未來高速鐵路網TD-SCDMA無線覆蓋方式淺析

許 平

[摘要]文章分析了TD-SCDMA網絡在覆蓋高速鐵路時可能存在的問題，結合TD-SCDMA的技術特點，提出了相應的解決方案，并就實際組網需要注意的問題進行了探討。

[關鍵詞]TD-SCDMA高鐵專網多普勒頻偏切換

1背景

未來兩年我國鐵路將形成10萬公里的運營里程，其中時速200至350公里左右的高速鐵路將達8000公里左右.而且隨著時間的推移高速鐵路的里程還將不斷增長，形成覆蓋全國的高速鐵路網絡。高速鐵路將是3G業務應用的一個重要場景，許多高端的3G用戶經常由于商務旅行的原因，需要在高速鐵路上使用各種移動通信業務。未來幾年也正是中國移動TD-SCDMA網絡大規模商用的時期，而高速鐵路密封性好、速度快的特點決定了TD網絡建設需要充分利用TD-SCDMA系統的技術特點，選擇合理的無線網絡覆蓋方式來保證大幅度增長的高速鐵路的通信需求。

2TD-SCDMA面臨的主要問題

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，多普勒頻偏和小區切換、重選帶來的影響是高速移動環境下不得不解決的兩大難題。TD-SCDMA網絡要想在高速鐵路場景實現較好的網絡質量，就必須考慮這些關鍵的影響因素。

2.1多普勒頻偏及其帶來的影響

終端隨著列車運動而接收到的頻率與基站實際發射的頻率有偏差，這種現象稱為多普勒頻偏(△f)。假設基站發射頻率為f，終端接收頻率為(f+△f)，則基站接收頻率變為(f+2△f)，具體見圖1：

經科學研究，速度相同時，終端移動方向和電磁波傳播的方向相同則多普勒頻移最大，反之亦然。多普勒頻偏會導致通信系統性能下降，由于3GPP標準協議定義TDD系統最高移動速度為120km/h，所以根據通信系統設計方式。在120km/h以下多普勒頻偏對于TD-SCDMA系統沒有太大的影響。但是高速鐵路時速遠大于120km，此時若不進行有效校準，系統解調性能將嚴重惡化，不能保證正常通信。

下面分析一下多普勒頻偏對TD-SCDMA系統具體的影響。

對基站的影響：TD-SCDMA采用中間碼(midamble碼)做信道估計，再采用估計出來的信道模型對中間碼兩端數據做聯合檢測。大幅度的多普勒頻偏會導致數據碼片與中間碼片發生較大的相位變化，從而使時隙兩端的符號無法被正確檢測。

對終端的影響：為了對抗由多普勒效應產生的頻率抖動。終端通過自動頻率補償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。但在終端高速移動情況下，由于前一次的鎖定頻率并不準確，這樣的頻偏累積最終導致終端發送頻率與基準頻率相差越來越大，影響通信性能。

2.2高速移動對切換、重選的影響

正常情況下，TD-SCDMA網絡終端的切換時間在0.3～2秒左右，終端移動的速度越快穿越切換區的時間就越短，當終端移動速度足夠快以致于穿越切換區的時間小于系統處理切換的最小時限時，切換流程將無法完成，導致掉話。

終端在剛開機時或掉話后將進行小區選擇、重選流程，高速移動的終端在小區之間頻繁地進行小區選擇、重選，會導致不能正常通信。

3解決方案

3.1多普勒頻偏的解決方案

頻偏校準時為了使終端基本穩定在指定頻點上，基站需采用頻偏預校準方式，見圖2。終端以某基站頻率f發送信號，基站以頻點f接收經過上行高速信道的信號，該信號頻率為(f+△f)，基站可以估計出頻偏△f。基站在下行發送該用戶的數據時，發送頻率采用(f-△f)，這樣發送信號經過下行高速信道后，終端接收信號的頻率為f。在基站頻偏校準正常工作的情況下，終端基本穩定在指定頻點f上，幾乎感受不到多普勒頻偏存在。在切換前其工作頻率一直穩定在基站頻點f附近，切換后其工作頻率將一直穩定在新的基站頻點f＇，小區切換時不會產生大的多普勒頻偏正負跳變，提高了終端的解調性能。

由于終端的改造條件有限，設計上需要提高基站側做頻偏和校準的精確程度。終端高速移動情況下，基站一次性做頻偏估計、校準，難度極大，需要采用兩次頻偏估計、校準的方法，即第一次頻偏估計范圍大、估計精度差，能估計出2000Hz以上的頻偏，而第二次頻偏估計范圍小、估計精度高，能估計的頻偏范圍為800Hz左右，經過兩次頻偏估計、校準后能控制在200Hz以內。

3.2切換、重選問題的解決方案

目前比較普遍的做法是將覆蓋高速鐵路的小區設置成一個專網，所謂專網就是除了火車站及沿線極個別的特殊場景以外，與公網不做鄰區關系；同時針對鐵路線呈帶狀的特點，使用基帶光纖拉遠型基站來擴大單個小區覆蓋范圍。基帶光纖拉遠型基站，支持一個BBU連接多個串聯的RRU，多個串聯的RRU覆蓋的區域設置為同一個小區，使其具有相同的頻點、擾碼，能有效擴大單個小區的覆蓋范圍，最大做到單小區40km的覆蓋距離，見圖3：

同時為了克服高速鐵路車廂穿透損耗大(約為15dB～30dB)的問題，目前采用在高速列車上安裝無線直放站和車內分布系統的方式，把車外信號饋入到車廂內以克服車體穿透損耗的影響，如圖4所示。

通過以上兩種解決方案，可以形成一個相對封閉的TD-SCDMA無線覆蓋專網，這個專網只有在火車站及沿線極個別的特殊場景與公網有切換關系，而在高速鐵路區域是一個帶狀的連續小區。實現專網的一個必要條件是對專網信號的嚴格控制，避免對周圍公網造成影響；如果條件不具備，則可以適當考慮建立專網保護帶來保證專網的有效運行。專網保護帶的思路是在專網不可避免地對周圍城鎮造成影響的情況下，在專網覆蓋小區的兩側選擇一些非專網小區作為專網與公網的隔離帶小區，這些小區可以與專網小區進行重選和切換，以此避免周邊城鎮用戶一進入專網就無法正常退出的問題，同時又可以避免專網小區切換關系過多所引起的麻煩。

4專網方案應注意的問題

4.1站址選擇

高速鐵路坡度比較平緩，除了隧道，軌道上空一般沒有遮擋。考慮到高速移動下的快衰落問題，基于中間碼的信道估計并不準確；而如果沒有直射路徑，功控無法跟上慢衰落的變化。所以站址選擇應為朝向高速鐵路的兩個方向上無明顯遮擋，方便采用直射路徑覆蓋鐵路。

(1)線路穿越人口比較空曠的地方

站址應盡量選擇距離高速鐵路軌道100米左右，以適當增大天線主波束與列車的夾角，降低多普勒頻偏的影響。

(2)線路穿越人口比較密集的地方

如城區、鄉鎮聚集區，站址應盡量靠近高速鐵路軌道，盡量增大下傾角，避免過多干擾公網。條件允許的情況下可以適當遠離軌道50米左右。

(3)隧道

站址選擇在隧道外，根據隧道長度選擇高增益天線或泄

露電纜覆蓋隧道內部。

(4)利舊原有公網站點

如果條件合適，可以將距離高速鐵路較近的公網站點改造成專網站點，并且搬遷公網站點，重新優化公網的無線覆蓋。

4.2高鐵專網站距的考慮因素

考慮到RRU設備串聯極限、天線覆蓋性能指標以及投資等問題，目前宜選擇大約5km～10km一個基站，每個小區最大串聯6個RRU。

4.3天線掛高及選型考慮因素

高速鐵路沿線的樹木及樓宇一般在30米左右，掛高宜選擇45～55米左右。

高速鐵路的小區呈明顯的帶狀分布，方向性強，且終端高速移動，上下行的相關性差，智能天線的優點不能充分發揮，因此宜采用高增益、窄波束的定向天線。

4.4電平覆蓋設計考慮因素

密集市區主服務小區的電平覆蓋應不低于-75dBm，普通市區及其他主服務小區的電平覆蓋應不低于-85dBm，要做到始終有主覆蓋小區覆蓋高速鐵路線路。

4.5高速鐵路內直放站的要求

直放站產品應具備自動增益控制功能。一般的傳統直放站是固定放置的，施主信號的環境比較穩定，放大倍數在開通時設置好就可以穩定工作。但是高速鐵路車廂內的直放站由于本身在高速運動中，而且施主天線信號也時刻變化著，無線環境比較特殊，需要有自動增益控制功能對增益進行小范圍調整，使車廂內部信號增益基本穩定，提高無線覆蓋質量。

4.6頻率規劃考慮因素

高速鐵路專網的頻率規劃需要綜合考慮周邊的網絡情況，與周邊網絡協同頻率規劃。在頻率資源、設備支持的條件下，高速鐵路專網沿線與周圍公網盡量采取異頻組網；在頻率資源緊張情況下，至少應保證在火車站等與周圍公網系統有切換關系的小區主載頻異頻。其他與周圍公網沒有切換關系的小區，小區分布為鏈型，組成同一個小區的多個RRU覆蓋區域采用相同的頻點、擾碼，建網初期業務量不大的情況下可以采用單頻點組網，鄰小區異頻組網。圖5中，每5個RRU形成的鏈狀子小區集合為一個大小區采用同一頻點。

4.7LAC區及RNC設置考慮因素

高速鐵路專網應統一規劃LACN及RNC，即在條件允許的情況下，盡量使用專門的LAC區及RNC，同時將LAC區及RNC更新設置在高速鐵路列車低速移動的區域，如火車站附近，這樣可以有效減少在列車高速移動的情況下進行LAC區及RNC更新的次數。

4.8切換、重選考慮因素

在高速移動場景下，如果在服務小區的邊緣不能很快重選到目標小區的話，容易引起脫網或者起呼失敗。因此，需要充分加快切換、重選的速度，提高成功率：

(1)保證信號質量的情況下盡量擴大單小區覆蓋范圍，減少切換次數；

(2)盡量保證在整個列車運行路線上都存在主覆蓋直射路徑；

(3)降低小區重選定時器取值并減少服務小區重選滯后量的取值，縮短測量周期，加速切換；

(4)相鄰小區的重疊覆蓋區域應不小于500米，保證切換、重選有足夠時間進行；

(5)盡量使切換、重選在列車停靠點或低速路段進行；

(6)為了避免乒乓切換，需設置定向切換。

4.9業務方面的要求

高速鐵路車廂內作為高端客戶集中的區域，TD-SCDMA系統除需考慮普通話音業務以外還要考慮上網及視頻等數據業務的需求，需要開通HSDPA及MBMS業務。

5與公網的融合

專網方案有利于切換鏈的設計，除了在火車站及沿線極個別的特殊場景與公網有切換關系外，不與公網發生切換，這樣可以很好地保證高速鐵路用戶在高速移動時的切換、重選，提高通信質量。專網也有利于針對高速移動場景的無線資源管理算法、切換/重選策略及網絡參數的應用；對專網的優化簡單，可以更好地提高專網的質量，且優化時對公網沒有太大影響。

專網必須做好與公網的融合，特別在火車站及沿線部分密集城鎮專網與公網的進出口處。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。在實際工程中也應靈活設計與優化，才能最終完美解決兩網融合問題。