主頁（http://www.by236.com）：TD-SCDMA系統(tǒng)高速鐵路覆蓋的解決方案探討 1 引言隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展和科技水平的提高，高速鐵路慢慢滲透到人們的日常生活。經(jīng)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(guī)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430多公里。如何在這種高速環(huán)境中提供良好的網(wǎng)絡覆蓋質(zhì)量？這給移動通信系統(tǒng)在技術(shù)上提出了更高的要求，特別是在無線傳輸信道方面，高速鐵路與普通鐵路有較大的差別，從而對移動通信系統(tǒng)的傳輸可靠性的研究帶來了新的課題，也是移動運營商和移動設備商共同面對的難題。 本文對高速移動環(huán)境下TD-SCDMA網(wǎng)絡覆蓋中面臨的主要問題加以分析，并給出了一些解決方案。 2 高速鐵路環(huán)境下TD-SCDMA網(wǎng)絡面臨的問題 高速鐵路環(huán)境下影響TD-SCDMA鏈路性能和系統(tǒng)性能的主要因素有：多普勒頻率偏移、快速切換問題和智能天線賦形問題。另外，相對于900M頻段的GSM或GSM-R來說，TD-SCDMA工作于2G頻段，其多普勒效應更加嚴重，且路徑損耗和穿透損耗亦變大。 2.1 多普勒頻率偏移 高速鐵路的無線傳播環(huán)境類似農(nóng)村場景，反射體較少，直射路徑占優(yōu)，多普勒頻率擴散現(xiàn)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 圖 1 TD-SCDMA時隙結(jié)構(gòu) 圖2 UE向基站靠近過程中，基站/UE的發(fā)送/接收信號的頻率 2.2 快速切換 影響高速鐵路覆蓋的另一個因素是快速切換。UE高速移動導致UE穿越切換區(qū)的時間變短。當UE移動速度足夠快以至于穿越切換區(qū)的時間小于系統(tǒng)處理切換的最小時延，則切換流程無法完成，導致掉話。在高速鐵路旁的共站小區(qū)中，小區(qū)的切換帶往往較小且距離基站較近，極容易導致切換失敗。 2.3 智能天線賦形 智能天線的原理是通過利用上行信道得到的EBB權(quán)值實時生成主瓣指向目標用戶的波束，從而實現(xiàn)目標用戶接收信號功率最大化。由于下行的波束賦形是基于TDD系統(tǒng)上下行信道的互易性，因而依賴于上行的信道估計結(jié)果，隨著速度的提高其賦形增益也會下降。 2.4 功率控制和同步控制 在高速鐵路環(huán)境下，非衰落或衰落較小的直射徑占優(yōu)，即接收端信號電平主要受路徑損耗的影響；此時功控的主要目的是為了補償路徑損耗。而路徑損耗的變化較慢，故功率控制的壓力較小。比如高速列車在300kmph時速時，每秒運行83米，當UE與基站的最小距離為100米時，按照COST231模型路損計算公式，路損的變化為9dB，遠遠小于200Hz功率控制命令字的范圍；每秒83米的移動速度對應0.35碼片的時間偏移，由于同步控制命令字的頻率為200Hz，故同步的壓力亦非常小。 3. 解決方案 針對上述主要問題的分析，我們主要從接收機算法、快速切換、組網(wǎng)策略等方面加以改進，以提高高速鐵路環(huán)境下無線鏈路和系統(tǒng)的性能。 3.1 接收機算法 3.1.1 多普勒頻率偏移補償 為了對抗多普勒頻率偏移，基站接收機必須進行頻率糾偏。在多普勒頻率擴散不嚴重的情況下，頻率糾偏可以獲得很大的性能提高。比如在200～300公里時速情況下，頻率糾偏可以使得鏈路性能損失很小。 在具體實現(xiàn)中，基站基于接收信號估計接收信號的相位旋轉(zhuǎn)速度，并對其進行相應校正，以消除或減弱多普勒頻率偏移對鏈路性能的影響。針對UE移動速度變化較慢的特點，可以用多子幀的測量結(jié)果作平均得到UE的運動速度，以提高估計精度和頻率糾偏的性能。 3.1.2 信道譯碼器輸入比特的加權(quán) 在一個時隙中，中間碼用于信道估計，在多普勒頻率偏移較嚴重的環(huán)境下，離中間碼較近的比特比較可靠，而離中間碼較遠的比特則相對不可靠。這樣，可以對離中間碼較近的比特賦予較大權(quán)值，對離中間碼較遠的比特賦予較小權(quán)值，然后再輸入信道譯碼器，從而使得相對可靠的比特對譯碼的影響較大，相對不可靠的比特對譯碼的影響較小。 3.1.3 智能天線賦形 在高速鐵路的場景下，用戶都是集中在車內(nèi)，且對于基站而言呈線狀分布，基本上都處于窄波束的覆蓋角度內(nèi)，因此可以使用固定的下行賦形權(quán)值矢量，使得小區(qū)的覆蓋為帶狀，而不建議采用實時計算的方法。從帶狀覆蓋的特點來說，天線易選擇水平波瓣角窄（45度左右），垂直波瓣角稍寬（10度）和增益高的天線（15dBi或以上）。 3.2 快速切換 高速鐵路移動通信網(wǎng)沿著高速鐵路建設，無線基站設置為鏈狀結(jié)構(gòu)；由于列車的高速行駛，頻繁跨越小區(qū)，移動通信系統(tǒng)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、加大基站的覆蓋范圍，減少切換頻率。 2、優(yōu)化切換參數(shù)，及早觸發(fā)切換，減少切換時延。 3、小區(qū)分裂方法，所謂小區(qū)分裂，就是為每個基站僅配置一個小區(qū)，通過功分器引入兩幅天線，分別覆蓋鐵路兩個相反的方向，將一個小區(qū)分裂為兩個扇區(qū)。由于只有一個小區(qū)，因此基站天線下面不存在切換，規(guī)避了切換區(qū)過小的問題。這種小區(qū)分裂的方法非常適用于基站距離鐵路近，兩個扇區(qū)交迭區(qū)域小的場合。 4、隨著RRU的出現(xiàn)，出現(xiàn)了BBP(基帶池)+RRU(射頻拉遠單元)+多根天線的網(wǎng)絡覆蓋方案，屬于同一小區(qū)的多根天線沿高速鐵路部署，可以增大小區(qū)的覆蓋范圍，減少切換頻率。對下行處理，BBP將從Iub口來的用戶數(shù)據(jù)經(jīng)過相應物理層算法變?yōu)榇a片速率的基帶數(shù)據(jù)并通過光纖發(fā)送給RRU，RRU將碼片速率的基帶數(shù)據(jù)調(diào)制到射頻頻段并通過天線發(fā)送；對上行處理，RRU將從天線接收的射頻信號下降頻解調(diào)到碼片速率的基帶數(shù)據(jù)并通過光纖發(fā)送給BBP，BBP將碼片速率的基帶數(shù)據(jù)經(jīng)過相應物理層算法變?yōu)橛脩魯?shù)據(jù)并通過Iub接口發(fā)送給RNC。 3.3 組網(wǎng)策略 高速鐵路的覆蓋可以采用大網(wǎng)形式或?qū)＞W(wǎng)形式。在頻率規(guī)劃中，如果頻率資源允許，相鄰的小區(qū)最好使用異頻，以減少小區(qū)間的同頻干擾，特別是切換過程中相鄰小區(qū)的互干擾。 3.3.1 大網(wǎng)組網(wǎng) 大網(wǎng)組網(wǎng)即不單獨考慮高速場景的覆蓋，與其他場景合為一體統(tǒng)一地由室外宏蜂窩大網(wǎng)提供覆蓋。大網(wǎng)覆蓋的特點是網(wǎng)絡建設和規(guī)劃不需要另外考慮，難點是后期的優(yōu)化，特別是在緩沖區(qū)或高速路線經(jīng)過的較為復雜的地理環(huán)境。在普通鐵路和高速公路場景下可以考慮采用大網(wǎng)組網(wǎng)方式，但在高速鐵路場景中不建議采用該方式。 3.3.2 專網(wǎng)組網(wǎng) 專網(wǎng)組網(wǎng)即以專用網(wǎng)絡覆蓋所要解決的高速鐵路沿線，專用網(wǎng)絡與大網(wǎng)相對獨立，除了在停車站臺，候車廳等旅客上下車和列車停留地方作為緩沖區(qū)與大網(wǎng)相互允許切換外，沿線禁止與大網(wǎng)發(fā)生切換。專網(wǎng)組網(wǎng)的網(wǎng)絡建設和規(guī)劃需要另作考慮，后期的網(wǎng)絡優(yōu)化則相對簡單，只需要考慮緩沖區(qū)內(nèi)與大網(wǎng)之間的優(yōu)化。除緩沖區(qū)外，沿線覆蓋組成一個帶狀覆蓋通道區(qū)，覆蓋車體經(jīng)過的區(qū)域。在高速鐵路場景中建議使用專網(wǎng)組網(wǎng)形式。 4. 結(jié)束語 人們在高鐵列車中使用通信工具的機會越來越多，因此對高速環(huán)境下通信服務的種類和質(zhì)量的要求也越來越高。鼎橋公司對高速鐵路場景下的移動通信進行了一系列的研究，并提出了一些解決方案。本文總結(jié)了鼎橋公司的研究成果，旨在拋磚引玉，提高TD-SCDMA網(wǎng)絡的覆蓋質(zhì)量，從而為運營商和用戶提供更好的服務。 (中國集群通信網(wǎng) | 責任編輯：陳曉亮) |
