高速移動(dòng)場(chǎng)景下FemtoCell覆蓋解決方案

標簽：FemtoCell TD-SCDMA

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)，可以用于快速擴展網(wǎng)絡(luò )覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò )容量，為用戶(hù)提供更好的業(yè)務(wù)體驗，具有廣泛的應用前景。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(xiàn)網(wǎng)絡(luò )建設的重要組成部分。本文在對高速移動(dòng)場(chǎng)景下的網(wǎng)絡(luò )覆蓋問(wèn)題進(jìn)行研究和分析的基礎上，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(chē)廂穿透損耗等問(wèn)題，有效提升高速移動(dòng)場(chǎng)景下終端用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗。

引言

TD-SCDMA作為我國自主研發(fā)的3G移動(dòng)通信系統，經(jīng)過(guò)多年的大規模網(wǎng)絡(luò )建設，網(wǎng)絡(luò )覆蓋已經(jīng)日趨成熟。近幾年，隨著(zhù)國內高速鐵路的不斷發(fā)展，高速移動(dòng)場(chǎng)景下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋已經(jīng)成為T(mén)D-SCDMA網(wǎng)絡(luò )建設的重要組成部分，在高速移動(dòng)場(chǎng)景下為終端用戶(hù)提供無(wú)縫的覆蓋、更高的系統容量和數據速率，已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大挑戰之一。

依托2010年上海市科委重點(diǎn)項目(No.10511500402)，作者針對高速移動(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。本文包括以下章節內容：第二節對高速移動(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(wèn)題介紹;第三節總結了現有的高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋方案;第四節提出了基于FemtoCell的覆蓋解決方案，給出關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題的分析，并對需要進(jìn)一步研究的細節給出了說(shuō)明;第五節總結全文。

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、超大運量、低碳環(huán)保的運輸方式，已經(jīng)成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢。截至目前，中國大陸投入運營(yíng)的高速鐵路已達6920公里，營(yíng)業(yè)里程居世界第一位，在建的高速鐵路達到一萬(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(kāi)通運營(yíng)，運營(yíng)速度世界最高。上海市的磁懸浮高速鐵路時(shí)速更是達到了431公里。高速鐵路的線(xiàn)路規模和時(shí)速都在不斷提升當中，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(hù)都集中分布在車(chē)內，全部用戶(hù)隨著(zhù)列車(chē)運行同步運動(dòng)。

b) 用戶(hù)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )中的切換、小區重選等行為都非常集中，無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )資源的使用呈突發(fā)性;短時(shí)間內頻繁的小區間切換、重選等，對網(wǎng)絡(luò )KPI指標有一定的影響。

c) 高速的移動(dòng)使得用戶(hù)經(jīng)過(guò)一個(gè)小區的時(shí)間往往很短，信令、業(yè)務(wù)時(shí)延對用戶(hù)在無(wú)線(xiàn)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(chē)體通常具有較大的穿透損耗：對于TD-SCDMA常用頻段，高速列車(chē)車(chē)廂穿透損耗通常在15~20 dB，上海磁懸浮高速列車(chē)(最高時(shí)速達431 公里)車(chē)廂穿透損耗在30~35 dB。這對無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的連續覆蓋、終端功耗都提出了較高的要求。

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

f) 高速移動(dòng)場(chǎng)景下，終端用戶(hù)數據業(yè)務(wù)的潛在需求較大。

高速移動(dòng)場(chǎng)景下無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋必然需要結合上述特點(diǎn)進(jìn)行規劃和設計，最大程度上保證終端用戶(hù)的業(yè)務(wù)需求，提升用戶(hù)體驗。

高速移動(dòng)通信場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求

隨著(zhù)國內TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )規模和用戶(hù)規模的擴大，TD-SCDMA終端用戶(hù)對數據業(yè)務(wù)的需求也呈較大上升趨勢，終端用戶(hù)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。

對于高速移動(dòng)場(chǎng)景，這里基于一系列假設給出終端用戶(hù)業(yè)務(wù)需求分析：

假設條件： 高速列車(chē)每列16節車(chē)廂，每節車(chē)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(hù)滲透率80%， 每個(gè)用戶(hù)話(huà)務(wù)量0.02 erl。

乘客數據通信需求：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0.25)，數據通信使用率為25%，移動(dòng)用戶(hù)滲透率80%。

考慮到雙向開(kāi)行，以每小區覆蓋最多2輛車(chē)計算，每小區通信量需求如下表所示：

上述參數假設在實(shí)際容量預算時(shí)是可以適當調整的，但總體上不會(huì )改變對比趨勢。

根據上述業(yè)務(wù)需求分析看，高速場(chǎng)景下對數據業(yè)務(wù)的需求非常大。以目前商用的TD-SCDMA系統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、穿透損耗大等因素，實(shí)際單載波能夠提供的上下行數據速率非常低。

因此，在現有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，很難滿(mǎn)足高速移動(dòng)場(chǎng)景下終端用戶(hù)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TD-SCDMA宏蜂窩小區進(jìn)行覆蓋存在一系列問(wèn)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運動(dòng)造成，高速場(chǎng)景下這種效應尤其明顯。多普勒頻移導致UE接收信號和Node B發(fā)送信號之間存在一個(gè)頻率偏差，頻率偏差會(huì )導致UE接收數據符號出現相位旋轉，進(jìn)而影響到數據解調的準確性。經(jīng)過(guò)計算在TD-SCDMA系統中QPSK解調支持的速度極限為200 km/h。對于更高速度的移動(dòng)場(chǎng)景，則必須改進(jìn)相位校準算法才能保證傳輸性能。實(shí)際上，由于相位校準算法的相位補償能力有限，無(wú)法從根本上解決多普勒頻偏的影響，必然對通信鏈路質(zhì)量造成負面影響。

車(chē)廂穿透損耗

高速場(chǎng)景下列車(chē)車(chē)廂的穿透損耗較大。經(jīng)過(guò)測量，高速列車(chē)車(chē)廂穿透損耗通常在15~20dB左右，上海磁懸浮高速列車(chē)車(chē)廂穿透損耗在30~35dB左右。因此，如果在車(chē)廂外對車(chē)廂內的用戶(hù)進(jìn)行覆蓋，車(chē)廂的穿透損耗也是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題，會(huì )直接影響通信鏈路質(zhì)量。