大唐移動ＴＤ－ＳＣＤＭＡ高速鐵路解決方案

1 我國高速鐵路概況

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高,我國高速鐵路的建設(shè)全面展開。中國高速鐵路的發(fā)展不僅填補了中國運輸體系中的缺失,而且在中國經(jīng)濟發(fā)展中也具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

“十一五”期間,中國通過建設(shè)高速鐵路客運專線、發(fā)展城際客運軌道交通和既有線提速改造,初步形成以高速鐵路客運專線為骨干,連接全國主要大中城市的快速客運網(wǎng)絡(luò)。高速鐵路作為越來越普及的交通工具,逐漸成為人們商務(wù)出差、旅游出行的首選。

為滿足快速增長的旅客運輸需求,建立省會城市及大中城市間的快速客運通道,“十一五”規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及三個城際快速客運系統(tǒng),時速高達380km/h。如圖1所示。

1.1“四縱”客運專線

(1)北京-上海;

(2)北京-武漢-廣州-深圳;

(3)北京-沈陽-哈爾濱(大連);

(4)杭州-寧波-福州-深圳。

1.2“四橫”客運專線

(1)徐州-鄭州-蘭州;

(2)杭州-南昌-長沙;

(3)青島-石家莊-太原;

(4)南京-武漢-重慶-成都。

1.3 三個城際客運系統(tǒng)

環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)城際客運系統(tǒng)。

由于高鐵主要的目標客戶是商務(wù)出行或者旅游出行,這些人在列車上使用語音或高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求較為明確。因此,快速發(fā)展的高速鐵路已成為移動話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新熱點。在“十一五”規(guī)劃中,科技部、鐵道部將“雙高課題”——高速移動下的高數(shù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為研究重點。

2 大唐移動推出高速鐵路覆蓋方案

大唐移動基于對TD-SCDMA系統(tǒng)的深刻理解和在上海磁懸浮成功的高速覆蓋經(jīng)驗,率先提出基于車載直放站設(shè)備為基礎(chǔ)的TD-SCDMA高鐵覆蓋方案。

由于車輛技術(shù)的不斷發(fā)展,車廂密閉性越來越好,導致在無線傳輸?shù)能圀w穿透損耗越來越大,龐巴迪高速列車的損耗達到25dB,一般車體損耗都在10dB以上,當損耗為30dB時,相當于信號在透過車體時只有原來1/1000的信號強度。為了克服車體穿透損耗,要求室外的信號發(fā)射機功率增強,要求更高的基站接收機靈敏度,或者要求UE的發(fā)射信號增強。

大唐移動的高鐵解決方案中,鐵路沿線采用BBU+RRU組網(wǎng),采用小區(qū)分集和高速頻偏補償算法,在高速列車上裝在直放站克服穿透損耗。

2.1 鐵道沿線采用BBU+RRU進行專網(wǎng)覆蓋

(1)業(yè)內(nèi)最早最成熟的小區(qū)分集算法

由于單個小區(qū)的覆蓋范圍相對較小,而UE移動速度非常快,造成手機終端駐留在單個小區(qū)的時間很短;另外,因多普勒頻偏的影響使用戶讀系統(tǒng)廣播、起呼、切換的時延更長,在高速移動環(huán)境下,時延較大的重選、切換和接入等流程很可能無法在單個站點覆蓋范圍內(nèi)全部完成;同時頻繁的切換還會導致用戶體驗變差、切換掉話的可能性變大。因此,需要擴大單個小區(qū)的覆蓋范圍。

將小區(qū)分集算法技術(shù)應(yīng)用于高速移動覆蓋場景可帶來如下好處:

◆將同站點的多個扇區(qū)合并,避免切換,將多個站址合并為一個小區(qū),減少切換;

◆有效增減單個小區(qū)覆蓋范圍,保證用戶的高接入成功率。

一個BBU連接2-3個RRU的情況如圖2所示。

(2)專利的物理層頻偏糾正算法和頻偏預矯正算法

在TD-SCDMA系統(tǒng)的接收機中,由多普勒頻移等引起的頻偏會對接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生相位偏轉(zhuǎn),頻偏越大,相位偏轉(zhuǎn)越嚴重,對系統(tǒng)的相干解調(diào)性能的影響就越明顯,即車速越高,多普勒頻移對解調(diào)性能的影響越嚴重。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中,終端通過自動頻率控制(AFC,Automatic Frequency Control)技術(shù)進行載波頻率跟蹤,而基站側(cè)采用固定頻點的載波頻率進行信號接收,使得高速鐵路沿線的基站側(cè)最大多普勒頻偏可達1400Hz。為了保證數(shù)據(jù)的解調(diào)性能,需要對檢測數(shù)據(jù)進行頻率校正后再執(zhí)行判決,即接收端需要進行頻偏估計(FOE,Frequency Offset Estimation)和頻偏校準(FOC,Frequency Offset Calibration)操作。

在高速移動業(yè)務(wù)情況下,基站需要采用兩次頻偏補償過程才能達到較好的性能。該方案的具體實施流程如圖3所示。我們首先根據(jù)信道估計得到的信道響應(yīng)來估計頻偏,得到初步頻偏值,然后利用此初步頻偏值對聯(lián)合檢測得到的檢測數(shù)據(jù)進行初步校正,得到初步校正數(shù)據(jù);再根據(jù)初步校正數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)符號頻偏估計方法計算頻偏值,得到二次頻偏值,并利用此二次頻偏值對初步校正數(shù)據(jù)進行頻偏補償,得到二次校正數(shù)據(jù),最后對二次校正數(shù)據(jù)進行解調(diào)判決。

根據(jù)分析,第一次頻偏估計方案具有估計范圍大、估計精度差的特點,能估計出2000Hz以上的頻偏;而第二次頻偏估計方案具有估計范圍小、估計精度高的特點,能估計的頻偏范圍為800Hz左右。因此在高速移動環(huán)境下采用這兩種頻偏估計算法的結(jié)合能夠有效地提高性能。

(2)業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的頻偏預矯正算法

在下行方向,為了使終端平穩(wěn)地進行切換,需在基站側(cè)估計頻偏并進行預矯正,使終端接收頻率穩(wěn)定在基站發(fā)射頻點上。

無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由基站和終端組成的,即在高速移動環(huán)境下也需要解決大頻偏對終端的解調(diào)性能影響。TD-SCDMA系統(tǒng)中,基站采用固定頻點的頻率進行信號收發(fā),而終端通過自動頻率控制(AFC)方案使本振頻率自動跟蹤接收信號的頻率變化。在高速移動環(huán)境下(如車速為400km/h),終端切換時相對于新舊兩個基站的運動方向相反,導致終端的多普勒頻移發(fā)生跳變,使終端產(chǎn)生一個很大的頻偏,分析得出,這個頻偏值最大可以達到最大多普勒頻偏值的兩倍。

此時采用現(xiàn)有的AFC控制方案則需要很長的時間才能進入穩(wěn)定狀態(tài),使終端的性能惡化。為此,提出了高速優(yōu)化頻偏估計方案,該方案采用基站側(cè)高速頻偏估計的思想,同時修改了AFC的控制方案。

頻偏預校正基本思想就是基站根據(jù)目標用戶上行信道頻偏估計,對下行發(fā)送信號頻率進行預校正,使發(fā)送信號到達UE之后的等效接收頻率為小區(qū)原始發(fā)送頻率。在實現(xiàn)過程中,需在基站側(cè)增加DPCH的頻偏預矯正,即通過對比收發(fā)信號的頻偏,針對不同用戶在物理層數(shù)據(jù)上進行頻偏補償。

對于終端用戶而言,在基站頻偏預矯正正常工作的情況下,基本穩(wěn)定在指定頻點上,幾乎感受不到多普勒頻偏存在,小區(qū)切換時刻不會產(chǎn)生大的多普勒頻偏正負跳變。

如圖4所示,終端以頻率f發(fā)送信號,基站以頻點f接收經(jīng)過上行高速信道的信號,該信號頻率為 f + f d,基站可以估計出頻偏 f d。基站在下行發(fā)送該用戶的數(shù)據(jù)時,發(fā)送頻率采用 f + f d,這樣發(fā)送信號經(jīng)過下行高速信道后,終端接收信號的頻率為 f。在終端切換前其工作頻率一直穩(wěn)定在基站頻點 f 附近,終端切換后以新的基站頻點工作,從而減小了終端的頻偏變化,提高了終端的解調(diào)性能。這種方案通過增加基站的復雜度,改善了網(wǎng)絡(luò)的性能。

2.2 高速列車上采用直放站克服穿透損耗

為了避免車輛技術(shù)的不斷發(fā)展而影響車體內(nèi)無線通信質(zhì)量,通過無線直放站加車內(nèi)分布系統(tǒng)的方式,可把車外信號饋入到車體內(nèi)(室內(nèi)),克服車體穿透損耗。高速列車上直放站安裝示意如圖5所示。

一般的傳統(tǒng)直放站是固定放置,施主信號的環(huán)境比較穩(wěn)定,放大倍數(shù)在開通時設(shè)置好就可以穩(wěn)定工作。ALC功能只在個別情況下對增益進行小范圍調(diào)整。由于環(huán)境可控,可以通過站點設(shè)置選擇施主基站的信號強度在-80dBm以上。

直放站在高速列車上使用,與通常的應(yīng)用場景有個顯著不同。對于列車這種高速移動環(huán)境,外部信號的強度快速變化;為了保證直放站覆蓋區(qū)域的信號穩(wěn)定性,需要直放站具備自動增益調(diào)整功能。

◆輸入信號電平范圍:-35dBm~-85dBm;

◆輸出信號:10dBm~20dBm;

◆放大器下行增益可調(diào)范圍:45dBm~105dB。

輸入功率測量:

◆全頻段功率測量(射頻測量);

◆服務(wù)基站功率測量(基于DwPTS功率):需要快速切換施主基站;

◆上下行增益的同步調(diào)整;

◆直放站產(chǎn)品具備AFC(自動頻偏控制)功能。

在高速情況下由于多普勒頻移,上下行信號的載波會有較大偏移。直放站此時可起到頻率校正的作用,簡化終端和網(wǎng)絡(luò)的實現(xiàn),對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有一定改善。

◆頻偏檢測算法:高穩(wěn)鐘產(chǎn)生參考頻率;

◆基帶處理算法:服務(wù)小區(qū)選定后,可采用與基站類似的算法;

◆模擬中頻處理方法:通過對本振的精細調(diào)整,實現(xiàn)頻率校準。或數(shù)字中頻處理:在中頻使用數(shù)字頻綜,采用數(shù)字變頻的方式。

3結(jié)束語

2007年,中國首條高速鐵路京津城際軌道交通工程客運專線完成鋪軌。2008年,中國高速鐵路建設(shè)步伐加快,不僅引人注目的京滬高速鐵路開始興建,廣深港高速鐵路、京石高速鐵路客運專線、南寧至廣州高速鐵路等等一大批高速鐵路建設(shè)工程都開始動工。

隨著中國高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展,大唐移動將致力于提升移動用戶在高速移動環(huán)境下的業(yè)務(wù)體驗,為中國的移動通信建設(shè)貢獻力量。

【作者簡介】

李同坡:工學碩士,畢業(yè)于北京郵電大學。現(xiàn)為大唐移動通信設(shè)備有限公司高級產(chǎn)品經(jīng)理,主要研究方向為移動通信、無線接入和TD-SCDMA的系統(tǒng)原理、后續(xù)演進技術(shù)等。