高鐵已成為現(xiàn)代社會(huì)非常重要的交通工具，隨著移動(dòng)通信技術(shù)的發(fā)達(dá)，人們隨時(shí)隨地需要高品質(zhì)的無(wú)線上網(wǎng)體驗(yàn)。然而，如何在高鐵上滿足人們的上網(wǎng)需求已成為一大挑戰(zhàn)，高速移動(dòng)通信在高鐵上的應(yīng)用在全世界都還是一個(gè)待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)的技術(shù)。

高鐵覆蓋面臨的挑戰(zhàn)

高鐵覆蓋主要面臨如下挑戰(zhàn)：

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1）車(chē)體穿透損耗大
高速列車(chē)采用密閉式廂體設(shè)計(jì)，增大了車(chē)體損耗。各種類型的CRH列車(chē)具有不同的穿透損耗，中興通訊對(duì)各種主要客運(yùn)車(chē)型的損耗情況進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)試，綜合衰減值如表1所示。

2）多普勒頻偏 
高速覆蓋場(chǎng)景對(duì) LTE系統(tǒng)性能影響最大的是多普勒效應(yīng)。接收到的信號(hào)的波長(zhǎng)因?yàn)樾盘?hào)源和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生變化，稱作多普勒效應(yīng)。在移動(dòng)通信系統(tǒng)中，特別是高速場(chǎng)景下，這種效應(yīng)尤其明顯。

3）高速影響性能  
在UE（用戶設(shè)備）高速場(chǎng)景下，對(duì)切換的性能會(huì)有較大的影響。為保證用戶無(wú)縫移動(dòng)性及QoS，最基本的要求就是用戶通過(guò)切換區(qū)域的時(shí)間要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無(wú)法完成，會(huì)造成用戶的QoS下降甚至掉話。在高速場(chǎng)景下，由于UE駐留時(shí)間小于小區(qū)選擇過(guò)程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問(wèn)題。

4）公網(wǎng)和高鐵覆蓋專網(wǎng)相互影響
高鐵覆蓋作為FDD LTE公網(wǎng)覆蓋的一部分，必須考慮高鐵覆蓋專網(wǎng)和公網(wǎng)之間的相互影響。專網(wǎng)和公網(wǎng)之間應(yīng)避免形成空洞和過(guò)度重疊覆蓋，特別要避免大網(wǎng)站點(diǎn)越過(guò)高鐵軌道進(jìn)行覆蓋。要做好公網(wǎng)、專網(wǎng)間切換、重選等關(guān)系，確保相互之間的正常過(guò)渡。

高鐵覆蓋解決辦法

為了解決高速移動(dòng)覆蓋問(wèn)題，3GPP R12提出了MRN（Mobile Relay Node，移動(dòng)中繼節(jié)點(diǎn)）。

MRN可以廣泛的應(yīng)用于高鐵，我們知道一列高鐵長(zhǎng)可達(dá)400多米，車(chē)速可以達(dá)到350km/h。由于車(chē)廂信號(hào)衰減和高速移動(dòng)，高鐵上往往信號(hào)差、網(wǎng)速慢、且手機(jī)還超耗電。

為了改善高鐵覆蓋，我們可以在高鐵上安裝一套無(wú)線接入設(shè)備，該設(shè)備通過(guò)鐵路沿線的eNB提供無(wú)線回程鏈接。這套設(shè)備有兩套天線，一套天線用來(lái)連接eNB，而另一套天線連接車(chē)廂內(nèi)的所有UE。

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從上圖中可以看到，前面的一根天線叫“預(yù)測(cè)天線”，這根預(yù)測(cè)天線將發(fā)揮關(guān)鍵的作用。

在LTE系統(tǒng)中，UE會(huì)周期性的上報(bào)信道狀態(tài)信息 （ Channel State Information, 簡(jiǎn)稱 CSI), 對(duì)信道進(jìn)行估計(jì)并快速反饋給eNB，這個(gè)反饋時(shí)延要求不小于5ms。在高速移動(dòng)環(huán)境下信道變化很快，信道估計(jì)的信令開(kāi)銷會(huì)很大，并且由于UE反饋的時(shí)延，信道估計(jì)的實(shí)時(shí)性無(wú)法保證。

怎么解決這個(gè)問(wèn)題？可以用提前對(duì)信道預(yù)測(cè)的方法來(lái)解決，比如卡爾曼(kalman)或Wiener 模型預(yù)測(cè)。這些預(yù)測(cè)模型可以準(zhǔn)確的向前預(yù)測(cè)0.2至0.3個(gè)波長(zhǎng)，這就意味著，900M頻段內(nèi)，在相對(duì)低速移動(dòng)的場(chǎng)景下，提前預(yù)測(cè)5ms完全沒(méi)有壓力。比如，一輛列車(chē)以50km/s的速度前行，5ms內(nèi)移動(dòng)0.0694m，這就剛好等于900MHZ頻段的0.2個(gè)波長(zhǎng)。

這就是預(yù)測(cè)天線的主要理論原理。

MRN是一個(gè)非常好的解決方案，但是，它同樣面臨著一些挑戰(zhàn)。

挑戰(zhàn)主要來(lái)自引入MRN產(chǎn)生的干擾。由于MRN和車(chē)廂內(nèi)的UE距離很近，所以兩者能保持很好的通信。同時(shí)，列車(chē)車(chē)廂能進(jìn)一步抑制MRN接入信號(hào)外泄，這就有效的防止了MRN與UE的接入鏈路信號(hào)對(duì)外界造成干擾。但是，MRN和eNB回程鏈路這端的問(wèn)題就比較復(fù)雜了，比如MRN與MRN之間的干擾，MRN和宏站UE的干擾。盡管，預(yù)測(cè)天線的使用可以避免一些回程鏈路的干擾，但是，是不是需要ICIC（小區(qū)干擾協(xié)調(diào)）來(lái)支持，還需要更進(jìn)一步的研究。

另外，為了解決切換問(wèn)題，多廠家對(duì)高鐵覆蓋均采用單小區(qū)多RRU級(jí)聯(lián)技術(shù)，屬于同一邏輯小區(qū)的多個(gè)RRU連環(huán)相連，構(gòu)成一個(gè)狹長(zhǎng)地帶的鐵路沿線小區(qū)覆蓋方案，從而減少切換。

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高鐵覆蓋的實(shí)際應(yīng)用

我們先來(lái)看一段視頻。





今年2月份，愛(ài)立信和臺(tái)灣工業(yè)技術(shù)研究院（工研院）攜手合作完成了一次高鐵覆蓋方案測(cè)試。該方案采用兩跳式解決方案，即在高鐵沿線部署TD-LTE大型基站，運(yùn)用TD-LTE系統(tǒng)提供無(wú)線回傳，并且在列車(chē)車(chē)廂中部部署FDD small cell，從而大幅減少傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)車(chē)廂內(nèi)高質(zhì)量的無(wú)線上網(wǎng)體驗(yàn)。

該兩跳方案原理圖如下：



鐵路沿線部署B(yǎng)38 TDD宏站（RRU級(jí)聯(lián)），列車(chē)車(chē)廂內(nèi)安裝B3 FDD small cell，用戶直接接入small cell，規(guī)避了20-30dB的傳輸損耗。列車(chē)頂部安裝一根天線，這根天線連接車(chē)廂內(nèi)的一個(gè)回傳CPE，通過(guò)這根車(chē)頂天線接收鐵路沿線TDD宏站的信號(hào)，回傳CPE對(duì)信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換，并將之傳送到車(chē)廂內(nèi)的small cell。



車(chē)廂內(nèi)的small cell 部署。 車(chē)廂內(nèi)的機(jī)房里安裝一臺(tái)回傳CPE和small cell，在乘客車(chē)廂的燈箱里部署天線。


愛(ài)立信和臺(tái)灣工研院對(duì)一條全長(zhǎng)15公里的高鐵覆蓋進(jìn)行了測(cè)試驗(yàn)證，空曠部分的宏站覆蓋采用級(jí)聯(lián)RRU，而隧道部分的覆蓋采用由工研院設(shè)計(jì)的ROF（radio over fiber）系統(tǒng)。經(jīng)過(guò)1年多時(shí)間的努力，該方案滿足了用戶在飛速行駛的列車(chē)上獲得和家里一樣的一致性體驗(yàn)。