谈谈LTE高铁覆盖解决方案

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高铁已成为现代社会非常重要的交通工具，随着移动通信技术的发达，人们随时随地需要高品质的无线上网体验。然而，如何在高铁上满足人们的上网需求已成为一大挑战，高速移动通信在高铁上的应用在全世界都还是一个待进一步开发的技术。

高铁覆盖面临的挑战

高铁覆盖主要面临如下挑战：

1）车体穿透损耗大

高速列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，中兴通讯对各种主要客运车型的损耗情况进行了详细测试，综合衰减值如表1所示。

2）多普勒频偏 

高速覆盖场景对 LTE系统性能影响最大的是多普勒效应。接收到的信号的波长因为信号源和接收机的相对运动而产生变化，称作多普勒效应。在移动通信系统中，特别是高速场景下，这种效应尤其明显。

3）高速影响性能  

在UE（用户设备）高速场景下，对切换的性能会有较大的影响。为保证用户无缝移动性及QoS，最基本的要求就是用户通过切换区域的时间要大于切换的处理时间，否则切换流程无法完成，会造成用户的QoS下降甚至掉话。在高速场景下，由于UE驻留时间小于小区选择过程，还容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。

4）公网和高铁覆盖专网相互影响

高铁覆盖作为FDD LTE公网覆盖的一部分，必须考虑高铁覆盖专网和公网之间的相互影响。专网和公网之间应避免形成空洞和过度重叠覆盖，特别要避免大网站点越过高铁轨道进行覆盖。要做好公网、专网间切换、重选等关系，确保相互之间的正常过渡。

高铁覆盖解决办法

为了解决高速移动覆盖问题，3GPP R12提出了MRN（Mobile Relay Node，移动中继节点）。

MRN可以广泛的应用于高铁，我们知道一列高铁长可达400多米，车速可以达到350km/h。由于车厢信号衰减和高速移动，高铁上往往信号差、网速慢、且手机还超耗电。

为了改善高铁覆盖，我们可以在高铁上安装一套无线接入设备，该设备通过铁路沿线的eNB提供无线回程链接。这套设备有两套天线，一套天线用来连接eNB，而另一套天线连接车厢内的所有UE。

从上图中可以看到，前面的一根天线叫“预测天线”，这根预测天线将发挥关键的作用。

在LTE系统中，UE会周期性的上报信道状态信息 （ Channel State Information, 简称 CSI), 对信道进行估计并快速反馈给eNB，这个反馈时延要求不小于5ms。在高速移动环境下信道变化很快，信道估计的信令开销会很大，并且由于UE反馈的时延，信道估计的实时性无法保证。

怎么解决这个问题？可以用提前对信道预测的方法来解决，比如卡尔曼(kalman)或Wiener 模型预测。这些预测模型可以准确的向前预测0.2至0.3个波长，这就意味着，900M频段内，在相对低速移动的场景下，提前预测5ms完全没有压力。比如，一辆列车以50km/s的速度前行，5ms内移动0.0694m，这就刚好等于900MHZ频段的0.2个波长。

这就是预测天线的主要理论原理。

MRN是一个非常好的解决方案，但是，它同样面临着一些挑战。

挑战主要来自引入MRN产生的干扰。由于MRN和车厢内的UE距离很近，所以两者能保持很好的通信。同时，列车车厢能进一步抑制MRN接入信号外泄，这就有效的防止了MRN与UE的接入链路信号对外界造成干扰。但是，MRN和eNB回程链路这端的问题就比较复杂了，比如MRN与MRN之间的干扰，MRN和宏站UE的干扰。尽管，预测天线的使用可以避免一些回程链路的干扰，但是，是不是需要ICIC（小区干扰协调）来支持，还需要更进一步的研究。

另外，为了解决切换问题，多厂家对高铁覆盖均采用单小区多RRU级联技术，属于同一逻辑小区的多个RRU连环相连，构成一个狭长地带的铁路沿线小区覆盖方案，从而减少切换。

高铁覆盖的实际应用

我们先来看一段视频。

今年2月份，爱立信和台湾工业技术研究院（工研院）携手合作完成了一次高铁覆盖方案测试。该方案采用两跳式解决方案，即在高铁沿线部署TD-LTE大型基站，运用TD-LTE系统提供无线回传，并且在列车车厢中部部署FDD small cell，从而大幅减少传输损耗，实现车厢内高质量的无线上网体验。

该两跳方案原理图如下：

铁路沿线部署B38 TDD宏站（RRU级联），列车车厢内安装B3 FDD small cell，用户直接接入small cell，规避了20-30dB的传输损耗。列车顶部安装一根天线，这根天线连接车厢内的一个回传CPE，通过这根车顶天线接收铁路沿线TDD宏站的信号，回传CPE对信号进行转换，并将之传送到车厢内的small cell。

车厢内的small cell 部署。 车厢内的机房里安装一台回传CPE和small cell，在乘客车厢的灯箱里部署天线。

爱立信和台湾工研院对一条全长15公里的高铁覆盖进行了测试验证，空旷部分的宏站覆盖采用级联RRU，而隧道部分的覆盖采用由工研院设计的ROF（radio over fiber）系统。经过1年多时间的努力，该方案满足了用户在飞速行驶的列车上获得和家里一样的一致性体验。