TD-SCDMA高速交通干線覆蓋解決方案

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，提出合理的可實現(xiàn)的分步實施的解決方案，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)�，有可能造成系統(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) （略）

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�頻偏，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。