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高速公路场景TD—LTE网络建设及优化 [复制链接]

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发表于 2013-6-11 19:59:22 |显示全部楼层
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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。

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