高鐵已成為現代社會非常重要的交通工具，隨著移動通信技術的發達，人們隨時隨地需要高品質的無線上網體驗。然而，如何在高鐵上滿足人們的上網需求已成為一大挑戰，高速移動通信在高鐵上的應用在全世界都還是一個待進一步開發的技術。
高鐵覆蓋面臨的挑戰
高鐵覆蓋主要面臨如下挑戰：
1）車體穿透損耗大
高速列車採用密閉式廂體設計，增大了車體損耗。各種類型的CRH列車具有不同的穿透損耗，中興通訊對各種主要客運車型的損耗情況進行了詳細測試，綜合衰減值如表1所示。
2）都卜勒頻偏
高速覆蓋場景對 LTE系統性能影響最大的是都卜勒效應。接收到的信號的波長因為信號源和接收機的相對運動而產生變化，稱作都卜勒效應。在移動通信系統中，特別是高速場景下，這種效應尤其明顯。
3）高速影響性能
在UE（用戶設備）高速場景下，對切換的性能會有較大的影響。為保證用戶無縫移動性及QoS，最基本的要求就是用戶通過切換區域的時間要大於切換的處理時間，否則切換流程無法完成，會造成用戶的QoS下降甚至掉話。在高速場景下，由於UE駐留時間小於小區選擇過程，還容易出現脫網、小區選擇失敗等網絡問題。
4）公網和高鐵覆蓋專網相互影響
高鐵覆蓋作為FDD LTE公網覆蓋的一部分，必須考慮高鐵覆蓋專網和公網之間的相互影響。專網和公網之間應避免形成空洞和過度重疊覆蓋，特別要避免大網站點越過高鐵軌道進行覆蓋。要做好公網、專網間切換、重選等關係，確保相互之間的正常過渡。
高鐵覆蓋解決辦法
為了解決高速移動覆蓋問題，3GPP R12提出了MRN（Mobile Relay Node，移動中繼節點）。
MRN可以廣泛的應用於高鐵，我們知道一列高鐵長可達400多米，車速可以達到350km/h。由於車廂信號衰減和高速移動，高鐵上往往信號差、網速慢、且手機還超耗電。
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備，該設備通過鐵路沿線的eNB提供無線回程連結。這套設備有兩套天線，一套天線用來連接eNB，而另一套天線連接車廂內的所有UE。
從上圖中可以看到，前面的一根天線叫「預測天線」，這根預測天線將發揮關鍵的作用。
在LTE系統中，UE會周期性的上報信道狀態信息 （ Channel State Information, 簡稱 CSI), 對信道進行估計並快速反饋給eNB，這個反饋時延要求不小於5ms。在高速移動環境下信道變化很快，信道估計的信令開銷會很大，並且由於UE反饋的時延，信道估計的實時性無法保證。
怎麼解決這個問題？可以用提前對信道預測的方法來解決，比如卡爾曼(kalman)或Wiener 模型預測。這些預測模型可以準確的向前預測0.2至0.3個波長，這就意味著，900M頻段內，在相對低速移動的場景下，提前預測5ms完全沒有壓力。比如，一輛列車以50km/s的速度前行，5ms內移動0.0694m，這就剛好等於900MHZ頻段的0.2個波長。
這就是預測天線的主要理論原理。
MRN是一個非常好的解決方案，但是，它同樣面臨著一些挑戰。
挑戰主要來自引入MRN產生的幹擾。由於MRN和車廂內的UE距離很近，所以兩者能保持很好的通信。同時，列車車廂能進一步抑制MRN接入信號外洩，這就有效的防止了MRN與UE的接入鏈路信號對外界造成幹擾。但是，MRN和eNB回程鏈路這端的問題就比較複雜了，比如MRN與MRN之間的幹擾，MRN和宏站UE的幹擾。儘管，預測天線的使用可以避免一些回程鏈路的幹擾，但是，是不是需要ICIC（小區幹擾協調）來支持，還需要更進一步的研究。
另外，為了解決切換問題，多廠家對高鐵覆蓋均採用單小區多RRU級聯技術，屬於同一邏輯小區的多個RRU連環相連，構成一個狹長地帶的鐵路沿線小區覆蓋方案，從而減少切換。
高鐵覆蓋的實際應用
我們先來看一段視頻。
今年2月份，愛立信和臺灣工業技術研究院（工研院）攜手合作完成了一次高鐵覆蓋方案測試。該方案採用兩跳式解決方案，即在高鐵沿線部署TD-LTE大型基站，運用TD-LTE系統提供無線回傳，並且在列車車廂中部部署FDD small cell，從而大幅減少傳輸損耗，實現車廂內高質量的無線上網體驗。
該兩跳方案原理圖如下：
鐵路沿線部署B38 TDD宏站（RRU級聯），列車車廂內安裝B3 FDD small cell，用戶直接接入small cell，規避了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的一個回傳CPE，通過這根車頂天線接收鐵路沿線TDD宏站的信號，回傳CPE對信號進行轉換，並將之傳送到車廂內的small cell。
車廂內的small cell 部署。 車廂內的機房裡安裝一臺回傳CPE和small cell，在乘客車廂的燈箱裡部署天線。
愛立信和臺灣工研院對一條全長15公裡的高鐵覆蓋進行了測試驗證，空曠部分的宏站覆蓋採用級聯RRU，而隧道部分的覆蓋採用由工研院設計的ROF（radio over fiber）系統。經過1年多時間的努力，該方案滿足了用戶在飛速行駛的列車上獲得和家裡一樣的一致性體驗。
圖片資料來源：愛立信
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