TD-SCDMA高速交通干線覆蓋解決方案

標(biāo)簽：TD-SCDMA  高速移動通信

1、引言

在目前的建網(wǎng)條件下，磁懸浮列車、高速鐵路和高速公路等高速交通干線的覆蓋是實(shí)現(xiàn)兩城市間TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)連續(xù)覆蓋的關(guān)鍵手段，是大規(guī)模試商用和未來商用網(wǎng)絡(luò)覆蓋不可或缺的部分，若不能在發(fā)展越來越快、車速越來越高的高速交通干線上提供連續(xù)覆蓋的高QoS的3G業(yè)務(wù)，將對整個TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用和運(yùn)營商的品牌推廣帶來不利影響。

未來的陸地高速交通干線時速將在200公里至300公里，而對高速輪軌和磁懸浮等交通干線而言，時速將會達(dá)到350公里以上，甚至高達(dá)500公里。TD-SCDMA系統(tǒng)必須根據(jù)自身技術(shù)和系統(tǒng)發(fā)展的特點(diǎn)，針對高速交通干線對移動通信的不同需求，提出合理的可實(shí)現(xiàn)的分步實(shí)施的解決方案，滿足網(wǎng)絡(luò)不同發(fā)展階段的覆蓋需求。

由于采用了時分雙工(TDD)、上行同步、智能天線和聯(lián)合檢測等關(guān)鍵技術(shù)，TD-SCDMA系統(tǒng)對高速移動通信的支持能力是有別于其它移動系統(tǒng)的。那么影響TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動通信性能的因素有哪些?要支持超高速的交通干線的覆蓋，TD-SCDMA系統(tǒng)需要做哪些優(yōu)化或調(diào)整呢?組網(wǎng)方案上需要如何調(diào)整?這些都是急待解決的問題，下文將針對以上提出的問題進(jìn)行詳細(xì)論述，并提出最終的解決方案。

2、TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動通信性能影響因素分析

首先，對于移動通信系統(tǒng)，在高速移動狀態(tài)下，信道衰落周期將變短,因此就雙工通信模式比較而言，TDD系統(tǒng)相對于FDD系統(tǒng)，其抗快衰落特性和多普勒頻移能力是有所降低的。

第一，基于技術(shù)上的區(qū)別，3GPP標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議規(guī)定FDD系統(tǒng)需支持最高移動速度為500km/h，TDD系統(tǒng)最高移動速度則定義為120km/h，因此，TD-SCDMA系統(tǒng)若需支持更高速度的高速移動通信，必須在技術(shù)上進(jìn)一步改進(jìn)。

第二，TD-SCDMA系統(tǒng)要求實(shí)現(xiàn)嚴(yán)格的上行同步，在高速移動環(huán)境下，可能出現(xiàn)同步偏差而不能達(dá)到系統(tǒng)要求的1/8Chip的同步精度，可能致使系統(tǒng)性能有一定程度的下降。

第三，智能天線快速下行賦形要求上、下行信道必須具備互易性，而在高速移動環(huán)境下，上下行信道的相關(guān)性變?nèi)酰锌赡茉斐上到y(tǒng)性能的下降。需要根據(jù)不同的速度選擇合適的天線方案。

第四，對于聯(lián)合檢測而言，按照R4 TD-SCDMA系統(tǒng)的時隙結(jié)構(gòu)(見圖1)，在QPSK調(diào)制模式下，TD-SCDMA的中間碼(midamble碼)對高速移動產(chǎn)生的多普勒頻偏估計的能力大概在160-250km/h。如果移動速度更高，由于信道的快速變化，數(shù)據(jù)部分特別是burst兩端的數(shù)據(jù)符號，經(jīng)歷的實(shí)際信道與信道估計的偏差較大，因而兩端的數(shù)據(jù)和中心midamble碼的信道估計在幅度和相位上會產(chǎn)生一定誤差，從而使系統(tǒng)解調(diào)性能有所下降。

圖1：TD-SCDMA系統(tǒng)時隙突發(fā)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)

綜上所述，影響TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動通信性能的關(guān)鍵因素為高速移動狀態(tài)下產(chǎn)生的多普勒頻移效應(yīng)和信道估計的偏差、同步難度加大，以及上、下信道相關(guān)性減弱等問題。

3、TD-SCDMA高速移動物理層解決方案與性能

根據(jù)前述分析，為了提高TD-SCDMA系統(tǒng)對高速移動的支持能力，針對影響TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動通信所產(chǎn)生的問題，需要在不改變系統(tǒng)幀結(jié)構(gòu)的情況下，提出有效的解決方案。經(jīng)過理論分析和大量的仿真分析，在物理層技術(shù)方面可以通過優(yōu)化智能天線的賦形算法(如采用EBB算法)和聯(lián)合檢測信道估計算法來實(shí)現(xiàn)，關(guān)鍵是解決多普勒頻移對系統(tǒng)性能的影響。

移動通信中的Doppler頻移如公式(1)所示：

公式(1)

公式(1)中，V：移動臺速度,C:無線電波的傳播速度，q：信號到達(dá)角度，fc為通信載波中心頻率。

由公式(1)可以計算，當(dāng)高速移動速度為400km/h時,TD-SCDMA的頻偏將大于700Hz，此時若不進(jìn)行有效校正，系統(tǒng)解調(diào)性能將嚴(yán)重惡化，系統(tǒng)將不能正常通信。

另外，在高速移動過程中，基站和終端經(jīng)歷的多普勒頻移是不同的，如圖2所示，假設(shè)終端在高速移動過程中產(chǎn)生的多普勒頻移為Δf ，則信號經(jīng)過基站到終端下行鏈路和終端到基站的上行鏈路的往返傳播返回基站的多普勒頻移將達(dá)到2Δf 。因此，基站和終端應(yīng)分別采取相應(yīng)的補(bǔ)償算法。

圖2：基站與移動終端多普勒頻移特性

基站側(cè)：優(yōu)化改進(jìn)接收機(jī)算法，通過在檢測算法中加入相位校準(zhǔn)和多普勒頻移估計功能，可以很好地實(shí)現(xiàn)對信道變化的捕獲和跟蹤，只要在算法中予以補(bǔ)償，就可以有效地消除多普勒頻移帶來的影響，使得系統(tǒng)支持高達(dá)250km/h以上的高速移動通信。從圖3的仿真性能可知,時速250km時，不加相位補(bǔ)償算法，系統(tǒng)解調(diào)性能明顯惡化;使用相位校準(zhǔn)算法后，解調(diào)門限比120km惡化約2dB;對于400km的速度，沒有相位補(bǔ)償算法基本無法工作，使用相位補(bǔ)償算法有明顯增益;而實(shí)際網(wǎng)絡(luò)測試結(jié)果表明當(dāng)時速達(dá)到250-350km/h時，通話仍然能夠保持連續(xù)，話音清晰、鏈路質(zhì)量高。

圖3：TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動性能仿真結(jié)果

終端側(cè)：與基站比較，其多普勒頻移較小，而且終端本身具備頻偏矯正和自動頻偏控制功能，即按一定周期和步長來調(diào)整頻偏，使終端頻率跟上頻偏變化，因此即使存在大頻偏時，終端仍能正常解調(diào)，不影響接收性能。但終端需要解決頻偏跳變的問題，即在小區(qū)交界處，終端發(fā)生重選和切換時，由于相對于基站移動方向的改變，會產(chǎn)生頻偏跳變，由負(fù)頻偏變?yōu)檎l偏，進(jìn)而要求終端自動頻偏控制能力應(yīng)保證在一定時間內(nèi)將頻偏控制到允許范圍內(nèi)。

4、TD-SCDMA高速移動無線資源管理解決方案

無線資源管理算法和參數(shù)對TD-SCDMA系統(tǒng)高速移動的性能有很大影響，為了使系統(tǒng)更好的支持高速移動環(huán)境，減小高速移動狀態(tài)下的同步和切換的影響，需要對RRM算法與參數(shù)進(jìn)行精心設(shè)計和優(yōu)化。

4.1 小區(qū)重選策略

在高速移動環(huán)境下，如果在服務(wù)小區(qū)的邊緣不能很快重選到目標(biāo)小區(qū)的話，此時服務(wù)小區(qū)信號強(qiáng)度比較差，容易引起脫網(wǎng)或者起呼失敗。因此，優(yōu)化的解決方案應(yīng)該是降低小區(qū)重選定時器取值并減少服務(wù)小區(qū)重選滯后量的取值。

4.2 切換策略

在高速移動環(huán)境下，除了需要優(yōu)化設(shè)計切換帶的大小和合理配置鄰小區(qū)，切換算法要盡量采用簡單的基于1G或2A的導(dǎo)頻強(qiáng)度算法，保證最大限度地減小切換過程中的各種時延，提高切換速度。

切換帶的大小是通過切換算法參數(shù)來控制的，在時速250-400km/h移動環(huán)境下，充分考慮各種時延因素，應(yīng)通過參數(shù)的優(yōu)化將切換帶控制在500-700m左右。

合理配置鄰小區(qū)主要考慮高速移動環(huán)境下切換關(guān)系的簡化，可以考慮為高速移動場景設(shè)置專網(wǎng)小區(qū)，專網(wǎng)小區(qū)只建立內(nèi)部獨(dú)立和清晰的切換路徑，外部大網(wǎng)小區(qū)不與專網(wǎng)小區(qū)做切換關(guān)系，通過組網(wǎng)方案盡量擴(kuò)大單小區(qū)的覆蓋范圍，減少切換率。

4.3 頻率配置策略

高速移動場景的頻率規(guī)劃需要綜合考慮周邊的環(huán)境，需要與周邊協(xié)同進(jìn)行頻率規(guī)劃。在頻率資源、設(shè)備支持條件下，高速移動專網(wǎng)沿線與周圍大網(wǎng)系統(tǒng)盡量采取異頻組網(wǎng)。在頻率資源緊張情況下，至少應(yīng)保證與周圍大網(wǎng)系統(tǒng)有切換關(guān)系的小區(qū)主載頻異頻。

4.4 LAC區(qū)規(guī)劃策略

高速移動環(huán)境下應(yīng)對整個高速線路進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃，即在條件允許的情況下，盡量將高速移動線路劃分為一個專門的LAC區(qū)，如需要進(jìn)行LAC區(qū)更新，LAC更新區(qū)域最好選在線路慢速移動的區(qū)域，如高鐵車站或高速公路收費(fèi)站，這樣可以有效減少高速線路內(nèi)部LAC區(qū)更新。

4.5 RRM其它相關(guān)算法的優(yōu)化策略

 SDCA方法選擇：采用固定排序方法，鄰小區(qū)優(yōu)先級順序設(shè)置為不同的順序，減小小區(qū)間干擾。

 CAC方法選擇：采用基于碼道+功率的接入控制方法，保證用戶接入后的服務(wù)質(zhì)量。

 LCC方法選擇：采用基于功率的擁塞監(jiān)測準(zhǔn)則。小區(qū)擁塞之后采取降速率等方法，使小區(qū)很快恢復(fù)正常。

 PS方法選擇：建議不開啟PS算法。

 RLS方法選擇：根據(jù)用戶鏈路質(zhì)量(上行、下行)，對用戶鏈路進(jìn)行調(diào)整。調(diào)整策略可以設(shè)置為時隙調(diào)整、載波調(diào)整、降　速率。這樣可以改善用戶鏈路質(zhì)量，減小對其他用戶的干擾。

5、TD-SCDMA高速移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案

5.1高速移動場景特征分析

高速交通干線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的特點(diǎn)是容量需求不高，呈帶狀結(jié)構(gòu)，屬于典型的覆蓋受限系統(tǒng)，話務(wù)量需求較低，但是對連續(xù)覆蓋的要求比較高。圖4和表1表示了目前典型高速交通干線場景和特征。

圖4：高速移動場景示意圖

兩種典型高速交通干線特征：

高速公路場景 高速鐵路場景

移動速度80～160KM/H 移動速度在200～350KM/H,磁懸浮等特殊場景超過400KM/H

高速公路用戶密度低，用戶相對分散 高速鐵路用戶分布在列車車廂

考慮不同季節(jié)樹木的影響 考慮不同季節(jié)樹木的影響

傳播播環(huán)境較好 傳播播環(huán)境較好

重點(diǎn)以解決覆蓋為目標(biāo) 重點(diǎn)以解決覆蓋為目標(biāo)

穿透損耗主要考慮行使汽車的穿透， 穿透損耗主要考慮列車車廂穿透，

相對較小 相對較大

5.2高速移動環(huán)境覆蓋策略分析

為了合理設(shè)計和控制系統(tǒng)切換率和用戶的切換頻率，一般采用大站距、高掛高、高增益窄波束的定向天線。另外，對高速交通干線的覆蓋，可根據(jù)道路周圍有無村莊分布分為兩種情況考慮。第一種是對于有村莊分布的交通干道，應(yīng)一并考慮村莊覆蓋，即在對村莊采用宏基站進(jìn)行連續(xù)覆蓋的同時也考慮對道路的覆蓋，僅對部分覆蓋盲區(qū)采用微基站或直放站進(jìn)行補(bǔ)盲;第二種是對于沒有村莊分布的交通干道，則需要單獨(dú)考慮，一般選擇宏基站或微基站以定向兩扇區(qū)的方式對高速交通干線進(jìn)行覆蓋，使基站天線方向與高速交通干線的走向一致，以實(shí)現(xiàn)良好的覆蓋效果，并建議盡量采用如圖5所示的異頻組網(wǎng)方式，這樣既可以充分利用頻譜資源，又能有效控制和降低小區(qū)間干擾，提高切換性能，降低網(wǎng)絡(luò)運(yùn)維成本。

5.3天線解決方案

為了使先進(jìn)的智能天線EBB算法在高速移動等各種覆蓋場景下發(fā)揮最好性能，獲得最大賦形增益，天線解決方案應(yīng)考慮如下幾個方面：

 1.天線安裝的相對高度相對較高，一般天線掛高為40-60米;

 2.使用15-18dBi窄波瓣的高增益天線，獲得較好的無線覆蓋;

 3.天線的主瓣沿高速線路方向形成覆蓋;

 4.一般不使用下傾或只采用小角度下傾;

 5.可采用S1/1實(shí)現(xiàn)扇區(qū)覆蓋;

 6.通過BBU+RRU的方式使同一個站點(diǎn)的不同天線，甚至不同發(fā)射點(diǎn)的天線隸屬于相同的小區(qū)，在保證覆蓋的同時，減少越區(qū)切換/重選次數(shù);

 7.對于超過250km/h以上的高速列車場景，如磁懸浮列車，智能天線作用不明顯，可考慮采用高增益的雙極化天線。

5.4高速移動環(huán)境設(shè)備解決方案

根據(jù)TD-SCDMA系統(tǒng)目前的設(shè)備情況，可以采用微基站、宏基站、直放站和RRU做節(jié)點(diǎn)信源，站間距在5-10公里，也可以根據(jù)覆蓋環(huán)境和可用資源的情況，采用微基站+直放站、宏基站+直放站和RRU+直放站等組合方式實(shí)現(xiàn)不同需求的組網(wǎng)覆蓋，提高組網(wǎng)的靈活性，降低建網(wǎng)成本。圖5是采用拉遠(yuǎn)技術(shù)對高速功率的覆蓋解決方案，其特點(diǎn)是：

 1.大容量拉遠(yuǎn)型宏基站作信源

 2.RRS光纖拉遠(yuǎn)

 3.基帶資源共享

 4.BBU與RRU之間支持載波級任意配置，即靈活支持“基帶池”

 5.支持陣元級任意配置，即靈活支持“天線池”

圖5：高速公路覆蓋解決方案

6、實(shí)際組網(wǎng)案例

目前國內(nèi)的高速公路限速為120km/h，在不進(jìn)行任何特殊手段處理，TD-SCDMA系統(tǒng)已經(jīng)能很好地滿足實(shí)際組網(wǎng)覆蓋的需求，經(jīng)過實(shí)測，由大唐移動通信設(shè)備有限公司承建的從保定到北京段的高速公路場景下，在160km/h時速下，CS12.2K語音業(yè)務(wù)、CS64K可視電話直至PS384K數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都能很好地起呼、保持，切換成功率達(dá)100%。

在廣深高速鐵路上，20km長的路段上采用了15個BBU+RRU的TD-SCDMA基站組成的專網(wǎng)覆蓋方案，全部基站采用了智能天線，同時采用了小區(qū)合并，多普勒頻移補(bǔ)償算法，獨(dú)特的RRM算法和切換算法，以及優(yōu)選的鄰區(qū)設(shè)置、小區(qū)覆蓋半徑和參數(shù)設(shè)置等等特殊處理手段，在高達(dá)202km/h的高速下，其實(shí)際測試性能良好，呼叫建立時間小于3.91秒，起呼104次CS12.2K語音業(yè)務(wù)，掉話2次，掉話率小于2%，接通率達(dá)98%。

上海磁懸浮鐵軌全長34km，采用了19個BBU+RRU的TD-SCDMA基站組成專網(wǎng)覆蓋方案，所有基站全部采用普通雙極化天線，同時采用了小區(qū)合并，多普勒頻移補(bǔ)償算法，獨(dú)特的RRM算法和切換算法，以及優(yōu)選的鄰區(qū)設(shè)置、小區(qū)覆蓋半徑和參數(shù)設(shè)置等等特殊處理手段，在最高時速達(dá)431km/h的環(huán)境下，實(shí)測結(jié)果b表明，CS12.2K語音業(yè)務(wù)、CS64K可視電話直至PS384K數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)都能很好地起呼、保持，切換成功率達(dá)100%。

7、 結(jié)論

通過上述的分析可以看到，TD-SCDMA不僅能夠獨(dú)立組網(wǎng)，而且是一張能滿足不同場景、支持陸地高速移動環(huán)境的3G網(wǎng)絡(luò)。未來的高速交通干線需要3G網(wǎng)絡(luò)的覆蓋，通過算法優(yōu)化、RRM算法與參數(shù)控制及優(yōu)化的網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，以及隨著標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)和方案的演進(jìn)，TD-SCDMA不但能夠在建網(wǎng)初期實(shí)現(xiàn)對現(xiàn)有高速交通干線的有效覆蓋，而且在后續(xù)發(fā)展中也能很好的支持超高速交通干線的有效覆蓋，保證了基于TDD模式演進(jìn)的3G網(wǎng)絡(luò)能夠?qū)崿F(xiàn)一個可持續(xù)發(fā)展的精品網(wǎng)絡(luò)。