高速公路场景TD—LTE网络建设及优化

admin

本文摘自《移动通信》2012年17期。作者：于明 林兴

【摘要】文章对TD—LTE网络的建设方案进行简要分析，并针对高速交通干线场景下弱覆盖、切换成功率低的情况，提出通过调整天线方位角、下倾角和智能天线赋形因子对TD—LTE网络进行优化的方法。对高速场景进行的性能测试表明，各重要指标达到普通小区要求，验证了高速公路TD—LTE组网的可行性。
　　【关键词】TD—LTE 高速公路 网络优化 KPI
　　1 高速公路场景TD—LTE网络建设
　　1.1 TD—LTE网络建设
　　TD—LTE规模技术试验外场的建设涉及到LTE站点建设和新建PTN、EPC、CE、OMC等组网网元，场景分为TD—SCDMA网络改造、新建LTE站点、TD—SCDMA升级试验等，基站建设以D频段基站为主，F频段开展单站验证性试验。整个网络前端接入侧按照新建D频段TD—LTE基站和改造F频段TD—SCDMA基站到TD—LTE基站两类，利旧新建PTN现网骨干网以及OTN骨干网，实现新建LTE承载网和原2G/3G PTN承载网的传输。组网拓扑图如图1所示。
　　TD—LTE宏站建设采用新建D频段TD—LTE单模基站，新增BBU、RRU、D频段天馈线及其他配套资源，实现了与现网TD—SCDMA共站址、共电源、共空调（若有剩余空间可共用机柜）、共GPS建设。
　　D频段基站主要提供热点地区连续覆盖，且该频段终端较成熟，连续覆盖可确保建网初期TD—LTE网络质量。
　　1.2 高速公路场景TD—LTE网络建设
　　根据规划，南京TD—LTE规模技术试验网采用TD—LTE室外宏基站对高速公路沿线进行覆盖，每个基站为S11配置，两个扇区背向覆盖，分别覆盖基站位置两侧的高速公路。
　　高速公路与普通市区的差异主要有：
　　（1）LTE采用最高64QAM的高阶调制，高速移动引入的多普勒频移会对信号检测性能产生影响；
　　（2）高速公路的地物地貌环境不同于一般城区，信号传播特性不同，需要采取针对性的覆盖方案。
　　2 高速公路场景TD—LTE网络优化
　　2.1 高速移动对LTE信号解调的影响
　　高速情况下，终端与基站之间的相对运动会产生多普勒频移：
　　其中，v为终端运动速度，c为无线电波传播速度，θ为终端运动方向与直射方向之间的夹角，fc为载波中心频率。
　　假设终端的移动方向与电波传播方向一致，可以测算在车速为120km/h时，2.6GHz信号的多普勒频移最高达到289Hz。考虑终端本振对下行信号中心频率的跟踪，上行信号到达基站的频偏是多普勒频移的2倍，达到578Hz。LTE导频距离时隙边缘符号中心位置时长为214μs，在最大多普勒频移情况下，引入的相位差接近45°，如果不进行频偏校准，即使使用QPSK调制，也会极大地提升误码率；如果采用更高阶的调制，则完全无法工作。
　　为了抑制多普勒频移以及同频干扰，需要在高速公路场景使用一些关键技术。本次TD—LTE机场高速覆盖时采用了线性插值算法，其性能较稳定，基本实现了补偿频偏的预期目标。
　　2.2 优化前情况说明
　　测试外场高速公路规划建设10个站点，使用两扇区方式实现带状覆盖。基站选择与2G、3G共址的建设方式。选择覆盖较为连续的10个小区作为测试区域，初步测试的结果显示：
　　（1）RSRP小于—100dBm的占31%，大大低于普通小区平均水平；
　　（2）SINR小于5dB的占8.9%，大大低于普通小区平均水平；
　　（3）SINR大于15dB的占55.8%，明显低于普通小区平均水平；
　　（4）小区切换成功率只有50%，无法满足用户使用需求。
　　通过分析，对于高速公路场景优化问题总结如下：
　　（1）个别基站间隔太远（最大两小区之间的直线距离为2.4km），部分小区距离高速公路较远，存在部分弱覆盖区域，由于施工难度和工期限制难以新增站点；
　　（2）部分站位置关系复杂（有的基站位于高速公路两侧，对向分布），产生了邻区或隔区干扰；
　　（3）部分小区天线被楼宇、树木遮挡严重，或天线位置过低（距地面仅十多米高），环境因素导致覆盖不均匀或弱覆盖。
　　2.3 优化手段
　　天线调整是覆盖优化的最主要手段，需要对TD—LTE天线方位角、下倾角和智能天线赋形因子进行专项优化。
　　以A基站和B基站之间的高速公路覆盖优化为例，A基站0小区和B基站0小区之间经常出现切换失败的情况，主要原因是覆盖较弱：两小区间高速公路RSRP均值在—116dBm左右，SINR均值在—8dB左右。
　　区域优化前A基站0小区的下倾角为7°，B基站0小区的下倾角为10°，优化后下倾角分别调整为3°和7°；同时考虑到B基站0小区距离高速路较近（最近距离只有70米），将B基站0小区天线的扇区赋形因子由65°改为33°，从而加强对高速公路主扇区的线性覆盖。
　　2.4 优化效果
　　优化后，RSRP小于—100dBm的百分比从31%降到2.4%（表1）；SINR小于5dB的百分比从8.9%降到0.2%（表2），而大于15dB的百分比从55.8%提高到87.6%；切换成功率由50%提高到95%以上。
　　对不同速度下的LTE网络性能进行测试，主要包含切换成功率和业务建立成功率，测试结果如表3：
　　在100km/h的速度下，5个用户同时进行业务，用户1同时上传、下载，用户2、3仅下载，用户4、5仅上传，共进行5次往返。物理层的平均速率如图2所示（单位为Mbps）：
　　可以看到高速场景下行小区吞吐量为10～12Mbps，上行正常情况下为6～8Mbps。
　　切换也是高速场景下需要重点考察的性能。对于切换测试，选择5部终端同时在一部测试车上进行业务，往返5圈，共进行481次切换，成功率为98.97%。
　　3 结束语
　　对高速场景的性能测试，验证了高速公路TD—LTE组网的可行性。测试初步的结论如下：
　　（1）TD—LTE系统可以在高速公路场景（速度120km/h）下正常工作，网络的KPI如切换成功率、建立成功率都大于95%，达到组网要求；
　　（2）在覆盖不理想的情况下，实测运动状态下多用户小区平均吞吐量为：下行10～12Mbps，上行6～8Mbps。如后续覆盖改善，小区吞吐量可进一步提升；
　　（3）测试中基站开启了高速算法，对信道估计进行了线性插值，现有终端和系统可以满足高速公路场景下的解调性能需求；
　　（4）根据需要，线状覆盖的某些站点可以采用33°广播赋形方式，提升广播和控制信道的覆盖能力。