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

2）多普勒頻偏 
高速覆蓋場景對(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）高速場景下，對(duì)切換的性能會(huì)有較大的影響。為保證用戶無縫移動(dòng)性及QoS，最基本的要求就是用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間要大于切換的處理時(shí)間，否則切換流程無法完成，會(huì)造成用戶的QoS下降甚至掉話。在高速場景下，由于UE駐留時(shí)間小于小區(qū)選擇過程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。

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)避免形成空洞和過度重疊覆蓋，特別要避免大網(wǎng)站點(diǎn)越過高鐵軌道進(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渡。

高鐵覆蓋解決辦法

為了解決高速移動(dòng)覆蓋問題，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可達(dá)400多米，車速可以達(dá)到350km/h。由于車廂信號(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線接入設(shè)備，該設(shè)備通過鐵路沿線的eNB提供無線回程鏈接。這套設(shè)備有兩套天線，一套天線用來連接eNB，而另一套天線連接車廂內(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)測天線”，這根預(yù)測天線將發(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)性無法保證。

怎么解決這個(gè)問題？可以用提前對(duì)信道預(yù)測的方法來解決，比如卡爾曼(kalman)或Wiener 模型預(yù)測。這些預(yù)測模型可以準(zhǔn)確的向前預(yù)測0.2至0.3個(gè)波長，這就意味著，900M頻段內(nèi)，在相對(duì)低速移動(dòng)的場景下，提前預(yù)測5ms完全沒有壓力。比如，一輛列車以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。

這就是預(yù)測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)主要來自引入MRN產(chǎn)生的干擾。由于MRN和車廂內(nèi)的UE距離很近，所以兩者能保持很好的通信。同時(shí)，列車車廂能進(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)）來支持，還需要更進(jìn)一步的研究。

另外，為了解決切換問題，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

我們先來看一段視頻。





今年2月份，愛立信和臺(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)提供無線回傳，并且在列車車廂中部部署FDD small cell，從而大幅減少傳輸損耗，實(shí)現(xiàn)車廂內(nèi)高質(zhì)量的無線上網(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)），列車車廂內(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。列車頂部安裝一根天線，這根天線連接車廂內(nèi)的一個(gè)回傳CPE，通過這根車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，并將之傳送到車廂內(nèi)的small cell。



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


愛立信和臺(tái)灣工研院對(duì)一條全長15公里的高鐵覆蓋進(jìn)行了測試驗(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上獲得和家里一樣的一致性體驗(yàn)。