未来高速铁路网TD-SCDMA无线覆盖方式浅析

[摘要]文章分析了TD-SCDMA网络在覆盖高速铁路时可能存在的问题，结合TD-SCDMA的技术特点，提出了相应的解决方案，并就实际组网需要注意的问题进行了探讨。

[关键词]TD-SCDMA　高铁专网　多普勒频偏　切换

1　背景

未来两年我国铁路将形成10万公里的运营里程，其中时速200至350公里左右的高速铁路将达8000公里左右.而且随着时间的推移高速铁路的里程还将不断增长，形成覆盖全国的高速铁路网络。高速铁路将是3G业务应用的一个重要场景，许多高端的3G用户经常由于商务旅行的原因，需要在高速铁路上使用各种移动通信业务。未来几年也正是中国移动TD-SCDMA网络大规模商用的时期，而高速铁路密封性好、速度快的特点决定了TD网络建设需要充分利用TD-SCDMA系统的技术特点，选择合理的无线网络覆盖方式来保证大幅度增长的高速铁路的通信需求。

2　TD-SCDMA面临的主要问题

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，多普勒频偏和小区切换、重选带来的影响是高速移动环境下不得不解决的两大难题。TD-SCDMA网络要想在高速铁路场景实现较好的网络质量，就必须考虑这些关键的影响因素。

　多普勒频偏及其带来的影响

终端随着列车运动而接收到的频率与基站实际发射的频率有偏差，这种现象称为多普勒频偏(△f)。假设基站发射频率为f，终端接收频率为(f+△f)，则基站接收频率变为(f+2△f)，具体见图1：

经科学研究，速度相同时，终端移动方向和电磁波传播的方向相同则多普勒频移最大，反之亦然。多普勒频偏会导致通信系统性能下降，由于3GPP标准协议定义TDD系统最高移动速度为120km/h，所以根据通信系统设计方式。在120km/h以下多普勒频偏对于TD-SCDMA系统没有太大的影响。但是高速铁路时速远大于120km，此时若不进行有效校准，系统解调性能将严重恶化，不能保证正常通信。

下面分析一下多普勒频偏对TD-SCDMA系统具体的影响。

对基站的影响：TD-SCDMA采用中间码(midamble码)做信道估计，再采用估计出来的信道模型对中间码两端数据做联合检测。大幅度的多普勒频偏会导致数据码片与中间码片发生较大的相位变化，从而使时隙两端的符号无法被正确检测。

对终端的影响：为了对抗由多普勒效应产生的频率抖动。终端通过自动频率补偿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。但在终端高速移动情况下，由于前一次的锁定频率并不准确，这样的频偏累积最终导致终端发送频率与基准频率相差越来越大，影响通信性能。

　高速移动对切换、重选的影响

正常情况下，TD-SCDMA网络终端的切换时间在～2秒左右，终端移动的速度越快穿越切换区的时间就越短，当终端移动速度足够快以致于穿越切换区的时间小于系统处理切换的最小时限时，切换流程将无法完成，导致掉话。

终端在刚开机时或掉话后将进行小区选择、重选流程，高速移动的终端在小区之间频繁地进行小区选择、重选，会导致不能正常通信。

3　解决方案

　多普勒频偏的解决方案

频偏校准时为了使终端基本稳定在指定频点上，基站需采用频偏预校准方式，见图2。终端以某基站频率f发送信号，基站以频点f接收经过上行高速信道的信号，该信号频率为(f+△f)，基站可以估计出频偏△f。基站在下行发送该用户的数据时，发送频率采用(f-△f)，这样发送信号经过下行高速信道后，终端接收信号的频率为f。在基站频偏校准正常工作的情况下，终端基本稳定在指定频点f上，几乎感受不到多普勒频偏存在。在切换前其工作频率一直稳定在基站频点f附近，切换后其工作频率将一直稳定在新的基站频点f＇，小区切换时不会产生大的多普勒频偏正负跳变，提高了终端的解调性能。

由于终端的改造条件有限，设计上需要提高基站侧做频偏和校准的精确程度。终端高速移动情况下，基站一次性做频偏估计、校准，难度极大，需要采用两次频偏估计、校准的方法，即第一次频偏估计范围大、估计精度差，能估计出20xxHz以上的频偏，而第二次频偏估计范围小、估计精度高，能估计的频偏范围为800Hz左右，经过两次频偏估计、校准后能控制在200Hz以内。

　切换、重选问题的解决方案

目前比较普遍的做法是将覆盖高速铁路的小区设置成一个专网，所谓专网就是除了火车站及沿线极个别的特殊场景以外，与公网不做邻区关系；同时针对铁路线呈带状的特点，使用基带光纤拉远型基站来扩大单个小区覆盖范围。基带光纤拉远型基站，支持一个BBU连接多个串联的RRU，多个串联的RRU覆盖的区域设置为同一个小区，使其具有相同的频点、扰码，能有效扩大单个小区的覆盖范围，最大做到单小区40km的覆盖距离，见图3：

同时为了克服高速铁路车厢穿透损耗大(约为15dB～30dB)的问题，目前采用在高速列车上安装无线直放站和车内分布系统的方式，把车外信号馈入到车厢内以克服车体穿透损耗的影响，如图4所示。

通过以上两种解决方案，可以形成一个相对封闭的TD-SCDMA无线覆盖专网，这个专网只有在火车站及沿线极个别的特殊场景与公网有切换关系，而在高速铁路区域是一个带状的连续小区。实现专网的一个必要条件是对专网信号的严格控制，避免对周围公网造成影响；如果条件不具备，则可以适当考虑建立专网保护带来保证专网的有效运行。专网保护带的思路是在专网不可避免地对周围城镇造成影响的情况下，在专网覆盖小区的两侧选择一些非专网小区作为专网与公网的隔离带小区，这些小区可以与专网小区进行重选和切换，以此避免周边城镇用户一进入专网就无法正常退出的问题，同时又可以避免专网小区切换关系过多所引起的麻烦。

4　专网方案应注意的问题

　站址选择

高速铁路坡度比较平缓，除了隧道，轨道上空一般没有遮挡。考虑到高速移动下的快衰落问题，基于中间码的信道估计并不准确；而如果没有直射路径，功控无法跟上慢衰落的变化。所以站址选择应为朝向高速铁路的两个方向上无明显遮挡，方便采用直射路径覆盖铁路。

(1)线路穿越人口比较空旷的地方

站址应尽量选择距离高速铁路轨道100米左右，以适当增大天线主波束与列车的夹角，降低多普勒频偏的影响。

(2)线路穿越人口比较密集的地方

如城区、乡镇聚集区，站址应尽量靠近高速铁路轨道，尽量增大下倾角，避免过多干扰公网。条件允许的情况下可以适当远离轨道50米左右。

(3)隧道

站址选择在隧道外，根据隧道长度选择高增益天线或泄

露电缆覆盖隧道内部。

(4)利旧原有公网站点

如果条件合适，可以将距离高速铁路较近的公网站点改造成专网站点，并且搬迁公网站点，重新优化公网的无线覆盖。

　高铁专网站距的考虑因素

考虑到RRU设备串联极限、天线覆盖性能指标以及投资等问题，目前宜选择大约5km～10km一个基站，每个小区最大串联6个RRU。

　天线挂高及选型考虑因素

高速铁路沿线的树木及楼宇一般在30米左右，挂高宜选择45～55米左右。

高速铁路的小区呈明显的带状分布，方向性强，且终端高速移动，上下行的相关性差，智能天线的优点不能充分发挥，因此宜采用高增益、窄波束的定向天线。

　电平覆盖设计考虑因素

密集市区主服务小区的电平覆盖应不低于-75dBm，普通市区及其他主服务小区的电平覆盖应不低于-85dBm，要做到始终有主覆盖小区覆盖高速铁路线路。

　高速铁路内直放站的要求

直放站产品应具备自动增益控制功能。一般的传统直放站是固定放置的，施主信号的环境比较稳定，放大倍数在开通时设置好就可以稳定工作。但是高速铁路车厢内的直放站由于本身在高速运动中，而且施主天线信号也时刻变化着，无线环境比较特殊，需要有自动增益控制功能对增益进行小范围调整，使车厢内部信号增益基本稳定，提高无线覆盖质量。

　频率规划考虑因素

高速铁路专网的频率规划需要综合考虑周边的网络情况，与周边网络协同频率规划。在频率资源、设备支持的条件下，高速铁路专网沿线与周围公网尽量采取异频组网；在频率资源紧张情况下，至少应保证在火车站等与周围公网系统有切换关系的小区主载频异频。其他与周围公网没有切换关系的小区，小区分布为链型，组成同一个小区的多个RRU覆盖区域采用相同的频点、扰码，建网初期业务量不大的情况下可以采用单频点组网，邻小区异频组网。图5中，每5个RRU形成的链状子小区**为一个大小区采用同一频点。

　LAC区及RNC设置考虑因素

高速铁路专网应统一规划LACN及RNC，即在条件允许的情况下，尽量使用专门的LAC区及RNC，同时将LAC区及RNC更新设置在高速铁路列车低速移动的区域，如火车站附近，这样可以有效减少在列车高速移动的情况下进行LAC区及RNC更新的次数。

　切换、重选考虑因素

在高速移动场景下，如果在服务小区的边缘不能很快重选到目标小区的话，容易引起脱网或者起呼失败。因此，需要充分加快切换、重选的速度，提高成功率：

(1)保证信号质量的情况下尽量扩大单小区覆盖范围，减少切换次数；

(2)尽量保证在整个列车运行路线上都存在主覆盖直射路径；

(3)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，缩短测量周期，加速切换；

(4)相邻小区的重叠覆盖区域应不小于500米，保证切换、重选有足够时间进行；

(5)尽量使切换、重选在列车停靠点或低速路段进行；

(6)为了避免乒乓切换，需设置定向切换。

　业务方面的要求

高速铁路车厢内作为高端客户集中的区域，TD-SCDMA系统除需考虑普通话音业务以外还要考虑上网及视频等数据业务的需求，需要开通HSDPA及MBMS业务。

5　与公网的融合

专网方案有利于切换链的设计，除了在火车站及沿线极个别的特殊场景与公网有切换关系外，不与公网发生切换，这样可以很好地保证高速铁路用户在高速移动时的切换、重选，提高通信质量。专网也有利于针对高速移动场景的无线资源管理算法、切换/重选策略及网络参数的应用；对专网的优化简单，可以更好地提高专网的质量，且优化时对公网没有太大影响。

专网必须做好与公网的融合，特别在火车站及沿线部分密集城镇专网与公网的进出口处。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。在实际工程中也应灵活设计与优化，才能最终完美解决两网融合问题。

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