高速移動(dòng)場(chǎng)景下FemtoCell覆蓋解決方案

摘 要 家庭基站(FemtoCell)技術(shù)具有組網(wǎng)高效靈活、成本低廉等特點(diǎn)，可以用于快速擴(kuò)展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，具有廣泛的應(yīng)用前景。高速移動(dòng)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如高速鐵路，已成為3G無(wú)線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要組成部分。本文在對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題進(jìn)行研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了一種采用家庭基站技術(shù)進(jìn)行高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋的解決方案。該方案可以改善或解決高速鐵路場(chǎng)景下移動(dòng)覆蓋中移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò)容量受限及車廂穿透損耗等問題，有效提升高速移動(dòng)場(chǎng)景下終端用戶的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

引言

TD-SCDMA作為我國(guó)自主研發(fā)的3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，經(jīng)過多年的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)日趨成熟。近幾年，隨著國(guó)內(nèi)高速鐵路的不斷發(fā)展，高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)成為TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要組成部分，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下為終端用戶提供無(wú)縫的覆蓋、更高的系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)速率，已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

依托2010年上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目（No.10511500402），作者針對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案進(jìn)行了研究和分析，提出了采用TD-SCDMA FemtoCell技術(shù)進(jìn)行高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋的解決方案。本文包括以下章節(jié)內(nèi)容：第二節(jié)對(duì)高速移動(dòng)通信場(chǎng)景進(jìn)行了介紹，并給出了該場(chǎng)景下移動(dòng)通信的業(yè)務(wù)量需求分析，以及高速場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難點(diǎn)問題介紹；第三節(jié)總結(jié)了現(xiàn)有的高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋方案；第四節(jié)提出了基于FemtoCell的覆蓋解決方案，給出關(guān)鍵技術(shù)問題的分析，并對(duì)需要進(jìn)一步研究的細(xì)節(jié)給出了說明；第五節(jié)總結(jié)全文。

高速移動(dòng)場(chǎng)景介紹

高速移動(dòng)通信場(chǎng)景

高速鐵路作為一種安全可靠、快捷舒適、超大運(yùn)量、低碳環(huán)保的運(yùn)輸方式，已經(jīng)成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢(shì)。截至目前，中國(guó)大陸投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路已達(dá)6920公里，營(yíng)業(yè)里程居世界第一位，在建的高速鐵路達(dá)到一萬(wàn)公里以上。時(shí)速350公里的北京至天津、武漢至廣州、鄭州至西安、上海至南京等高速鐵路已開通運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)速度世界最高。上海市的磁懸浮高速鐵路時(shí)速更是達(dá)到了431公里。高速鐵路的線路規(guī)模和時(shí)速都在不斷提升當(dāng)中，高速移動(dòng)場(chǎng)景已經(jīng)成為3G移動(dòng)通信重要的組網(wǎng)場(chǎng)景，受到越來(lái)越多的關(guān)注。

跟普通場(chǎng)景相比，高速移動(dòng)場(chǎng)景下的移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常有以下特點(diǎn)：

a) 高速移動(dòng)場(chǎng)景下的終端用戶都集中分布在車內(nèi)，全部用戶隨著列車運(yùn)行同步運(yùn)動(dòng)。

b) 用戶在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的切換、小區(qū)重選等行為都非常集中，無(wú)線網(wǎng)絡(luò)資源的使用呈突發(fā)性；短時(shí)間內(nèi)頻繁的小區(qū)間切換、重選等，對(duì)網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)有一定的影響。

c) 高速的移動(dòng)使得用戶經(jīng)過一個(gè)小區(qū)的時(shí)間往往很短，信令、業(yè)務(wù)時(shí)延對(duì)用戶在無(wú)線網(wǎng)絡(luò)中的移動(dòng)性能影響很大。

d）高速移動(dòng)場(chǎng)景下的車體通常具有較大的穿透損耗：對(duì)于TD-SCDMA常用頻段，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20 dB，上海磁懸浮高速列車（最高時(shí)速達(dá)431 公里）車廂穿透損耗在30~35 dB。這對(duì)無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋、終端功耗都提出了較高的要求。

e）高速移動(dòng)場(chǎng)景下，多普勒效應(yīng)明顯，產(chǎn)生的多普勒頻偏對(duì)業(yè)務(wù)質(zhì)量影響較大。

f) 高速移動(dòng)場(chǎng)景下，終端用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的潛在需求較大。

高速移動(dòng)場(chǎng)景下無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋必然需要結(jié)合上述特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，最大程度上保證終端用戶的業(yè)務(wù)需求，提升用戶體驗(yàn)。

高速移動(dòng)通信場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求

隨著國(guó)內(nèi)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶規(guī)模的擴(kuò)大，TD-SCDMA終端用戶對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也呈較大上升趨勢(shì)，終端用戶潛在地希望在各種環(huán)境下都能得到較好的業(yè)務(wù)體驗(yàn)。

對(duì)于高速移動(dòng)場(chǎng)景，這里基于一系列假設(shè)給出終端用戶業(yè)務(wù)需求分析：

假設(shè)條件： 高速列車每列16節(jié)車廂，每節(jié)車廂乘客50人。

乘客語(yǔ)音通信需求：16×50×0.02×0.8=12.8 erl

其中，移動(dòng)用戶滲透率80%， 每個(gè)用戶話務(wù)量0.02 erl。

乘客數(shù)據(jù)通信需求：16×50×0.384×0.25×0.25×0.8＝15.36 Mbps

其中，每位乘客通信容量0.384 Mbps，收斂比4:1（系數(shù)0.25），數(shù)據(jù)通信使用率為25%，移動(dòng)用戶滲透率80%。

考慮到雙向開行，以每小區(qū)覆蓋最多2輛車計(jì)算，每小區(qū)通信量需求如下表所示：

上述參數(shù)假設(shè)在實(shí)際容量預(yù)算時(shí)是可以適當(dāng)調(diào)整的，但總體上不會(huì)改變對(duì)比趨勢(shì)。

根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求分析看，高速場(chǎng)景下對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求非常大。以目前商用的TD-SCDMA系統(tǒng)2上4下時(shí)隙配比為例，單載波能夠提供的上行理論極限吞吐量560 kbps，下行理論極限吞吐量1.68 Mbps，考慮到高速移動(dòng)通信場(chǎng)景下的多普勒效應(yīng)、穿透損耗大等因素，實(shí)際單載波能夠提供的上下行數(shù)據(jù)速率非常低。

因此，在現(xiàn)有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，很難滿足高速移動(dòng)場(chǎng)景下終端用戶的業(yè)務(wù)需求。

高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋難點(diǎn)

在終端高速移動(dòng)的場(chǎng)景下，直接使用常規(guī)TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)進(jìn)行覆蓋存在一系列問題，其中主要包括：

多普勒頻移

多普勒頻移是由于終端和基站之間相對(duì)運(yùn)動(dòng)造成，高速場(chǎng)景下這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒頻移導(dǎo)致UE接收信號(hào)和Node B發(fā)送信號(hào)之間存在一個(gè)頻率偏差，頻率偏差會(huì)導(dǎo)致UE接收數(shù)據(jù)符號(hào)出現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)解調(diào)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過計(jì)算在TD-SCDMA系統(tǒng)中QPSK解調(diào)支持的速度極限為200 km/h。對(duì)于更高速度的移動(dòng)場(chǎng)景，則必須改進(jìn)相位校準(zhǔn)算法才能保證傳輸性能。實(shí)際上，由于相位校準(zhǔn)算法的相位補(bǔ)償能力有限，無(wú)法從根本上解決多普勒頻偏的影響，必然對(duì)通信鏈路質(zhì)量造成負(fù)面影響。

車廂穿透損耗

高速場(chǎng)景下列車車廂的穿透損耗較大。經(jīng)過測(cè)量，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20dB左右，上海磁懸浮高速列車車廂穿透損耗在30~35dB左右。因此，如果在車廂外對(duì)車廂內(nèi)的用戶進(jìn)行覆蓋，車廂的穿透損耗也是一個(gè)不容忽視的問題，會(huì)直接影響通信鏈路質(zhì)量。

移動(dòng)性管理

高速鐵路等高速移動(dòng)場(chǎng)景與普通場(chǎng)景相比，由于移動(dòng)速度非常高，在沿途每個(gè)小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)停留的時(shí)間都非常短。而高速移動(dòng)環(huán)境下，由于鏈路質(zhì)量的惡化，終端用戶的小區(qū)駐留、接入、重選和切換等通信過程需要測(cè)量和信令交互的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，而采用常規(guī)的宏蜂窩小區(qū)覆蓋主要考慮的是中低速場(chǎng)景，時(shí)延較大的重選、切換和接入等流程很可能無(wú)法在單個(gè)基站站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)全部完成；同時(shí)頻繁的切換還會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差，切換掉話的可能性變大。

網(wǎng)絡(luò)容量受限

參考2.2節(jié)的分析，大量高速移動(dòng)場(chǎng)景下的終端用戶業(yè)務(wù)容量需求較高，在現(xiàn)有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，使用TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)覆蓋的方式，難以滿足高速移動(dòng)場(chǎng)景下終端用戶的業(yè)務(wù)需求。

另外，當(dāng)高速列車運(yùn)行到小區(qū)或位置區(qū)邊緣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的切換或位置區(qū)更新信令，會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷過載。

來(lái)源：C114中國(guó)通信網(wǎng)