陈秀娟



基于LTE的智慧高速公路无线专网规划

陈秀娟

广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院，广东 广州 510630

公众对高速出行需求日益多样化、个性化，且随着车联网、智能驾驶等出现，需要进行更多的车路协同及车车通信，以提升公众出行的安全水平及更愉悦的体验。这需要构建一张智慧高速公路无线专网。基于LTE的智慧高速公路无线专网规划为实现车联网、车路协同、智能驾驶等新一代信息技术打下坚实的基础。

智慧高速公路；无线覆盖；隧道覆盖

进入21世纪，信息技术发展突飞猛进，党中央、国务院做出了以信息化带动工业化、以工业化促进信息化、走新型工业化道路的战略部署。交通运输信息化是国家信息化建设的重要组成部分，是促进交通运输业发展方式转变、全面提升交通运输管理能力和服务水平的重要抓手。当前，“智慧高速”也已成为一个国家公路信息化发展的主要特征，此外，“十三五”规划已将车联网作为物联网十大重点部署领域之一，车联网有关项目已被列为我国重大专项第三专项的重要项目[1]。

近年来，公众对高速公路出行服务水平的要求也在不断提高，对运用信息化、智能化手段提升现有高速公路的管理、应急救援和公众服务水平提出了更高、更迫切的要求。要打造高速公路的专属智慧网络，就必须有良好的专用的无线网络覆盖作为基础，首先必须做好智慧高速公路的无线覆盖专题规划[2]。

1 总体建设原则

一个无线专网需满足全国高速公路的覆盖与业务需求，需要遵循以下总体建设原则[3]：

2.1 安全可靠性

安全是网络运行的基础，网络系统本身要有较高的安全性，关键设备和模块应该有冗余备份；在技术上提供先进的、可靠的、全面的安全认证方案和应急措施，确保系统万无一失；能够安全承载主要网络应用[4]。

网络设计采用冗余连接，保证重要设备和线路在故障发生时能自动切换。系统结构设计、设备选型、系统建设、网络管理需要充分考虑网络整体可靠性、可用性以及可维护性，确保网络是一个不间断的运行系统[5]。

2.2 技术先进

网络规划着眼长远发展，要具有科学性、先进性。网络设备选型应具备先进性，要具有较长的生命周期。系统硬件和软件平台要先进，应具有很强的扩展能力。

2.3 技术开放

充分考虑系统中选用的技术和设备的协同运行能力，保护现有资源和系统投资的长期效应以及系统不断扩展的需要[6]。

2.4 可扩展

由于无线通信技术飞速发展，网络设计需要保证目前业务需求，也要考虑未来网络的发展，满足当前以及未来相当一段时间内的业务需求，便于向新技术的升级和衔接，同时又需要保护原有的投资。系统应具备良好的扩展能力[7]。

2.5 可管理性

在网络不断扩展的同时，随着网络中的设备越来越多，网络的复杂性和管理的难度相应的增加。为了方便地对网络上不同厂商的设备进行集中管理，应采用统一的网管系统进行管理，实时监测网络运行状况，具有分析和统计网络指标以及故障报警功能[8]。

2.6 良好的性价比

整个网络系统能与现有网络资源良好融合，需在先进性、安全性、实用性、可靠性和稳定性以及系统投资上进行综合平衡，要求具有较优的系统性价比[9]。

2 无线网规划指标

宽带无线网络主要提供高速公路运营管理服务、高速公路出行智慧交通等服务，承载移动上网、监测监控、视频回传、图像回传、信息采集回传、信息推送等业务，结合网络业务与覆盖需求，无线专网需要确定网络规划指标：

（1）小区边缘速率：原则上下行2 Mbps，上行1 Mbps；车流小的地区下行1 Mbps，上行512 kbps；

（2）覆盖指标：在90%的覆盖概率下，信号强度RSRP不低于-105 dBm，信号质量RS-SINR不小于-3 dB；

（3）网络能力：在10 MHz带宽组网下，上下行时隙配比2：2、基站配置2天线条件下，系统单小区最大上下行吞吐量可达10 Mbps/30 Mbps；

（4）用户连接建立成功率＞95%，用户连接建立时延＜80 ms；

（5）寻呼成功率：≥95%；

（6）掉线率：≤4%；

（7）切换成功率：≥95%；

（8）切换时延：控制面切换时延＜100 ms，用户面切换时延＜50 ms。

3 链路预算

链路预算通过对无线信号在传播途径中各种影响因素的分析，估算系统的覆盖能力，在保证一定信号质量前提下，获得链路所允许的最大传播损耗[10]。

最大允许路径损耗与发射功率和无线传播损耗密切相关。除传播损耗外，建筑物所引起的阴影损耗，高建筑物的反射，天线、基站和移动台的高度以及道路、树木都将影响路径损耗的中值和偏差。在传播路径确定的情况下，下行最大路径损耗由基站发射功率以及移动台接收灵敏度来决定，上行最大路径损耗由手机发射功率和基站接收灵敏度来决定[11]。

小区覆盖半径由计算所得上下行最大允许路径损耗和覆盖的区域类型决定，一般上行链路预算是覆盖瓶颈，小区覆盖半径由上行链路预算决定。

4 高速公路覆盖技术方案

4.1 基站选址

基于建设成本、建设周期、共建共享等因素，在高速公路基站选址时，尽量利用现有的监控杆、龙门架站址，选择高速场景沿线满足覆盖要求的站点；对于没有监控杆、龙门架资源需新建杆塔的路段，选择合理的位置新增站点，并考虑站点覆盖环境未来变化的因素。基站选址遵循以下原则：

（1）交叉布站：在高速公路两边交叉布站，如果多个站点位于公路的一侧，这样如果有建筑物或者树木遮挡会造成信号覆盖较差，规划站址应尽量位于高速线路两侧，以弥补建筑物或者树木遮挡等其他因素带来的影响。

（2）S弯道：基站优先选在S型弯道突出的一侧，以便对S型弯形成良好的覆盖。这样可以方便的使扇区的方位角沿着道路的方向，加强覆盖效果。同时，如果弯度比较大的话，两个扇区的夹角可以远小于180°，这样如果必须建成三扇区基站，扇区间也不至于引起很大的干扰。

（3）基站高度：充分利用地形，站址选在较高的位置，天线高度应高于目标覆盖区，保证天线与覆盖目标区域之间可视；同时为避免相互间的干扰，防止越区覆盖，应兼顾周边基站，尽量与周边基站的天线高度相差不大。

（4）树木的影响：一般来说树木对信号的损耗约有10 dB左右，需要综合考虑不同季度树木的影响。

（5）两扇区配置：高速公路是180°的两扇区两侧覆盖。

（6）基站选址应避开水涝淹灌、断层土坡边缘易塌方的地方。

4.2 小区合并

高速公路覆盖场景为线性覆盖，一个站点设置两个扇区，如下图所示，采用BBU+RRU 组网方式将多个相邻站点RRU 合并成一个小区，扩大单个小区覆盖范围，增加终端在小区内的驻留时间，减少切换，增加随机接入成功率，提高承载速率。此外，在小区覆盖边缘，还需要增加覆盖交叠区，有利于切换成功率的提高。采用BBU+RRU 组网方式组网方式，可以在满足网络容量的情况下，加大了基站的覆盖范围，减少了eUE频繁切换带来的掉线问题。

图1 小区合并组网示意图

高速公路车辆最高限速为120 km/h，相邻基站应保证有一定的切换区间，本专网规划取小区覆盖半径的1/4作为切换区间，以保证终端的漫游切换。

高速公路小区合并的RRU数量，应结合业务覆盖切换需求及设备能力综合考虑。

4.2.1 RRU级联限制

根据主设备厂家调研情况，RRU可支持四级级联，一般应用建议三级级联，光口支持RRU拉远10 km。在小区不合并时，通过三级级联，最远的RRU距离BBU可达30 km；小区合并时，受传输性能限制，最远的RRU距离BBU不能超过14 km。

在BBU机房选择时，一般优先共用高速公路现有的收费站机房，在部分高速路段，收费站机房间距超过28 km，单向超过14 km。在高速公路覆盖中，由于车速较快，若不进行小区合并，会造成终端切换频繁引起掉话，增大系统开销，降低承载速率；同时，小区数也会增多，对BBU基带板需求增大，会增加BBU设备的采购成本。因此，高速覆盖一般采用小区合并方式。受小区合并下RRU级联距离不超过14 km的限制，在收费站间距超过28 km，单向超过14 km，中间RRU数量较多时，建议在远端新增BBU，机房建议采用低成本的一体化户外柜方式。

4.3 天线选择

高速公路覆盖一般采用前后比小的两单元线阵双极化定向天线，常用的天线增益为17dBi，水平波瓣角为45°。对于道路弯曲幅度较大，可以采用水平波瓣角度稍大的定向天线覆盖。

4.4 参数设置

高速公路一般只需要设置左右两个邻区，邻区测量数量较少，有利于提高切换成功率。在设置系统参数时，简化切换关系，降低切换和重选的启动门限，减少切换滞后时间，提高切换速度；对于可能发生乒乓切换的区域，开启定向切换算法或设置为同一小区。应开启设备厂家频偏估计和补偿算法，满足高速公路场景下eUE和eNode B的解调性能需求。此外，还需设置邻区之间合适PCI，避免PCI冲突和混淆引起掉话。

4.5 位置区设置

为了减少终端在位置区间的切换，尽量将高速公路的站点设置为同一个位置区，如需设置多个位置区，可以把位置区设置在服务区、收费站、车站等区域，尽量避免将位置区边缘设置在高速中间区域的情况。

4.6 高速公路隧道覆盖

对于高速公路隧道TD-LTE无线网覆盖，应结合隧道的长度、隧道截面积大小、隧道外部信号的覆盖等具体情况相关覆盖解决方案。

短隧道一般采用定向天线进行隧道覆盖，在隧道口设置基站，用普通的定向天线向隧道里覆盖。当单根天线不足于覆盖整个隧道时，可以采用从隧道两侧各用一个天线同时打向隧道覆盖的方式。

对于较长的隧道，一般有定向天线和泄漏电缆两种覆盖方案。

（1）定向天线方案

通常的做法是在隧道口两侧各用一副定向天线打向隧道，在隧道的墙壁上沿每个站点安装两副定向天线，覆盖前后方向。常见的隧道覆盖可直接选用17dBi增益、尺寸较小的室外天线，以扩大覆盖范围。这种覆盖方案设计比较灵活、价格较低，但覆盖信号分布不够均匀，安装条件有时会受到限制。

图 2 定向天线隧道覆盖方案

（2）泄漏电缆方案

信号源通过泄漏电缆把信号传送到隧道内各个区域，同时通过泄漏电缆外导体上的一系列开口，在外导体上产生表面电流，从而在电缆开口处横截面上形成电磁场，把信号沿电缆纵向均匀地发发射出去和接收回来。采用泄漏电缆方案，隧道内信号分布比较均匀，但建设成本较高。

图3 泄漏电缆隧道覆盖方案

定向天线和泄漏电缆覆盖方案对比如下表所示。

表1 定向天线与泄漏电缆方案对比

综合考虑覆盖需求与投资建设成本，本专网隧道覆盖建议优先采用定向天线覆盖方案。本方案在设计时可考虑隧道内进行小区合并，减少隧道内切换，减少干扰；同时应注意隧道内外基站规划，以保证覆盖隧道内的小区和隧道外宏站的良好切换。

5 结束语

智慧高速公路是随着信息时代发展进步的新产物，对智慧高速公路做专题覆盖，目的是为实现车联网、智能驾驶等先进技术打下坚实基础，让高科技更加安全地为民众服务。随着高速公路的互联网业务需求日益增多，如何完善高速的网络覆盖，提升网络质量，安全性成为重要研究的问题，也是未来5G网络要考虑的问题。本文通过对阐述基于LTE的智慧高速公路无线专网覆盖技术方案，从基站选址、小区合并、天线选址、参数和位置区设置以及隧道覆盖等方面进行介绍，指导智慧高速公路网络建设。

[1]明政.浅谈移动通信无线信号在高速公路隧道覆盖技术[J].通信世界，2017（5）：135.

[2]钟如鹏.LTE800M高速公路覆盖方案[J].信息通信，2017（1）：235-236.

[3]侯宇坤.LTE高速公路覆盖解决方案[J].电子世界，2016（18）：170-171.

[4]魏小军.高速公路通信网络规划的几点思考[J].电子测试，2016（5）：69-70.

[5]李威，安朋朋，秦会峰.山东联通高速公路网络覆盖专题研究[J].移动通信，2015（19）：50-56.

[6]王晓凡，修凯斌.隧道内无线信号覆盖问题研究[J].硅谷，2015（4）：67,79.

[7]付道繁.移动通信无线信号在高速公路隧道覆盖技术[J].中国新通信，2014（2）；120-122.

[8]杨金素，高博文，徐永军.高速公路优化解决方案[J].移动通信，2014（6）：14-18.

[9]董睿韬，陈小波.高速公路隧道无线覆盖规划设计[J].移动通信，2013（22）：44-48.

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[11]张平刚.WCDMA高速公路网络覆盖分析与解决[J].科技创新与应用，2013（2）：32-35.

Intelligent Highway Wireless Network Planning Base on LTE

Chen Xiujuan

Guangdong planning and Design Institute Co., Ltd., Telecom consulting and Design Institute, Guangdong Guangzhou 510630

Public demand for high-speed travel increasingly diverse, personalized.And with the advent of car networking, intelligent driving, etc., need to carry out more road vehicle coordination and vehicle communication, in order to improve the safety level of the public travel and more enjoyable experience.This requires the construction of a smart highway wireless network. Intelligent highway wireless network planning base on LTE lay a solid foundation for the realization of the car networking, vehicle road coordination，intelligent driving and other new generation of information technology.

Intelligent highway; wireless coverage; tunnel coverage

U285.21；TN929.5

A

1009-6434（2017）04-0064-04

陈秀娟：工程师，硕士学位获取于华南理工大学，学士学位毕业于五邑大学，现任职于广东省电信规划设计院有限公司电信咨询设计院，主要从事无线网络规划和咨询工作。