在高速鐵路場景下的TD-SCDMA覆蓋方案

摘 要:對高鐵場景下TD覆蓋的主要問題進行分析，結合高鐵技術方案提出高鐵TD組網方案建議。

關鍵詞:高鐵TD－SCDMA

中圖分類號:TP2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(a)-0251-01

1 前言

大規模的高鐵建設及建成運營，給人們的生活工作帶來便捷的同時也為高鐵信息化服務提出了更高的需求。由于高鐵主要的目標客戶是商務出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語音或高速數據業務的需求較為明確。因此，快速發展的高速鐵路已成為移動話音和數據業務的新熱點，同時也給移動通信網絡特別是我國自主知識產權的3G網絡的覆蓋提出了新的問題。

2 TD-SCDMA高鐵覆蓋存在的主要問題及技術方案

2.1 TD-SCDMA高鐵覆蓋存在的主要問題

高鐵覆蓋面對的是一個非常特殊的場景，其最主要的問題包括列車高速移動帶來的多普勒頻移，高速移動對切換、重選提出的更高要求，穿透損耗大等，在2GHz頻段問題更加嚴重。下面分別討論上述問題及其解決方案。

2.1.1 高速移動下的多普勒頻移

多普勒頻移是指基站發出的射頻載波和來自運動目標的反射回波之間的頻率偏移，此效應主要導致中心頻率的偏移。當頻率偏移過大時，會導致解調符號產生較大的相位偏差從而使得信道估計發生錯誤、基站與移動臺間的頻率同步也出現問題。高速鐵路的無線信道特征基本上可以看作是一個較大的多普勒頻率偏移加上很小的頻率色散。其中較大的多普勒頻率偏移是由高速列車相對基站收發信機的高速運動形成;而很小的頻率色散是由用戶相對于車內反射散射體的低速運動形成。另外，高速鐵路場景的基站側角度擴展較小，且時延擴展較小，有利于發揮智能天線波束賦形增益。

高鐵場景下的多普勒頻移通常高達幾百赫茲，對系統設備和終端的接收機性能都構成了挑戰，如果接收機不進行檢測和補償，那么鏈路性能將大大下降，嚴重惡化網絡覆蓋及容量等指標。隨著TD技術的進步，目前各主流設備廠家在基站側均提出了相應的基站側頻偏估計和校正算法。采用自適應頻偏校正算法可以在基帶5ms子幀內通過一定操作實時檢測出當前子幀頻率偏移的相關信息，然后對頻偏造成的基帶信號相位偏移予以校正。終端側的多普勒頻移只相當于基站側的50%，受影響相對較小，但是終端的自動頻率控制(AFC)功能也應具有在較短時間內將頻偏控制在允許范圍內的能力，才能保證終端在高鐵環境下正常通信。

2.1.2 高速移動下的重選和切換

高速鐵路場景是線性覆蓋區域，列車高速移動時，UE最佳的服務小區變化較快，小區選擇與重選，切換發生的頻率明顯加快，如果按照普通場景的小區選擇與重選，切換參數默認配置，則容易導致小區重選，切換不及時，導致重選失敗或切換掉話等現象。

高速移動場景下，需要加快小區切換和重選的速度，因此一方面，切換遲滯和測量上報時延以及小區重選對遲滯和測量時間都需要相應的縮短，同時高鐵上用戶移動的方向確定，較難發生乒乓切換現象，因此切換啟動門限可以根據實際情況減小，以提前啟動切換過程，遲滯系數也應比普通場景下設置得更小。另一方面，通過參照設備能力將盡可能多的相鄰基站設置為同一個小區，最大限度地擴大單個小區的覆蓋范圍，原有基站覆蓋區域之間的切換區變為同小區接力點，減少了切換的發生，小區重選、切換的頻率將大大減少，同時也避免了在多普勒頻偏跳變區域進行切換。

2.1.3 車體穿透損耗大

高鐵列車采用全封閉式車體結構，且部分車型采用金屬鍍膜玻璃，車體穿透損耗高達24dB以上，為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號發射機功率增強，同時需要更高的基站接收機靈敏度或者要求用戶終端(UE)的發射信號增強。

考慮建站成本及現實可行性，即使采用BBU+RRU分布式基站加高增益天線方案，一般高鐵線路也只能保證CS64業務的連續覆蓋。為提供更高速率等級業務，可以借鑒2G提出的思路，采用在列車上安裝無線直放站和車內分布系統的方式，把車外信號放大饋入到車廂內以克服車體穿透損耗的影響。車載直放站應具備自動增益控制(AGC)、自動頻率跟蹤(AFC)能力，以解決高速運行中的多普勒頻移問題，保障網絡服務質量。但是此方式受高鐵列車流動性、歸屬性的影響大，工程協調和實施都有難度。

2.2 專網解決方案

普通公網組網不會單獨考慮高速場景的覆蓋，通常與其他場景合為一體統一地由室外宏蜂窩大網提供覆蓋，無法兼顧高鐵這種特殊場景(車體損耗大、頻繁的小區切換、重疊區的設計、強烈的多普勒頻移)的網絡覆蓋，因此高鐵必須使用專網覆蓋才可能有較好的覆蓋效果。

專網組網即用獨立于周邊公網的專用網絡覆蓋所要解決的高鐵沿線，在鐵路沿線組成一個帶狀覆蓋通道區，不與公網設置切換關系，只在車站站臺，候車室等處設置緩沖區與公網相互切換。

將高鐵覆蓋的站點設置成專網。這樣會帶來如下好處:

1)可以避免公網中常見的多LAC切換。

2)通過物理設備及參數配置，保證了專網與公網的分離，避免由于多用戶引起的干擾。

3)專網與其他網絡分開，避免有切換關系，這樣可以針對專網進行切換，重選等無線參數優化。

4)可以采用特別的算法及無線參數設置，最大程度上滿足高速場景的覆蓋要求，保證專網的獨立性。

但是采用專網覆蓋，為保證覆蓋質量，2G網絡站間距一般1～1.5km，3G網絡一般為500～800m。2014年中國將建設造成的高鐵2.8萬公里，據此計算，完全使用專網覆蓋高鐵，一家運營商兩張網(2G、3G網絡各一張)總共需要7～8萬臺基站，隨著后續高鐵的繼續建設，所需的基站數量持續攀升，這種巨額的經濟成本也會給運營商帶來很大的風險。

在京津城際高鐵的建設中采用了高鐵專網組網的方式，以保障高鐵覆蓋、減少干擾，同時也利于進行切換、重選等專網無線參數的優化。采用成熟可靠的BBU+RRU分布式基站結合多小區合并的組網方案。

3 結語

隨著國家經濟的發展，高速交通工具將在我們的日常生活中得到廣泛的應用，人們在高速移動環境下通信業務的需求將越來越大，因此對高速環境下的網絡質量要求也越來越高。根據本文分析可知，針對TD-SCDMA高鐵網絡組網，首先我們需要解決好多普勒頻偏問題，然后我們可以通過分布式基站結合多小區合并，選擇合適的站址、調整入射角，盡量減少車體穿透損耗。同時本文也針對高鐵專網組網和公網組網進行了利弊分析，其中高鐵車載直放站方案是針對未來350km/h以上的高鐵環境提出的應對解決方案，該方案經過實驗室驗證性能良好，希望在不久的將來能得到廣泛的應用。