TD-SCDMA高速交通干线覆盖解决方案

标签：TD-SCDMA  高速移动通信

1、引言

在目前的建网条件下，磁悬浮列车、高速铁路和高速公路等高速交通干线的覆盖是实现两城市间TD-SCDMA网络连续覆盖的关键手段，是大规模试商用和未来商用网络覆盖不可或缺的部分，若不能在发展越来越快、车速越来越高的高速交通干线上提供连续覆盖的高QoS的3G业务，将对整个TD-SCDMA网络的应用和运营商的品牌推广带来不利影响。

未来的陆地高速交通干线时速将在200公里至300公里，而对高速轮轨和磁悬浮等交通干线而言，时速将会达到350公里以上，甚至高达500公里。TD-SCDMA系统必须根据自身技术和系统发展的特点，针对高速交通干线对移动通信的不同需求，提出合理的可实现的分步实施的解决方案，满足网络不同发展阶段的覆盖需求。

由于采用了时分双工(TDD)、上行同步、智能天线和联合检测等关键技术，TD-SCDMA系统对高速移动通信的支持能力是有别于其它移动系统的。那么影响TD-SCDMA系统高速移动通信性能的因素有哪些?要支持超高速的交通干线的覆盖，TD-SCDMA系统需要做哪些优化或调整呢?组网方案上需要如何调整?这些都是急待解决的问题，下文将针对以上提出的问题进行详细论述，并提出最终的解决方案。

2、TD-SCDMA系统高速移动通信性能影响因素分析

首先，对于移动通信系统，在高速移动状态下，信道衰落周期将变短,因此就双工通信模式比较而言，TDD系统相对于FDD系统，其抗快衰落特性和多普勒频移能力是有所降低的。

第一，基于技术上的区别，3GPP标准协议规定FDD系统需支持最高移动速度为500km/h，TDD系统最高移动速度则定义为120km/h，因此，TD-SCDMA系统若需支持更高速度的高速移动通信，必须在技术上进一步改进。

第二，TD-SCDMA系统要求实现严格的上行同步，在高速移动环境下，可能出现同步偏差而不能达到系统要求的1/8Chip的同步精度，可能致使系统性能有一定程度的下降。

第三，智能天线快速下行赋形要求上、下行信道必须具备互易性，而在高速移动环境下，上下行信道的相关性变弱，有可能造成系统性能的下降。需要根据不同的速度选择合适的天线方案。

第四，对于联合检测而言，按照R4 TD-SCDMA系统的时隙结构(见图1)，在QPSK调制模式下，TD-SCDMA的中间码(midamble码)对高速移动产生的多普勒频偏估计的能力大概在160-250km/h。如果移动速度更高，由于信道的快速变化，数据部分特别是burst两端的数据符号，经历的实际信道与信道估计的偏差较大，因而两端的数据和中心midamble码的信道估计在幅度和相位上会产生一定误差，从而使系统解调性能有所下降。

图1：TD-SCDMA系统时隙突发数据结构

综上所述，影响TD-SCDMA系统高速移动通信性能的关键因素为高速移动状态下产生的多普勒频移效应和信道估计的偏差、同步难度加大，以及上、下信道相关性减弱等问题。

3、TD-SCDMA高速移动物理层解决方案与性能

根据前述分析，为了提高TD-SCDMA系统对高速移动的支持能力，针对影响TD-SCDMA系统高速移动通信所产生的问题，需要在不改变系统帧结构的情况下，提出有效的解决方案。经过理论分析和大量的仿真分析，在物理层技术方面可以通过优化智能天线的赋形算法(如采用EBB算法)和联合检测信道估计算法来实现，关键是解决多普勒频移对系统性能的影响。

移动通信中的Doppler频移如公式(1)所示：

公式(1)

公式(1)中，V：移动台速度,C:无线电波的传播速度，q：信号到达角度，fc为通信载波中心频率。

由公式(1)可以计算，当高速移动速度为400km/h时,TD-SCDMA的频偏将大于700Hz，此时若不进行有效校正，系统解调性能将严重恶化，系统将不能正常通信。

另外，在高速移动过程中，基站和终端经历的多普勒频移是不同的，如图2所示，假设终端在高速移动过程中产生的多普勒频移为Δf ，则信号经过基站到终端下行链路和终端到基站的上行链路的往返传播返回基站的多普勒频移将达到2Δf 。因此，基站和终端应分别采取相应的补偿算法。

图2：基站与移动终端多普勒频移特性

基站侧：优化改进接收机算法，通过在检测算法中加入相位校准和多普勒频移估计功能，可以很好地实现对信道变化的捕获和跟踪，只要在算法中予以补偿，就可以有效地消除多普勒频移带来的影响，使得系统支持高达250km/h以上的高速移动通信。从图3的仿真性能可知,时速250km时，不加相位补偿算法，系统解调性能明显恶化;使用相位校准算法后，解调门限比120km恶化约2dB;对于400km的速度，没有相位补偿算法基本无法工作，使用相位补偿算法有明显增益;而实际网络测试结果表明当时速达到250-350km/h时，通话仍然能够保持连续，话音清晰、链路质量高。

图3：TD-SCDMA系统高速移动性能仿真结果

终端侧：与基站比较，其多普勒频移较小，而且终端本身具备频偏矫正和自动频偏控制功能，即按一定周期和步长来调整频偏，使终端频率跟上频偏变化，因此即使存在大频偏时，终端仍能正常解调，不影响接收性能。但终端需要解决频偏跳变的问题，即在小区交界处，终端发生重选和切换时，由于相对于基站移动方向的改变，会产生频偏跳变，由负频偏变为正频偏，进而要求终端自动频偏控制能力应保证在一定时间内将频偏控制到允许范围内。

4、TD-SCDMA高速移动无线资源管理解决方案

无线资源管理算法和参数对TD-SCDMA系统高速移动的性能有很大影响，为了使系统更好的支持高速移动环境，减小高速移动状态下的同步和切换的影响，需要对RRM算法与参数进行精心设计和优化。

4.1 小区重选策略

在高速移动环境下，如果在服务小区的边缘不能很快重选到目标小区的话，此时服务小区信号强度比较差，容易引起脱网或者起呼失败。因此，优化的解决方案应该是降低小区重选定时器取值并减少服务小区重选滞后量的取值。

4.2 切换策略

在高速移动环境下，除了需要优化设计切换带的大小和合理配置邻小区，切换算法要尽量采用简单的基于1G或2A的导频强度算法，保证最大限度地减小切换过程中的各种时延，提高切换速度。

切换带的大小是通过切换算法参数来控制的，在时速250-400km/h移动环境下，充分考虑各种时延因素，应通过参数的优化将切换带控制在500-700m左右。

合理配置邻小区主要考虑高速移动环境下切换关系的简化，可以考虑为高速移动场景设置专网小区，专网小区只建立内部独立和清晰的切换路径，外部大网小区不与专网小区做切换关系，通过组网方案尽量扩大单小区的覆盖范围，减少切换率。

4.3 频率配置策略

高速移动场景的频率规划需要综合考虑周边的环境，需要与周边协同进行频率规划。在频率资源、设备支持条件下，高速移动专网沿线与周围大网系统尽量采取异频组网。在频率资源紧张情况下，至少应保证与周围大网系统有切换关系的小区主载频异频。

4.4 LAC区规划策略

高速移动环境下应对整个高速线路进行统一规划，即在条件允许的情况下，尽量将高速移动线路划分为一个专门的LAC区，如需要进行LAC区更新，LAC更新区域最好选在线路慢速移动的区域，如高铁车站或高速公路收费站，这样可以有效减少高速线路内部LAC区更新。

4.5 RRM其它相关算法的优化策略

 SDCA方法选择：采用固定排序方法，邻小区优先级顺序设置为不同的顺序，减小小区间干扰。

 CAC方法选择：采用基于码道+功率的接入控制方法，保证用户接入后的服务质量。

 LCC方法选择：采用基于功率的拥塞监测准则。小区拥塞之后采取降速率等方法，使小区很快恢复正常。

 PS方法选择：建议不开启PS算法。

 RLS方法选择：根据用户链路质量(上行、下行)，对用户链路进行调整。调整策略可以设置为时隙调整、载波调整、降　速率。这样可以改善用户链路质量，减小对其他用户的干扰。

5、TD-SCDMA高速移动网络覆盖解决方案

5.1高速移动场景特征分析

高速交通干线网络覆盖的特点是容量需求不高，呈带状结构，属于典型的覆盖受限系统，话务量需求较低，但是对连续覆盖的要求比较高。图4和表1表示了目前典型高速交通干线场景和特征。

图4：高速移动场景示意图

两种典型高速交通干线特征：

高速公路场景 高速铁路场景

移动速度80～160KM/H 移动速度在200～350KM/H,磁悬浮等特殊场景超过400KM/H

高速公路用户密度低，用户相对分散 高速铁路用户分布在列车车厢

考虑不同季节树木的影响 考虑不同季节树木的影响

传播播环境较好 传播播环境较好

重点以解决覆盖为目标 重点以解决覆盖为目标

穿透损耗主要考虑行使汽车的穿透， 穿透损耗主要考虑列车车厢穿透，

相对较小 相对较大

5.2高速移动环境覆盖策略分析

为了合理设计和控制系统切换率和用户的切换频率，一般采用大站距、高挂高、高增益窄波束的定向天线。另外，对高速交通干线的覆盖，可根据道路周围有无村庄分布分为两种情况考虑。第一种是对于有村庄分布的交通干道，应一并考虑村庄覆盖，即在对村庄采用宏基站进行连续覆盖的同时也考虑对道路的覆盖，仅对部分覆盖盲区采用微基站或直放站进行补盲;第二种是对于没有村庄分布的交通干道，则需要单独考虑，一般选择宏基站或微基站以定向两扇区的方式对高速交通干线进行覆盖，使基站天线方向与高速交通干线的走向一致，以实现良好的覆盖效果，并建议尽量采用如图5所示的异频组网方式，这样既可以充分利用频谱资源，又能有效控制和降低小区间干扰，提高切换性能，降低网络运维成本。

5.3天线解决方案

为了使先进的智能天线EBB算法在高速移动等各种覆盖场景下发挥最好性能，获得最大赋形增益，天线解决方案应考虑如下几个方面：

 1.天线安装的相对高度相对较高，一般天线挂高为40-60米;

 2.使用15-18dBi窄波瓣的高增益天线，获得较好的无线覆盖;

 3.天线的主瓣沿高速线路方向形成覆盖;

 4.一般不使用下倾或只采用小角度下倾;

 5.可采用S1/1实现扇区覆盖;

 6.通过BBU+RRU的方式使同一个站点的不同天线，甚至不同发射点的天线隶属于相同的小区，在保证覆盖的同时，减少越区切换/重选次数;

 7.对于超过250km/h以上的高速列车场景，如磁悬浮列车，智能天线作用不明显，可考虑采用高增益的双极化天线。

5.4高速移动环境设备解决方案

根据TD-SCDMA系统目前的设备情况，可以采用微基站、宏基站、直放站和RRU做节点信源，站间距在5-10公里，也可以根据覆盖环境和可用资源的情况，采用微基站+直放站、宏基站+直放站和RRU+直放站等组合方式实现不同需求的组网覆盖，提高组网的灵活性，降低建网成本。图5是采用拉远技术对高速功率的覆盖解决方案，其特点是：

 1.大容量拉远型宏基站作信源

 2.RRS光纤拉远

 3.基带资源共享

 4.BBU与RRU之间支持载波级任意配置，即灵活支持“基带池”

 5.支持阵元级任意配置，即灵活支持“天线池”

图5：高速公路覆盖解决方案

6、实际组网案例

目前国内的高速公路限速为120km/h，在不进行任何特殊手段处理，TD-SCDMA系统已经能很好地满足实际组网覆盖的需求，经过实测，由大唐移动通信设备有限公司承建的从保定到北京段的高速公路场景下，在160km/h时速下，CS12.2K语音业务、CS64K可视电话直至PS384K数据业务都能很好地起呼、保持，切换成功率达100%。

在广深高速铁路上，20km长的路段上采用了15个BBU+RRU的TD-SCDMA基站组成的专网覆盖方案，全部基站采用了智能天线，同时采用了小区合并，多普勒频移补偿算法，独特的RRM算法和切换算法，以及优选的邻区设置、小区覆盖半径和参数设置等等特殊处理手段，在高达202km/h的高速下，其实际测试性能良好，呼叫建立时间小于3.91秒，起呼104次CS12.2K语音业务，掉话2次，掉话率小于2%，接通率达98%。

上海磁悬浮铁轨全长34km，采用了19个BBU+RRU的TD-SCDMA基站组成专网覆盖方案，所有基站全部采用普通双极化天线，同时采用了小区合并，多普勒频移补偿算法，独特的RRM算法和切换算法，以及优选的邻区设置、小区覆盖半径和参数设置等等特殊处理手段，在最高时速达431km/h的环境下，实测结果b表明，CS12.2K语音业务、CS64K可视电话直至PS384K数据业务都能很好地起呼、保持，切换成功率达100%。

7、 结论

通过上述的分析可以看到，TD-SCDMA不仅能够独立组网，而且是一张能满足不同场景、支持陆地高速移动环境的3G网络。未来的高速交通干线需要3G网络的覆盖，通过算法优化、RRM算法与参数控制及优化的网络设计，以及随着标准、技术和方案的演进，TD-SCDMA不但能够在建网初期实现对现有高速交通干线的有效覆盖，而且在后续发展中也能很好的支持超高速交通干线的有效覆盖，保证了基于TDD模式演进的3G网络能够实现一个可持续发展的精品网络。