高速移動(dòng)場(chǎng)景下FemtoCell覆蓋解決方案

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)小區覆蓋范圍內停留的時(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(hù)的小區駐留、接入、重選和切換等通信過(guò)程需要測量和信令交互的時(shí)間會(huì )更長(cháng)，而采用常規的宏蜂窩小區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)覆蓋范圍內全部完成;同時(shí)頻繁的切換還會(huì )導致用戶(hù)體驗變差，切換掉話(huà)的可能性變大。

網(wǎng)絡(luò )容量受限

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

另外，當高速列車(chē)運行到小區或位置區邊緣時(shí)，會(huì )產(chǎn)生大量的切換或位置區更新信令，會(huì )導致短時(shí)間內系統負荷過(guò)載。

高速移動(dòng)場(chǎng)景現有覆蓋解決方案

多小區合并組網(wǎng)方案

多小區合并的組網(wǎng)方式，通過(guò)擴大單小區覆蓋面積，增大重選/切換帶，解決高速環(huán)境下的連續性覆蓋問(wèn)題，從而解決終端在高速移動(dòng)環(huán)境中的駐留、接入、呼叫等問(wèn)題，提升終端小區重選、小區切換成功率，降低終端掉話(huà)率。

普通小區結構如圖1所示。

圖1 普通小區結構示意圖(單站址單扇區)

普通小區結構即單扇區覆蓋一個(gè)小區，單個(gè)小區覆蓋范圍有限。其中BBU為基站基帶單元，RRU為基站射頻單元。

經(jīng)過(guò)多小區合并，小區結構示意圖如圖2 所示。

圖2 多站址多扇區合并示意圖

采用多小區合并之后，原來(lái)多個(gè)小區之間的切換區域變成了同一個(gè)小區內的接力點(diǎn)，減少了切換，無(wú)需再預留信號重疊區域，從而擴大了單站覆蓋距離。成倍降低終端用戶(hù)在高速環(huán)境下的切換、重選次數，提升用戶(hù)感知。

可以看出，多小區合并組網(wǎng)方案，主要解決了移動(dòng)性管理的問(wèn)題。

高速無(wú)線(xiàn)直放站方案

在多小區合并組網(wǎng)方案基礎上，引入高速無(wú)線(xiàn)直放站，通過(guò)安裝在車(chē)廂外部的施主天線(xiàn)接收軌道沿線(xiàn)的TD-SCDMA宏蜂窩小區信號，并將放大后的信號通過(guò)泄漏電纜傳遞到乘客車(chē)廂，覆蓋車(chē)廂內用戶(hù)。

高速無(wú)線(xiàn)直放站的引入，在一定程度上解決了穿透損耗的問(wèn)題。

現有方案存在的問(wèn)題

從上述現有方案描述和分析看，現有的高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋解決方案解決了移動(dòng)性管理、穿透損耗、多普勒頻偏的部分問(wèn)題，一定程度上保證了終端用戶(hù)基本業(yè)務(wù)(如語(yǔ)音、低速數據)的需求，但仍然存在一些明顯的問(wèn)題，見(jiàn)下表：

基于上述分析，目前的方案不能解決高速場(chǎng)景下網(wǎng)絡(luò )容量受限的問(wèn)題。為了更好地解決這一問(wèn)題，本文將在下面章節中介紹一種基于FemtoCell的高速場(chǎng)景下覆蓋解決方案。

FemtoCell覆蓋解決方案

FemtoCell(家庭基站小區)技術(shù)是目前眾多通信設備商和主流運營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。它的應用場(chǎng)景主要定位為家庭或者中小企業(yè)，一個(gè)FemtoCell單元類(lèi)似于一個(gè)WLAN的無(wú)線(xiàn)接入點(diǎn)，通過(guò)普通的以太網(wǎng)口或其他有線(xiàn)連接接入到移動(dòng)運營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò )，以實(shí)現電信級運營(yíng)和網(wǎng)絡(luò )覆蓋[1]。

本文將FemtoCell技術(shù)應用到高速移動(dòng)場(chǎng)景，該方案采用LTE網(wǎng)絡(luò )作為無(wú)線(xiàn)寬帶回傳網(wǎng)絡(luò )(稱(chēng)為Backhaul)，在每個(gè)列車(chē)上部署FemtoCell(標準研究中通常稱(chēng)為HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW(標準研究中通常稱(chēng)為HNB GW，HNB GateWay家庭基站網(wǎng)關(guān))，通過(guò)LTE回傳網(wǎng)絡(luò )將這些FemtoCell接入到核心網(wǎng)絡(luò )。LTE回傳設備在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò )中相當于一個(gè)高速移動(dòng)的終端。

網(wǎng)絡(luò )架構介紹

在介紹高速場(chǎng)景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統架構做簡(jiǎn)要介紹[2]，其網(wǎng)絡(luò )架構如下圖所示：

圖4 Home Node B網(wǎng)絡(luò )架構圖

可以看出，在FemtoCell系統中引入的網(wǎng)元有HNB、HNB GW、SeGW(Security GateWay)、HMS(HNB Management System)。

其中，HNB集成了Node B和RNC的主要功能。HNB GW主要是為HNB和CN之間的連接提供匯聚/分發(fā)功能以及負責對HNB的注冊管理等。SeGW安全網(wǎng)關(guān)提供HNB到HMS和HNB GW的安全接入、HNB鑒權等功能。HMS主要功能是為HNB提供管理和參數配置。

本文將要介紹的車(chē)載FemtoCell系統網(wǎng)絡(luò )架構如圖5 和圖6 所示：

圖6所示的FemtoCell系統網(wǎng)絡(luò )架構在參考LTE-Advanced Relay的網(wǎng)絡(luò )架構[3]設計的基礎上，針對高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋特點(diǎn)，進(jìn)行針對性調整和擴展，具體見(jiàn)下面網(wǎng)元介紹。

需要特別說(shuō)明的是：這里的TrainGW安裝于車(chē)廂上，完成HNB數據的匯聚/分發(fā)、HNB注冊管理等功能。部署在車(chē)廂上的主要原因有：

1)考慮到單個(gè)HNB覆蓋范圍有限、業(yè)務(wù)容量有限，一般列車(chē)都會(huì )放置多個(gè)HNB。若將HNB GW作為地面固定設備部署，車(chē)廂上同樣需要一個(gè)替代設備對HNB數據進(jìn)行匯聚/分發(fā)，邏輯功能重復。

2) 車(chē)內HNB隨著(zhù)列車(chē)運動(dòng)而位置不斷變化，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動(dòng)信息，不僅實(shí)現復雜，還會(huì )增加業(yè)務(wù)時(shí)延等。

因此將HNB GW部署于車(chē)內較為合適。