主页（http://www.pttcn.net）：TD-SCDMA系统高速铁路覆盖的解决方案探讨 1 引言随着社会经济的发展和科技水平的提高，高速铁路慢慢渗透到人们的日常生活。经过2007年4月第6次大提速后，时速超过200公里的铁路里程有6003公里，其中时速超过250公里的高速铁路里程有846公里。规划中的京沪高铁的时速将达到350公里，上海磁悬浮列车时速更高达430多公里。如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量？这给移动通信系统在技术上提出了更高的要求，特别是在无线传输信道方面，高速铁路与普通铁路有较大的差别，从而对移动通信系统的传输可靠性的研究带来了新的课题，也是移动运营商和移动设备商共同面对的难题。 本文对高速移动环境下TD-SCDMA网络覆盖中面临的主要问题加以分析，并给出了一些解决方案。 2 高速铁路环境下TD-SCDMA网络面临的问题 高速铁路环境下影响TD-SCDMA链路性能和系统性能的主要因素有：多普勒频率偏移、快速切换问题和智能天线赋形问题。另外，相对于900M频段的GSM或GSM-R来说，TD-SCDMA工作于2G频段，其多普勒效应更加严重，且路径损耗和穿透损耗亦变大。 2.1 多普勒频率偏移 高速铁路的无线传播环境类似农村场景，反射体较少，直射路径占优，多普勒频率扩散现象不突出，但多普勒频率偏移比较严重，以至于对UE和基站的性能有较大影响。假设基站主载频为 图 1 TD-SCDMA时隙结构 图2 UE向基站靠近过程中，基站/UE的发送/接收信号的频率 2.2 快速切换 影响高速铁路覆盖的另一个因素是快速切换。UE高速移动导致UE穿越切换区的时间变短。当UE移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成，导致掉话。在高速铁路旁的共站小区中，小区的切换带往往较小且距离基站较近，极容易导致切换失败。 2.3 智能天线赋形 智能天线的原理是通过利用上行信道得到的EBB权值实时生成主瓣指向目标用户的波束，从而实现目标用户接收信号功率最大化。由于下行的波束赋形是基于TDD系统上下行信道的互易性，因而依赖于上行的信道估计结果，随着速度的提高其赋形增益也会下降。 2.4 功率控制和同步控制 在高速铁路环境下，非衰落或衰落较小的直射径占优，即接收端信号电平主要受路径损耗的影响；此时功控的主要目的是为了补偿路径损耗。而路径损耗的变化较慢，故功率控制的压力较小。比如高速列车在300kmph时速时，每秒运行83米，当UE与基站的最小距离为100米时，按照COST231模型路损计算公式，路损的变化为9dB，远远小于200Hz功率控制命令字的范围；每秒83米的移动速度对应0.35码片的时间偏移，由于同步控制命令字的频率为200Hz，故同步的压力亦非常小。 3. 解决方案 针对上述主要问题的分析，我们主要从接收机算法、快速切换、组网策略等方面加以改进，以提高高速铁路环境下无线链路和系统的性能。 3.1 接收机算法 3.1.1 多普勒频率偏移补偿 为了对抗多普勒频率偏移，基站接收机必须进行频率纠偏。在多普勒频率扩散不严重的情况下，频率纠偏可以获得很大的性能提高。比如在200～300公里时速情况下，频率纠偏可以使得链路性能损失很小。 在具体实现中，基站基于接收信号估计接收信号的相位旋转速度，并对其进行相应校正，以消除或减弱多普勒频率偏移对链路性能的影响。针对UE移动速度变化较慢的特点，可以用多子帧的测量结果作平均得到UE的运动速度，以提高估计精度和频率纠偏的性能。 3.1.2 信道译码器输入比特的加权 在一个时隙中，中间码用于信道估计，在多普勒频率偏移较严重的环境下，离中间码较近的比特比较可靠，而离中间码较远的比特则相对不可靠。这样，可以对离中间码较近的比特赋予较大权值，对离中间码较远的比特赋予较小权值，然后再输入信道译码器，从而使得相对可靠的比特对译码的影响较大，相对不可靠的比特对译码的影响较小。 3.1.3 智能天线赋形 在高速铁路的场景下，用户都是集中在车内，且对于基站而言呈线状分布，基本上都处于窄波束的覆盖角度内，因此可以使用固定的下行赋形权值矢量，使得小区的覆盖为带状，而不建议采用实时计算的方法。从带状覆盖的特点来说，天线易选择水平波瓣角窄（45度左右），垂直波瓣角稍宽（10度）和增益高的天线（15dBi或以上）。 3.2 快速切换 高速铁路移动通信网沿着高速铁路建设，无线基站设置为链状结构；由于列车的高速行驶，频繁跨越小区，移动通信系统必须具有快速切换的功能。该问题可以通过以下方法解决： 1、加大基站的覆盖范围，减少切换频率。 2、优化切换参数，及早触发切换，减少切换时延。 3、小区分裂方法，所谓小区分裂，就是为每个基站仅配置一个小区，通过功分器引入两幅天线，分别覆盖铁路两个相反的方向，将一个小区分裂为两个扇区。由于只有一个小区，因此基站天线下面不存在切换，规避了切换区过小的问题。这种小区分裂的方法非常适用于基站距离铁路近，两个扇区交迭区域小的场合。 4、随着RRU的出现，出现了BBP(基带池)+RRU(射频拉远单元)+多根天线的网络覆盖方案，属于同一小区的多根天线沿高速铁路部署，可以增大小区的覆盖范围，减少切换频率。对下行处理，BBP将从Iub口来的用户数据经过相应物理层算法变为码片速率的基带数据并通过光纤发送给RRU，RRU将码片速率的基带数据调制到射频频段并通过天线发送；对上行处理，RRU将从天线接收的射频信号下降频解调到码片速率的基带数据并通过光纤发送给BBP，BBP将码片速率的基带数据经过相应物理层算法变为用户数据并通过Iub接口发送给RNC。 3.3 组网策略 高速铁路的覆盖可以采用大网形式或专网形式。在频率规划中，如果频率资源允许，相邻的小区最好使用异频，以减少小区间的同频干扰，特别是切换过程中相邻小区的互干扰。 3.3.1 大网组网 大网组网即不单独考虑高速场景的覆盖，与其他场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖。大网覆盖的特点是网络建设和规划不需要另外考虑，难点是后期的优化，特别是在缓冲区或高速路线经过的较为复杂的地理环境。在普通铁路和高速公路场景下可以考虑采用大网组网方式，但在高速铁路场景中不建议采用该方式。 3.3.2 专网组网 专网组网即以专用网络覆盖所要解决的高速铁路沿线，专用网络与大网相对独立，除了在停车站台，候车厅等旅客上下车和列车停留地方作为缓冲区与大网相互允许切换外，沿线禁止与大网发生切换。专网组网的网络建设和规划需要另作考虑，后期的网络优化则相对简单，只需要考虑缓冲区内与大网之间的优化。除缓冲区外，沿线覆盖组成一个带状覆盖通道区，覆盖车体经过的区域。在高速铁路场景中建议使用专网组网形式。 4. 结束语 人们在高铁列车中使用通信工具的机会越来越多，因此对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高。鼎桥公司对高速铁路场景下的移动通信进行了一系列的研究，并提出了一些解决方案。本文总结了鼎桥公司的研究成果，旨在抛砖引玉，提高TD-SCDMA网络的覆盖质量，从而为运营商和用户提供更好的服务。 (中国集群通信网 | 责任编辑：陈晓亮) |
