主頁（http://www.by236.com）：破解TD高速鐵路覆蓋難題

導語：隨著鐵路列車運行速度的提高，人們在高鐵列車中使用通信工具的機會越來越多，對高速環境下通信服務的種類和質量的要求也越來越高，鼎橋提供的高鐵環境下的覆蓋解決方案，完全可以滿足這種日益增長的需求，為人們的旅行生活帶來更舒適的通信體驗。

　　隨著社會經濟的發展和科技水平的提高，高速鐵路逐漸滲透到人們的日常生活。經過2007年4月第6次大提速后，時速超過200公里的鐵路里程有6003公里，其中時速超過250公里的高速鐵路里程有846公里。規劃中的京滬高鐵的時速將達到350公里，上海磁懸浮列車時速更高達431公里。
　　根據鐵道部“十一五”規劃，中國將投資12500億元人民幣，建設17000公里鐵路新線，其中客運專線7000公里，列車時速將達到200公里至300公里以上。并計劃將來更多的投資以建成“五縱五橫十聯”的高速鐵路網絡。運動速度的提高對移動通信系統建設提出更高的要求。如何在這種高速環境中提供良好的網絡覆蓋質量，是移動運營商和移動設備商共同面對的難題。
　　不僅如此，高速鐵路的建設環境包羅萬象，除了城市和平原，還有高山、丘陵、戈壁、沙漠、橋梁和隧道。可以說涵蓋了幾乎所有的無線通信場景。所以，如何在高速移動環境下保持好的網絡覆蓋和通信質量，是對TD-SCDMA技術的挑戰。

影響高速移動通信的因素

　　高速移動狀態下的通信相比靜止狀態或低速狀態下的通信面臨更多的問題，多普勒效應和快速切換帶來的影響是高速移動環境下不得不解決的兩大難題，速度越高，影響越大，解決難度也越大，對技術的要求也越高。

1.多普勒頻率偏移

　　高速鐵路的無線傳播環境類似農村場景，反射體較少，直射路徑占優，多普勒頻率擴散現象不突出，但多普勒頻率偏移比較嚴重，以至于對UE和基站的性能有較大影響。假設基站主載頻為 ，由于UE移動導致的多普勒頻移為 ，則UE自動鎖定最佳服務小區的接收信號頻率 ，并將該頻率作為參考基準發送上行信號；UE發射的上行信號到達基站天線時，其頻率為 ，該頻率與基站主載頻的偏差為 （圖1）。多普勒頻移對基站和終端解調信號都產生影響。
　　對基站的影響：TD-SCDMA采用中間碼做信道估計，再采用估計出來的信道對兩端數據域做聯合檢測。受多普勒頻移的影響，數據域碼片與中間碼片發生較大的相位變化，從而影響數據域的符號檢測。舉例說明，當移動速度為300公里時，最大多普勒頻移 為556Hz，兩倍多頻率頻移 ＝1112Hz使得一個時隙中間的碼片與時隙兩端的碼片有556*2*360/1.28e6*(848/2)＝133度(>90度)的相位變化，這將使得時隙兩端的符號無法正確檢測。
　　對終端的影響：為了對抗由多普勒效應而產生的頻率抖動，用戶終端通過自動頻率補償A F C（Automatic Frequency Correction）技術來自動鎖定最佳服務小區的接收信號頻率，并將鎖定的頻率作為參考基準發送上行信號。不難看出，AFC算法對于減小多普勒頻移產生的影響，提高解調性能，起到至關重要的作用。但多個天線向用戶發射下行信號時（圖2），處于交界位置的UE收到的下行信號有兩倍頻偏的跳變，影響下行信號的解調性能，嚴重時甚至可能脫網。

　  
圖1 上行接收信號的多普勒頻偏

　
圖2 下行接收信號的多普勒頻偏

2.快速切換的影響

　　影響高速鐵路覆蓋的另一個因素是快速切換。假設切換區大小不變，那么移動速度越高穿越切換區的時間越短。當UE移動速度足夠快以至于穿越切換區的時間小于系統處理切換的最小時延，則切換流程無法完成，導致掉話。
　　高速移動使得切換和小區重選頻繁。合理規劃基站間重疊覆蓋區，保證良好的信號覆蓋，是保證網絡性能的重要前提。此外，要針對高速移動的特殊場景，優化切換判決條件和流程，減少切換和重選的時延，以確保快速越區切換和小區重選成功。

對癥下藥

　　針對上述主要問題的分析，為了解決高速覆蓋問題，鼎橋在提高基站接收機性能、提高切換成功率、改善覆蓋效果等方面，提出了諸多行之有效的解決方案。

1.改善接收機性能

　　對于上行信號的2倍頻偏，解決辦法是對上行接收信號進行頻偏估計和補償；對UE下行接收信號存在的頻率跳變，解決方案是NodeB端對下行發送信號進行頻偏預置，使得UE接收到的信號無頻偏。
　　為了對抗上行多普勒頻率偏移，基站接收機必須進行上行頻率糾偏功能。上行頻率糾偏對上行性能影響很大：未進行上行頻率糾偏時，300公里時速的上行性能比120公里時速惡化了約7dB，而500公里時速的頻偏導致信號無法正確解調；采用上行頻率糾偏算法之后，300公里時速的上行性能與120公里時速性能相當，而500公里時速的上行性能也有很大提升。
　　為了對抗下行頻率跳變引起的性能惡化，基站根據上行接收信號來確定下行頻率偏移的大小，然后對發送給終端的下行信號進行頻偏預置，使得下行接收信號無頻偏，從而解決頻率跳變可能引起的掉話、脫網。
　　采用專用的上行頻偏補償算法和下行頻偏預置算法，鼎橋基站支持的最大頻偏達到2000Hz，在基站信號傳播方向與終端運動方向夾角為0或180度的情況下，可以支持539公里/小時的移動速度，完全滿足現有高速鐵路的覆蓋需求。

2.提供豐富的切換解決方案

　　高速鐵路移動通信網沿著高速鐵路建設，無線基站設置為鏈狀結構；由于列車的高速行駛，頻繁跨越小區，移動通信系統必須具有快速切換的功能。該問題可以通過以下方法解決：
1、合理規劃小區間重疊覆蓋區域大小。保證將滿足切換條件的測量事件上報之后，UE有足夠的時間跨越整個重疊覆蓋區。
2、優化切換參數，及早觸發切換，減少切換時延。
3、相鄰小區考慮異頻切換優先。為避免多普勒效應引發的同頻鄰區相對頻偏會影響用戶終端的測量精確度，采用異頻切換方案更能保證通信質量。
4、擴大小區的覆蓋范圍，減少切換/重選頻率。
　　為了擴大小區覆蓋范圍，可采用基帶池＋RRU(射頻拉遠單元)＋多幅天線的網絡覆蓋方案，屬于同一小區的多幅天線沿高速鐵路部署，從而減少切換頻率以提高網絡性能。
　　這種方案中，同一小區內的天線下面不存在切換，通過相應的基帶處理，單小區可以跨越多個RRU覆蓋區，可以根據容量的需求，來合理規劃小區的覆蓋范圍。

3.組網策略

　　在高鐵覆蓋中，有專網和大網兩種組網方案。專網組網即以專用網絡覆蓋高速鐵路沿線，與大網相對獨立。大網組網即不單獨考慮高速場景的覆蓋，與其他場景合為一體統一地由室外宏蜂窩大網提供覆蓋。
　　專網組網有利于切換鏈的設計，除了在車站和列車停留區域與大網允許切換外，沿線采用鏈形鄰區設計，不與大網發生切換。可以很好保證高鐵的用戶在高速移動時切換和重選的路徑，提高通信質量；有利于應用專用于高速場景的無線資源管理算法、切換和重選策略和網絡參數值，從而更好的提高整個網絡的質量。但專網一個很大的問題是和大網的融合問題：在密集城區和列車的站點附近，是專網和大網的進出口。如何判斷由哪個網絡給用戶提供服務，如何防止用戶誤附著，以及對誤附著的用戶如何處理，是專網方案設計的難題。
　　大網方案則不用考慮誤附著等問題，且資源利用率高，成本相對低，但是大網很難兼顧一般場景和高速場景的通信需求，優化難度大。
　　針對目前TD-SCDMA網絡的應用場景，一般在普通鐵路和高速公路場景下可以考慮采用大網組網方式，在高速鐵路場景中建議采用專網方式。考慮到高速鐵路沿線覆蓋區域低速用戶很少，可以在高鐵沿線小區采用鏈形鄰區設置、專用于高速場景的無線資源管理算法，根據快速切換的需要規劃切換帶、優化切換參數。在專網大網出入口，如車站小區，可以根據移動路徑靈活規劃鄰區關系和切換帶，從而滿足切換需求。