破解TD高速铁路覆盖难题

破解TD高速铁路覆盖难题
鼎桥通信技术有限公司宋建霞蔡文涛申志坚
导语：随着铁路列车运行速度的提高，人们在高铁列车中使用通信工具的机会越来越多，对高速环境下通信服务的种类和质量的要求也越来越高，鼎桥提供的高铁环境下的覆盖解决方案，完全可以满足这种日益增长的需求，为人们的旅行生活带来更舒适的通信体验。

随着社会经济的发展和科技水平的提高，高速铁路逐渐渗透到人们的日常生活。

经过2007年4月第6次大提速后，时速超过200公里的铁路里程有6003公里，其中时速超过250公里的高速铁路里程有846公里。

规划中的京沪高铁的时速将达到350公里，上海磁悬浮列车时速更高达431公里。

根据铁道部“十一五”规划，中国将投资12500亿元人民币，建设17000公里铁路新线，其中客运专线7000公里，列车时速将达到200公里至300公里以上。

并计划将来更多的投资以建成“五纵五横十联”的高速铁路网络。

运动速度的提高对移动通信系统建设提出更高的要求。

如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量，是移动运营商和移动设备商共同面对的难题。

不仅如此，高速铁路的建设环境包罗万象，除了城市和平原，还有高山、丘陵、戈壁、沙漠、桥梁和隧道。

可以说涵盖了几乎所有的无线通信场景。

所以，如何在高速移动环境下保持好的网络覆盖和通信质量，是对TD-SCDMA技术的挑战。

影响高速移动通信的因素
高速移动状态下的通信相比静止状态或低速状态下的通信面临更多的问题，多普勒效应和快速切换带来的影响是高速移动环境下不得不解决的两大难题，速度越高，影响越大，解决难度也越大，对技术的要求也越高。

1.多普勒频率偏移
高速铁路的无线传播环境类似农村场景，反射体较少，直射路径占优，多普勒频率扩散现象不突
出，但多普勒频率偏移比较严重，以至于对UE和基站的性能有较大影响。

假设基站主载频为，由于UE移动导致的多普勒频移为，则UE自动锁定最佳服务小区的接收信号频率，并将该频率作为参考基准发送上行信号；UE发射的上行信号到达基站天线时，其频率为，该频率与基站主载频的偏差为（图1）。

多普勒频移对基站和终端解调信号都产生影响。

对基站的影响：TD-SCDMA采用中间码做信道估计，再采用估计出来的信道对两端数据域做联合检测。

受多普勒频移的影响，数据域码片与中间码片发生较大的相位变化，从而影响数据域的符号检测。

举例说明，当移动速度为300公里时，最大多普勒频移为556Hz，两倍多频率频移＝1112Hz 使得一个时隙中间的码片与时隙两端的码片有556*2*360/1.28e6*(848/2)＝133度(>90度)的相位变化，这将使得时隙两端的符号无法正确检测。

对终端的影响：为了对抗由多普勒效应而产生的频率抖动，用户终端通过自动频率补偿A F C （Automatic Frequency Correction）技术来自动锁定最佳服务小区的接收信号频率，并将锁定的频率作为参考基准发送上行信号。

不难看出，AFC算法对于减小多普勒频移产生的影响，提高解调性能，起到至关重要的作用。

但多个天线向用户发射下行信号时（图2），处于交界位置的UE收到的下行信号有两倍频偏的跳变，影响下行信号的解调性能，严重时甚至可能脱网。

图1 上行接收信号的多普勒频偏
图2 下行接收信号的多普勒频偏
2.快速切换的影响
影响高速铁路覆盖的另一个因素是快速切换。

假设切换区大小不变，那么移动速度越高穿越切换区的时间越短。

当UE移动速度足够快以至于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时延，则切换流程无法完成，导致掉话。

高速移动使得切换和小区重选频繁。

合理规划基站间重叠覆盖区，保证良好的信号覆盖，是保证网络性能的重要前提。

此外，要针对高速移动的特殊场景，优化切换判决条件和流程，减少切换和重选的时延，以确保快速越区切换和小区重选成功。

对症下药
针对上述主要问题的分析，为了解决高速覆盖问题，鼎桥在提高基站接收机性能、提高切换成功率、改善覆盖效果等方面，提出了诸多行之有效的解决方案。

1.改善接收机性能
对于上行信号的2倍频偏，解决办法是对上行接收信号进行频偏估计和补偿；对UE下行接收信号存在的频率跳变，解决方案是NodeB端对下行发送信号进行频偏预置，使得UE接收到的信号无频偏。

为了对抗上行多普勒频率偏移，基站接收机必须进行上行频率纠偏功能。

上行频率纠偏对上行性能影响很大：未进行上行频率纠偏时，300公里时速的上行性能比120公里时速恶化了约7dB，而500公里时速的频偏导致信号无法正确解调；采用上行频率纠偏算法之后，300公里时速的上行性能与120公里时速性能相当，而500公里时速的上行性能也有很大提升。

为了对抗下行频率跳变引起的性能恶化，基站根据上行接收信号来确定下行频率偏移的大小，然后对发送给终端的下行信号进行频偏预置，使得下行接收信号无频偏，从而解决频率跳变可能引起的掉话、脱网。

采用专用的上行频偏补偿算法和下行频偏预置算法，鼎桥基站支持的最大频偏达到2000Hz，在基站信号传播方向与终端运动方向夹角为0或180度的情况下，可以支持539公里/小时的移动速度，完全满足现有高速铁路的覆盖需求。

2.提供丰富的切换解决方案
高速铁路移动通信网沿着高速铁路建设，无线基站设置为链状结构；由于列车的高速行驶，频繁跨越小区，移动通信系统必须具有快速切换的功能。

该问题可以通过以下方法解决：
1、合理规划小区间重叠覆盖区域大小。

保证将满足切换条件的测量事件上报之后，UE有足够的时间跨越整个重叠覆盖区。

2、优化切换参数，及早触发切换，减少切换时延。

3、相邻小区考虑异频切换优先。

为避免多普勒效应引发的同频邻区相对频偏会影响用户终端的测量精确度，采用异频切换方案更能保证通信质量。

4、扩大小区的覆盖范围，减少切换/重选频率。

为了扩大小区覆盖范围，可采用基带池＋RRU(射频拉远单元)＋多幅天线的网络覆盖方案，属于同一小区的多幅天线沿高速铁路部署，从而减少切换频率以提高网络性能。

这种方案中，同一小区内的天线下面不存在切换，通过相应的基带处理，单小区可以跨越多个RRU覆盖区，可以根据容量的需求，来合理规划小区的覆盖范围。

3.组网策略
在高铁覆盖中，有专网和大网两种组网方案。

专网组网即以专用网络覆盖高速铁路沿线，与大网相对独立。

大网组网即不单独考虑高速场景的覆盖，与其他场景合为一体统一地由室外宏蜂窝大网提供覆盖。

专网组网有利于切换链的设计，除了在车站和列车停留区域与大网允许切换外，沿线采用链形邻区设计，不与大网发生切换。

可以很好保证高铁的用户在高速移动时切换和重选的路径，提高通信质量；有利于应用专用于高速场景的无线资源管理算法、切换和重选策略和网络参数值，从而更好的提高整个网络的质量。

但专网一个很大的问题是和大网的融合问题：在密集城区和列车的站点附近，是专网和大网的进出口。

如何判断由哪个网络给用户提供服务，如何防止用户误附着，以及对误附着的用户如何处理，是专网方案设计的难题。

大网方案则不用考虑误附着等问题，且资源利用率高，成本相对低，但是大网很难兼顾一般场景和高速场景的通信需求，优化难度大。

针对目前TD-SCDMA网络的应用场景，一般在普通铁路和高速公路场景下可以考虑采用大网组网方式，在高速铁路场景中建议采用专网方式。

考虑到高速铁路沿线覆盖区域低速用户很少，可以在高铁沿线小区采用链形邻区设置、专用于高速场景的无线资源管理算法，根据快速切换的需要规划切换带、优化切换参数。

在专网大网出入口，如车站小区，可以根据移动路径灵活规划邻区关系和切换带，从而满足切换需求。