重点在重叠区的计算。具体重叠区分布图见图7-1。上图说明：【场强过渡区】对应场强下降切换参数（Hysteresis/2）dB列车前行的距离。【测量时延】扇区切换测量时延。【切换时长】系统执行切换所 需时间内列车前行的距离。一般时间较短【d1】站点到场强过渡区边缘的距离。【d2】站点到场强过度区中心点的距离。【小区覆盖半径】链路预算得到的小区半径。【站点到铁路距离】为TD站点到铁路的垂直距离。根据上图，容易得到：重叠覆盖区=（场强过渡区+测量时延+切换时长）*2根据上图结合传播模型，可以得到以下四个公式：(1) Pathloss1=K1+K2lg（d1）(2) Pathloss2=K1+K2lg（d2）(3) d1在铁路的覆盖距离 小区覆盖半径。或者准确的说，d1在铁路的覆盖距离=-（测量时延+切换时长）。考虑到距离精度，直接用公式(3) d1在铁路的覆盖距离 小区覆盖半径。(4) 场强过渡区=d1-d2由第四章传播模型PATHLOSS= 123.54+35logd，第六章小区边缘扇区小区覆盖半径578米，假设站点到铁路距离120米，高铁车速为300Km/h, 扇区间过渡区包括2dB场强过渡时延，以及测量时延+切换时延大约60ms左右。60ms内，终端移动距离为5米，考虑5米余量，暂定10米。可以得到如下结果d1=1.07d2d1=578米。场强过渡区=578-578/1.07=38米则：重叠覆盖区=（场强过渡区+测量时延+切换时长）*2=（38+10）*2=96米扇区间距=（小区在铁路上覆盖距离-重叠覆盖区）*2+重叠覆盖区=（566-96）*2+96=1036米8.3 逻辑小区间距 图 83 小区间距逻辑小区间距=小区内物理站间距*2+小区间距=1036*2+670=2742米8.4 所需站点数目高铁覆盖所需的站点数基于本章前面计算的两小区间距，小区内物理扇区间距，逻辑小区间距。4天线6扇区超级小区组网，逻辑小区间距为2742米。假设京津高铁天津段全场70公里。计算可得所需逻辑小区数：70km/2742m+1=27个。则所需站点数为27*3=81个站点。站点的布置遵照两小区间距以及物理扇区间距。8.5 站点选定原则高铁的站点在实际建网中，一般都是由现网或者2G站点中选择，因此不存在绝对模型化的方式。但是以下几个原则应该注意：(1) 站点距离铁路一般不宜过远，最好小于200米。(2) 站间距的选择应和计算的相当，不可超过计算的间距。(3) 站点周围不应有阻挡物，站高不宜过高，一般选择站高高于铁路20米左右的站点，下倾角不宜过大或过小，根据站点的高度，尽量选择信号能从窗户进入动车的角度，建议下倾角在2度左右。9 高铁相关距离计算表格