1.引言
高鐵一般行駛速度在300 km/h以上，這種情況下多普勒頻移效應非常明顯，主要表現在接收機接收信號頻率和發射機發射信號頻率差別很大，這容易導致接收機解調信號出錯，因此需要基站側去維護所有UE有效歷史頻偏值，利用該CP(Cell Portion:組成超級小區前的每個小區)上維護的上行有效頻偏值確定下行的頻偏補償[1]，從而保證終端解調出的信號準確。高鐵會經過城市和農村，城市高鐵速度低，為低速模式，一般車速在120km/h以下均為低速模式，在農村為高速模式，列車速度在120km/h~350km/h之間，在城市低速場景，可以按照公網策略配置，即一般宏站配置，而農村為高速場景，需要按高速場景策略配置。
2.主要策略
2.1.高鐵分場景策略研究
2.1.1高鐵多頻組網場景策略研究
以國內某地市電信為例，目前高鐵多采用雙頻[2]（1.8G+2.1G）或者3載頻組網（800M+1.8G+2.1G），個別高鐵線路為單頻網。其中800M帶寬為5M，1.8G為15M，2.1G為20M，800M頻率低，但是由於其帶寬比較小則下載速率比較低；1.8G和2.1G的頻段高，傳播損耗較800M大，但帶寬寬業務速率較高。為此針對高鐵多頻、雙頻以及單頻覆蓋場景，需要對互操作策略進行研究，因此可以按以下三種場景進行研究。
1.沒有800M站點即1.8G和2.1G雙頻組網場景。
對於1.8G+2.1G組網，首先確定作為高鐵主覆蓋的頻點，兩個頻點在語音和數據承載上不區分主次，語音和數據業務的策略相同，均選擇覆蓋較好，干擾較低的小區，帶寬較高的頻點作為高鐵的主覆蓋頻點，這樣對於用戶的感知相對更好。該地市高鐵線路2.1G站點較1.8G站點多，又因為1.8G更容易受到公網小區信號的干擾，且2.1G帶寬較1.8G帶寬大，因此要求1.8G與2.1G間互操作策略要求易進難出。又因為空閒態用戶不涉及業務，且通過頻點重選優先級和異頻測量門限很容易實現用戶佔用到想要的頻點上，因此下文重點對連接態策略進行研究[3]。
在連接態上實現1.8G到2.1G易出難入的策略，兩個頻點間的切換均可以採用A3事件觸發，通過配合異頻測量A2門限、A3 offset與hysteresis和頻率偏移來實現用戶優先在2.1G上進行業務。具體側移動性策略如下：
1.8G到2.1G：異頻測量啟動門限A2=-80，異頻測量關閉門限A1=-75，A3 offset與hysteresis均設置1dB，1.8G到2.1G的頻偏為4，則2.1G比1.8G低2db就切換。
2.1G到1.8G：異頻測量啟動門限為A2=-100，異頻測量關閉門限A1=-95，A3 offset與hysteresis均設置1dB，2.1G到1.8G的頻偏為0，則1.8G比2.1G高2db就切換。雙頻網移動性策略如圖1所示：
圖1 1.8G和2.1G雙頻網移動性策略門限示意圖
2.有800M站點即800M、1.8G和2.1G三頻組網場景
國內電信基本已明確800M網絡會主要用於承載VoLTE語音業務，目前已經開始在高鐵線路部署800M網絡，800M帶寬小，對於高鐵數據用戶來說，感知明顯差於1.8/2.1G,為發揮800M網絡承載Volte語音的作用，通過互操作策略實現語數分層。同雙頻組網研究，下文也重點對連接態策略進行研究[4]。
對於連接態的用戶，區分數據和語音，則需要綜合考慮如下三方面策略。①當高鐵上需要將語音用戶獨立區分出來並且切換到800M網絡上。②語音用戶在800M上掛機後，此時僅存在數據業務，需要快速從800M網絡返回1.8/2.1G。③普通數據業務不能切到800M上。考慮到這三方面內容，互操作策略制定如下：
（1）在1.8/2.1G小區上做業務的volte語音用戶，通過基於QCI業務的切換策略將Volte語音用戶切換到800M小區，例如設置800M信號強度大於-90dBm；而讓數據用戶不能切換到800M，將數據業務門限要求服務載頻低於-130dBm，800M載頻高於-50dBm才切換。
（2)在800M的語業務，對於800M連續覆蓋區域需要保持在800M，此時通過800M基於語音的A2設置為-130dBm來實現不向1.8/2.1G切換，而對於800M和1.8G/2.1G交界區域要求很容易切換回1.8/2.1G小區上，通過800M基於語音A2設置為-100dBm，且要求800M信號強度低於-105dBm，1.8G/2.1G信號強度大於-95dBm才切換去。
（3）在800M小區上的普通數據業務，設置A2門限為-70dBm，則1.8/2.1G小區門限只要高於-110dBm就切換去。相應的A5-1門限為-50dBm，A5-2門限為-110dBm，當1.8/2.1G覆蓋滿足-110dBm時就容易切回。三頻網移動性策略如下圖2所示：
圖2 800M、1.8G和2.1G三頻網移動性策略門限示意圖
2.1.2城市和農村場景策略研究
城市場景顧名思義高鐵站點在城市裡面，這裡高鐵軌道錯綜複雜，車輛交匯處多，此段路高鐵速度不高，且人口稠密，高鐵專網站點通常也會吸收很多普通用戶，因此這些高鐵站點負荷高，這種場景定義為城市場景。由於城市場景高鐵專網站點負荷高，因此不建議不同物理站間合併為超級小區，只合並同物理站址小區為超級小區，這些城市場景高鐵專網站也被定義為低速模式，不用考慮多普勒頻移。這種場景除了需要特別考慮PCI和PRACH參數按照高鐵專網規劃外，其他參數和公網參數設置一致。
農村場景則高鐵站點在農村或城市郊區，這裡環境一般比較空曠，人口較少，因此這些高鐵站點負荷一般都不高，這裡車速也比較快，這種場景定義為農村場景。由於車速快則需要考慮多普勒頻移，這些高鐵站點需要開通下行頻率補償功能；另外這種場景高鐵站點小區負荷一般不高，不同物理站址間的多個小區可以合併為一個超級小區；另外由於車速快，也需要保證站點間及時切換[5]，此時切換事件發生到上報的時間差可以設置的小些，例如公網站點配置為160ms，這些高速高鐵站可以配置為64ms，加快切換進行，保證用戶感知。
2.1.3隧道場景策略研究
隧道根據長度的不同，可具體劃分為長距離隧道、中距離隧道和短距離隧道。其中長度大於1km隧道為長距離隧道，長度在0.5km和1km之間隧道為中距離隧道，長度小於0.5km的隧道為短距離隧道。隧道里面一般優先使用RRU+洩漏電纜方式來覆蓋，而短距離隧道也可以使用高增益定向天線來覆蓋，另外高鐵隧道里面多個物理站點小區可以組合為一個超級小區，但是需要避免小區間切換帶位於隧道口，也就是說覆蓋隧道出口的小區與覆蓋隧道內的小區需要合併為超級小區。
2.1.4高鐵多頻網分場景應用
（1）選取某地市高鐵專網有800M覆蓋線路部署了三頻組網互操作策略以及語數分層策略，從Volte語音路測數據統計看，終端主要佔在2.1G頻點上，其次佔在1.8G頻點上，佔用800M採用點最少，因為該高鐵線路也僅個別站點有800M，且是通過基於語音切換功能切換到800M小區上，這與我們部署的策略一致。如圖3所示：
圖3 800M、1.8G和2.1G各頻點採樣點數統計圖
（2）另選取其他地市沒有800M，僅有1.8G和2.1G高鐵覆蓋區域部署了雙頻組網策略，從Volte語音路測數據統計看，終端也主要佔在2.1G頻點小區上，其次是1.8G頻點小區上，這與我們的移動性策略一致。如圖4所示：
圖4 1.8G和2.1G各頻點採樣點數統計圖
2.2.高鐵下行用戶頻偏補償
2.2.1多普勒頻偏
接收到的信號的波長因信號源和接收機的相對運動而產生變化，稱作多普勒效應[6]。多普勒效應將會使接收機接收的信號和發射機發射信號產生頻率偏差，在高速移動的高鐵場景中，這種多普勒頻偏效應將會更加明顯，從而使接收機解調信號出錯，這不僅會影響接入成功率和切換成功率等指標，還會影響系統容量和上下行覆蓋，因此多普勒頻偏問題需要得到解決。
2.2.2多普勒頻偏方案
對於高鐵頻偏問題，基站通過符號內和符號間這兩個頻偏補償過程來解決。其中符號間頻偏補償主要利用頻偏在時域上產生一個線性相位變化的特點進行相位糾正；而對於符號內頻偏補償，基站主要通過頻域濾波的方法，該方法不僅僅能夠很好的及時跟蹤高鐵多普勒頻偏的變化，而且能夠有效的消除由於頻偏造成的UE內和UE間相互干擾問題，尤其是解決了高速場景下大頻偏帶來的物理層解調性能的急劇惡化的問題。
為了進一步提高頻偏的解決能力，避免由於頻偏的突變造成頻偏跟蹤能力的降低，基站還會採用捕捉到的瞬時頻偏值進行再次補償，解決了預補償頻偏值與實際瞬時頻偏值存在差異下的補償性能下降的問題。從仿真和實際測試結果表明，基站現有的頻偏補償方案，能夠很好的解決中高碼率下大頻偏帶來的解調性能惡化的問題。如圖5所示：
圖 5 頻偏解決方案性能圖（中碼率）
採用該補償方案，當頻偏值為850Hz的時候相比理想情況不到0.1dB的損失，當頻偏值為1500Hz時也僅僅有0.2dB左右的損失。現有的頻偏補償方案，對於高碼率下的大頻偏問題也有極佳的性能。如圖6所示：
圖 6 頻偏解決方案性能圖（高碼率）
採用該補償方案，當頻偏值為1200Hz時，也僅僅有0.2dB左右的損失。基於仿真數據的結果，可以得出基站能夠很好的解決高鐵場景大頻偏的問題，解決了由於大頻偏而導致系統性能的地板效應，從而提升了基站的吞吐量。該頻偏補償功能主要應用在高鐵場景，解決了高鐵由於高速移動而產生的多普勒頻移問題。
2.2.3下行用戶頻偏補償應用
基站利用每個CP上維護的所有UE有效歷史頻偏值，利用該CP上維護的上行有效頻偏值確定下行的頻偏補償，同時基站根據每個CP的正負頻偏值即當頻偏高於一定的值時，開啟該功能，當列車會車時不進行相關的頻偏補償。當某個CP激活了下行頻偏預補償之後，需要持續監測該CP上所維護的所有ＵＥ的上行頻偏值，一旦不滿足下行頻偏預補償的激活條件或存在列車過車時候，則立即停止該CP的下行頻偏預補償。
頻偏補償功能打開後，對於高鐵專網上的高速用戶來說，通過基於後臺網管指標統計評估,頻偏補償範圍多在300Hz以上。頻率補償統計結果如圖7所示：
圖7 下行頻偏補償統計次數示意圖
2.3基於速度的用戶遷入/遷出功能
2.3.1專網和公網小區速度識別原理
高鐵專網小區利用基站的測量信息快速變化的趨勢性，結合高鐵專網超級小區[7]組網特點，同時考慮高鐵列車UE最大時速對應的多普勒頻移變化範圍，確定UE的移動狀態，即如果測量值快速變化且具有方向性的變化，並且有較大的多普勒頻移峰值時，判斷為高速UE。反之，如果UE測量值變化較慢，並且多普勒頻移值峰值較小，則判定為低速UE。
公網小區利用基站綜合UE在一定時間門限內的切換次數、小區駐留時間以及多普勒頻 移等多個因素，確定UE的移動速度狀態。
2.3.2遷入/遷出功能原理
高鐵專網小區除了接納高鐵車上的用戶，還會接納部分高鐵沿線公網用戶。當公網用戶數較多時，其佔用專網資源就多，從而導致高鐵專網用戶感知度下降；當公網用戶數佔用資源超過系統容量時會導致高鐵專網用戶接入不了。針對以上問題，採用基於低速用戶遷出專網功能，即在高鐵專網中，識別出UE的移動速度。對於高鐵專網小區中的高速用戶，在高鐵專網小區進行駐留；而對於高鐵專網小區中的低速用戶，需要切回到高鐵沿線公網小區。高鐵專網小區到沿線公網小區配置了雙向鄰區，高鐵上的UE被誤判為低速UE且公網信號強度滿足一定條件時，會被誤切換到沿線公網；由於公網不支持高速移動場景而影響高速UE感知，因此：要求高鐵沿線公網小區識別高速UE，在公網小區配置公網到專網的鄰區，將識別出的高速UE遷回到沿線專網小區。如圖8所示：
圖8 遷入遷出功能原理示意圖
2.2.3基於速度遷入/遷出功能應用
對於專網中識別出來的低速用戶，除了正常下發專網小區的同頻/異頻測量外，還會下發公網頻點的A4測量，使得低速用戶儘快切回公網，低速遷出適用於專、公網是異頻組網的場景，同頻組網UE一般要求駐留在最強小區，否則會存在強幹擾，所以不適合低速遷出。考慮到專網中速度識別相對可靠 ，所以，在專網將低速用戶切到公網時，會將低速指示帶給公網，保證此UE不會再被乒乓切換回專網。
基於速度遷入/遷出功能打開後，對於高鐵專網上的高速用戶來說，通過基於後臺網管指標統計評估,在沒有打開該功能時基於移動速度小區切換次數為零，該功能打開後才有基於速度小區切換次數統計值。如圖9所示：
圖9 基於移動速度小區切換成功次數統計示意圖
2.4.基於高速的用戶調度增強
2.4.1高速用戶調度增強原理
上一節已知道高鐵專網識別高速用戶的原理，為了保障高速用戶的感知，高鐵專網站點[8]還需要支持高速用戶優先調度功能，即在保證高速用戶和低速用戶最低QoS需求的基礎上，也即GBR承載的GBR速率和Non-GBR承載的MinBR（下行）/PBR（上行）得到滿足的基礎上，將剩餘資源優先分配給高速用戶。
2.4.2高速用戶調度增強應用
某地市開啟用戶調度增強後，在最大激活用戶數，下行終端數據量和下行終端使用的RB數方面，高速用戶使用佔比比低速用戶使用佔比高很多，提升了高速用戶的感知。高速最大激活用戶數佔比為86%，低速最大激活用戶數佔比為14%；如圖10所示：
圖10 高低速最大激活用戶數佔比統計示意圖
下行高速終端使用的RB數佔比為77%，下行低速終端使用的RB數佔比為23%。如圖11所示：
圖11 下行高低速終端使用RB數佔比統計示意圖
下行高速終端的數據量佔比為63%，下行低速終端的數據量佔比為37%；如圖12所示：
圖12 下行高低速終端的數據量佔比統計示意圖
3.結束語
針對高鐵沿線複雜多變的環境，本文從互操作策略參數研究制定出發，重點對不同場景下策略參數進行研究和驗證。一方面對互操作策略參數和volte業務和數據業務分層策略進行分析研究，另一方面又對一些特性功能：高速用戶下行頻率補償，高速用戶遷入高鐵專網和低速遷出高鐵專網以及高速用戶調度增強等進行了驗證。最後，通過互操作策略參數和特性功能部署一起來提升高速用戶volte業務和數據業務的感知，為後續高鐵專網複雜多變環境用戶感知的提升提供良好的理論和實踐依據。
參考文獻
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