基于TD-LTE的高速鐵路微基站關(guān)鍵技術(shù)研究

郭鳳然　　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師楊思遠(yuǎn)　　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

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基于TD-LTE的高速鐵路微基站關(guān)鍵技術(shù)研究

郭鳳然中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師
楊思遠(yuǎn)中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

摘要：研究TD-LTE在高速鐵路上的應(yīng)用，設(shè)計TD-LTE微基站組網(wǎng)方案，實現(xiàn)LTE與Wi-Fi、2/3G等多種制式的聯(lián)合應(yīng)用模型，研究微基站方案的關(guān)鍵技術(shù)，為TD-LTE在高鐵的應(yīng)用提供一種可參考的方案。

關(guān)鍵詞：高鐵；TD-LTE；微基站

1　引言

伴隨著我國高速鐵路建設(shè)的不斷加快以及城際鐵路列車的不斷提速，高速列車已經(jīng)成為越來越多人的出行選擇。與此同時，人們對高速列車中的移動覆蓋、通話質(zhì)量、上網(wǎng)速率等提出了更高的要求。而進(jìn)入TD-LTE系統(tǒng)的全面商用和大規(guī)模建設(shè)階段，如何使用TD-LTE技術(shù)提高高速列車中的通信問題，已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點。

根據(jù)高鐵目前運營現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，高鐵無線覆蓋方案的速率必須滿足300～350km/h，甚至大于350km/h，因此在通信中主要面臨幾大難點：多普勒頻偏、頻繁切換、車體穿透損耗大，以及公網(wǎng)和高鐵覆蓋專網(wǎng)相互影響的問題。其中，前兩個問題又尤為突出。

為了解決上述問題，筆者設(shè)計了一種室內(nèi)外相互結(jié)合的方案，在高速列車體內(nèi)使用各種制式的微基站分別提供Wi-Fi和2/3G信號，在車體外使用TD-LTE信號作為這些基站的回傳。另外，通過改進(jìn)TD-LTE基站的算法來處理多普勒頻偏，以及改變TD-LTE基站和天線分布來減少切換次數(shù)，從而規(guī)避了上述高鐵中的問題。

2　微基站組網(wǎng)方案

微基站方案組網(wǎng)如圖1所示。微基站方案由兩個部分構(gòu)成，分別為地面設(shè)備和車載系統(tǒng)設(shè)備。具體涉及的網(wǎng)元見表1。

表1列出了一套高鐵微基站方案所需要的全部網(wǎng)元及其功能。

在上述設(shè)備中，BBU和RRU共同組成了地面系統(tǒng)的TD-LTE基站，通過在基站改進(jìn)算法來進(jìn)行多普勒頻偏校正和補償。

3　關(guān)鍵技術(shù)

微基站的關(guān)鍵技術(shù)包括基站側(cè)和車載終端/CPE側(cè)的多普勒頻偏校正和補償技術(shù)、基站側(cè)和車載終端/ CPE側(cè)上行定時調(diào)整技術(shù)、高鐵場景隨機接入技術(shù)、高鐵場景切換技術(shù)、雙向會車場景擁塞控制技術(shù)等。每一項技術(shù)都是高速場景下不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

下面主要介紹多普勒頻偏校正和補償技術(shù)，以及高鐵場景切換技術(shù)這兩方面。

3.1多普勒頻偏校正和補償技術(shù)

在高速覆蓋場景下，對LTE系統(tǒng)性能影響最大的是多普勒效應(yīng)。眾所周知，由于信號源和接收機的相對運動，使得接收到的信號的波長產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱作多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)適用于所有的電磁波。特別是在高速場景下，這種頻移尤其明顯。

對于終端接收機來說，估計和基站發(fā)射機之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是終端接收機必須完成的功能。圖2為終端頻偏示意圖。

圖1　車廂內(nèi)使用微基站方案組網(wǎng)方案

表1　微基站組網(wǎng)方案涉及的網(wǎng)元

對于下行信號來說，當(dāng)列車上的終端處于兩個小區(qū)邊緣時，后面的小區(qū)下行信號是負(fù)的多普勒頻偏f0-fd，前面的小區(qū)下行信號存在正的多普勒頻偏f0+fd，因此終端將面臨從負(fù)到正的頻偏跳變，跳變的幅度也是2fd。具體到2.5GHz來說，為2fd=1620Hz。

如上所述，上下行都存在需要對抗2fd的需求，對基站設(shè)備和終端對抗多普勒頻移的能力提出了很高的要求。如何正確估計和補償多普勒頻偏成為解決高速移動環(huán)境下的通信的主要內(nèi)容之一。

本文首先研究了由于多普勒頻偏的存在，不僅會造成信號幅度的衰減，還會使相位旋轉(zhuǎn)，破壞子載波之間的正交性，產(chǎn)生載波間干擾，尤其是在大頻偏的情況，會帶來非常嚴(yán)重的地板效應(yīng)（ErrorFloor），使得子載波之間產(chǎn)生嚴(yán)重的子載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，相位的翻轉(zhuǎn)與頻率偏移成正相關(guān)，通過比較接收端與發(fā)送端的相位翻轉(zhuǎn)可計算出頻偏的大小，進(jìn)行頻偏校正。這是基站側(cè)終端側(cè)進(jìn)行頻偏校正的基本原理。

圖2　終端頻偏示意圖

在此基礎(chǔ)上提出了一種針對快速移動的特點設(shè)計的基站頻率校正算法。該算法采用先進(jìn)的自動頻率校正技術(shù)，根據(jù)高速移動的特點，通過快速測算基站與終端無線鏈路的比特流，自動校正兩者之間的頻率偏差，從而高效地補償高速移動下產(chǎn)生的多譜勒效應(yīng)。具體為對于下行信號來說，基站和終端側(cè)同時具備頻偏校正功能，對上行信號來說，終端和基站同時具備上行定時調(diào)整功能。

3.2高鐵場景切換技術(shù)

在UE（用戶設(shè)備）高速場景下的切換問題主要有兩個，一是頻繁切換，二是切換成功率低，這兩項都對切換的性能有較大的影響。首先，由于架設(shè)基站和天線時，小區(qū)之間的距離是固定的，相比低速移動的用戶來說，高速移動的用戶要移動同樣的距離，所使用的時間必然大大縮短。這就造成了同樣時間段內(nèi)，高速移動切換次數(shù)的劇增。其次，切換次數(shù)的增加使得用戶對于切換成功率更加敏感，為保證用戶無縫移動性及QoS，最基本的要求就是用戶通過切換區(qū)域的時間要大于切換的處理時間。在高速場景下，由于UE駐留時間小于小區(qū)選擇過程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。

為了解決頻繁切換問題，在基站改進(jìn)算法，設(shè)計了多個RRU共PCI的方案。這樣在高速移動中，隨著終端的移動，終端所在小區(qū)的PCI并沒有變化。相比于傳統(tǒng)的兩基站間距離為3km來說，若使用2小區(qū)共PCI，則切換點之間距離由原來的3km增至6km。以此類推，若采用4小區(qū)共PCI，則切換點之間距離可增至9km。這樣大大降低了切換次數(shù)。

在具體設(shè)計和測試驗證中，綜合考慮兩種策略，設(shè)計了兩種切換場景，即發(fā)生切換的兩個小區(qū)同抱桿和不同抱桿兩種情況。

（1）切換小區(qū)不同抱桿

發(fā)生切換的兩小區(qū)不同抱桿，即同一抱桿中的各小區(qū)共同擁有相同的PCI。

（2）切換小區(qū)同抱桿

發(fā)生切換的兩小區(qū)同抱桿，即同一抱桿中的各小區(qū)PCI不同，且發(fā)生切換。

提高切換成功率方面，分析切換過程中的全部信令，主要有3個步驟，分別為UE負(fù)責(zé)上報測量、eNB對測量上報做出判斷、發(fā)送切換命令進(jìn)行切換。在高速移動狀態(tài)，要求切換必須及時，從而保證在當(dāng)前小區(qū)信號還沒有惡化前，完成切換。在切換過程中，優(yōu)化思路為基站可適當(dāng)減小周期上報的參數(shù)TimetoTrigger、增強基站處理能力、減小處理時延等，同時在保證切換成功率的前提下，盡可能縮短小區(qū)選擇、重選和駐留的時間。

下面介紹微基站組網(wǎng)的測試技術(shù)和方法。

4　測試技術(shù)

4.1測試方案

微基站在室外驗證時的方案與第2章中圖1的組網(wǎng)圖基本相同。需要特別說明的是，當(dāng)室外驗證的環(huán)境不充分時，可以采用圖3的室內(nèi)測試方案，此方案基本涵蓋了組網(wǎng)圖1涉及的全部網(wǎng)元，唯一不同的是增加了信道仿真器，用它來做室內(nèi)模擬高速鐵路場景的多普勒頻移等場景，其中信道仿真器包含兩個不可缺少的模型，一是高速（350km/h）模型，二是AWGN信道衰落模型。

圖3　微基站測試連接示意圖

4.2頻偏測試

解決多普勒頻偏校正需要基站和車載系統(tǒng)設(shè)備共同支持，其中基站側(cè)要實現(xiàn)上行多普勒頻偏糾正，車載系統(tǒng)設(shè)備需要具備下行頻率修正功能。

對于下行多普勒頻移的校正，在高速場景下采用自動頻率控制來降低多普勒頻移，通過配置上行有用信號及PUCCH和PUSCH相關(guān)參數(shù)類控制頻偏計算。同理，對于車載設(shè)備CPE或者終端側(cè)的下行頻率修正功能類似。

對于上行來說，當(dāng)高速移動的終端接受f_d的頻偏時，根據(jù)?f計算出上行發(fā)送的提前量Timing Advance，將上行信號按照TA指定位置和指定時間發(fā)送，從而使上行信號到達(dá)基站可以正常接收和解調(diào)。

4.3切換測試

切換測試包括室內(nèi)和室外兩種場景。室外場景為真實的高鐵運行路線中實地測試?？紤]到室外高鐵驗證環(huán)境復(fù)雜，也可考慮在室內(nèi)驗證時使用信道仿真器模擬高速運行環(huán)境部署測試方案。對室內(nèi)來說，信道仿真器包含兩個不可缺少的模型，一是高速多普勒頻偏模型（300～350km/h），二是AWGN信道衰落模型。

切換測試中需要的檢查點有4個：切換成功率、終端接入成功率、接入時延、上下行吞吐量等指標(biāo)。

4.4業(yè)務(wù)承載測試

由于此系統(tǒng)包含了TD-LTE、2G、3G和Wi-Fi信號，針對不同模式的業(yè)務(wù)處理，方案設(shè)計了不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級。對于優(yōu)先級的處理主要有3種場景，一是下行業(yè)務(wù)的QoS優(yōu)先級，二是回傳鏈路QoS控制，以及雙向會車場景的擁塞控制。

在測試中，是由在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上實現(xiàn)上述優(yōu)先級處理的，具體為設(shè)計基于端口的QoS優(yōu)先級。對于承載的Iub、Abis接口數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控數(shù)據(jù)、Wi-Fi接入，網(wǎng)關(guān)提供優(yōu)先級設(shè)置和QoS質(zhì)量保證。優(yōu)先傳送Iub和Abis數(shù)據(jù)，其次視頻，再次Wi-Fi。

此外，回傳鏈路QoS控制以及雙向會車場景時擁塞控制，主要在接入網(wǎng)關(guān)上實現(xiàn)，包括基于VLAN等技術(shù)實現(xiàn)流分類、帶寬控制、擁塞控制等能力。

檢查指標(biāo)為：高優(yōu)先級QoS業(yè)務(wù)能得到優(yōu)先保證、Wi-Fi視頻清晰、2/3G話音質(zhì)量有保證。

5　結(jié)束語

本文定義了一種基于TD-LTE的高速鐵路寬帶組網(wǎng)方案，在地面系統(tǒng)使用TD-LTE信號，車廂內(nèi)TD-LTE微基站和Wi-Fi、3G、2G聯(lián)合組網(wǎng)，并使用TD-LTE作為回傳技術(shù)。通過改進(jìn)TD-LTE基站的算法來處理多普勒頻偏，通過改變TD-LTE基站和天線分布來改善切換性能，為TD-LTE在高速鐵路中的應(yīng)用提供了一種方案。

參考文獻(xiàn)

［1］劉方森，李壽鵬，李方村，等.TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（2）.

收稿日期：（2016-05-08）

Research on key technology of high speed railway broadband communication based on TD-LTE

GUO Fengran，YANG Siyuan

Abstract：Based on the research of TD-LTE application in high-speed railway，this paper design a broadband communications system which consist of TD-LTE Macro-NodeB，Wi-Fi，2/3G，and use TD-LTE as return technology，by analysing its key technology of macro NodeB，thus providing a reference solution for TD-LTE application in high-speed railway.

Key words：high-speed railway；TD-LTE；Macro-NodeB