高速移動(dòng)場(chǎng)景FemtoCell覆蓋方案

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TD-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。

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。

網(wǎng)元介紹

TrainGW

TrainGW相當于LTE-Advanced Relay架構中的Relay節點(diǎn)，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又稱(chēng)為T(mén)rainGW eUE），HNB/HeNB GW功能為車(chē)內各個(gè)HNB（或HeNB）提供服務(wù)，負責對HNB（或HeNB）與CN之間的信令和數據進(jìn)行匯聚和轉發(fā)，eUE功能用于在回傳鏈路上收發(fā)數據，eUE上的用戶(hù)平面數據即為HNB與CN之間交互的信令和數據。

該網(wǎng)元通過(guò)Iuh接口與車(chē)廂內部署的HNB連接，為車(chē)廂內的終端用戶(hù)提供接入。

Macro-eNB

Macro-eNB為L(cháng)TE網(wǎng)絡(luò )中的宏小區，實(shí)現與TrainGW eUE的空口連接，完成TrainGW eUE與LTE核心網(wǎng)之間的數據轉發(fā)。

TrainGW eUE的MME

為了使TrainGW的eUE功能可以正常工作，這里引入了TrainGW eUE的MME和TrainGW eUE的SGW/PGW兩個(gè)功能實(shí)體。TrainGW eUE的MME負責為T(mén)rainGW eUE建立S1接口和信令連接，與LTE網(wǎng)絡(luò )中的MME功能一致。
Macro eNB需要與TrainGW的MME建立一個(gè)S1接口，并為其下轄的每個(gè)TrainGW維護一條S1連接。

TrainGW eUE的SGW/PGW

TrainGW eUE的SGW/PGW負責對HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數據進(jìn)行匯聚和轉發(fā)，與LTE網(wǎng)絡(luò )中的SGW/PGW功能一致。

與LTE-Advanced Relay架構的區別是，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通過(guò)核心網(wǎng)間接口直接與3G CN核心網(wǎng)互聯(lián)，支持3G HNB、3G用戶(hù)終端設備對3G CN的訪(fǎng)問(wèn)。

HMS

相對于LTE-Advanced Relay網(wǎng)絡(luò )架構，這里引入HNB系統中的HMS，HMS為網(wǎng)絡(luò )管理設備，基于TR-069網(wǎng)絡(luò )管理協(xié)議實(shí)現，負責為NNB提供配置參數，實(shí)現HNB的 位置認證功能，并且為HNB分配合適的服務(wù)HNB GW，為HNB提供性能管理，告警管理。

SeGW

相對于LTE-Advanced Relay網(wǎng)絡(luò )架構，這里引入HNB系統中的SeGW，主要為HNB與HMS之間的連接安全性提供保證，在地面固定部署。

車(chē)載系統HNB通過(guò)光纖或電纜連接HNB GW，一般為運營(yíng)商或鐵路部門(mén)專(zhuān)用網(wǎng)絡(luò )部署，因此HNB到HNB GW之間可以保證安全接入。

可以看出，TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成了HNB 與3G 核心網(wǎng)CN間的Iu接口數據傳輸通道。

數據流向

User UE的控制平面和用戶(hù)平面數據被映射到TrainGW-eUE的用戶(hù)平面承載，經(jīng)由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW，透傳給3G 核心網(wǎng)CN。

對關(guān)鍵接口的影響

Iuh接口

Iuh接口傳輸承載由運營(yíng)商或鐵路部門(mén)部署的光纖或電纜傳輸，對接口協(xié)議沒(méi)有影響。

Iu接口

Iu接口數據傳輸通道由TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成，對接口協(xié)議沒(méi)有影響。

HMS和HNB之間接口

FemtoCell固定網(wǎng)絡(luò )中通過(guò)HNBIP網(wǎng)絡(luò )SeGWHMS，實(shí)現HMS與HNB之間的數據傳輸，接口協(xié)議采用TR-069。高速鐵路覆蓋中，HMS與HNB之間的數據傳輸通過(guò)HNBTrainGWLTE Macro-eNBLTE核心網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò )SeGWHMS實(shí)現，對接口協(xié)議沒(méi)有影響。

業(yè)務(wù)需求可行性分析

本節將根據高速鐵路業(yè)務(wù)需求和TDD LTE回傳網(wǎng)絡(luò )所能提供的系統容量，進(jìn)行本方案支持用戶(hù)業(yè)務(wù)需求的可行性分析。

根據2.2節統計結果，折算到Iu口容量，見(jiàn)下表：

其中，CS12.2k語(yǔ)音業(yè)務(wù)和數據業(yè)務(wù)轉換為Iu口數據格式，需要增加各種頭開(kāi)銷(xiāo)，傳輸速率計算時(shí)分別對應一個(gè)速率倍增系數，即2.871和1.322。

根據上述對比，可以看到TDD LTE網(wǎng)絡(luò )20M帶寬、時(shí)隙配比為D:S:U=4:2:4的配置（4個(gè)下行時(shí)隙：2個(gè)特殊時(shí)隙：4個(gè)上行時(shí)隙）下，能夠滿(mǎn)足傳輸容量的要求，相對于采用傳統的車(chē)廂外TD-SCDMA宏小區覆蓋的方案具有明顯的優(yōu)勢。

關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析

干擾

高速FemtoCell組網(wǎng)方式，主要的干擾場(chǎng)景為：

圖7 干擾場(chǎng)景示意圖

車(chē)內相鄰FemtoCell之間的干擾

干擾場(chǎng)景如圖7中（1）所示。

根據1.2節統計，列車(chē)每車(chē)廂業(yè)務(wù)量需求下行在1 Mbps左右，上行在0.04 M左右，因此每車(chē)廂部署1個(gè)單載波FemtoCell可以滿(mǎn)足容量需求，即可以采用每個(gè)FemtoCell小區單頻點(diǎn)覆蓋，車(chē)內干擾可以通過(guò)頻點(diǎn)規劃規避同頻干擾。在可用頻點(diǎn)個(gè)數允許的情況下，盡量增大FemtoCell頻點(diǎn)復用距離。比如，FemtoCell采用目前TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò )常用的3個(gè)室內覆蓋頻點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，那么頻點(diǎn)復用距離為車(chē)廂長(cháng)度的三倍。

另外，車(chē)廂之間有車(chē)門(mén)阻隔可以屏蔽一定的干擾。

列車(chē)FemtoCell與室外宏小區之間的干擾

干擾場(chǎng)景如圖7中（2）所示。

列車(chē)FemtoCell與室外宏小區之間的干擾可以通過(guò)異頻組網(wǎng)的方式進(jìn)行規避?？紤]到鐵路沿線(xiàn)通常不會(huì )有密集的居民和辦公建筑分布，列車(chē)內FemtoCell覆蓋可以復用家庭基站組網(wǎng)的頻率資源，比如規劃給室內覆蓋的頻率資源。

兩列車(chē)FemtoCell之間的干擾

干擾場(chǎng)景如圖7中（3）所示。

高速場(chǎng)景下列車(chē)通常采用金屬車(chē)廂，兩輛列車(chē)之間的隔離度在25~30 dB以上，在很大程度上隔離了相互之間的干擾。尤其在列車(chē)行駛過(guò)程中，相向運動(dòng)，兩輛列車(chē)并列時(shí)間5 s(按照動(dòng)車(chē)組行駛速度200 km/h，列車(chē)長(cháng)度400 m計算)，列車(chē)之間FemoCell相互干擾影響較小。

移動(dòng)性管理

小區切換/重選

本文提出的高速鐵路FemtoCell覆蓋解決方案中涉及兩種類(lèi)型終端，一種是用戶(hù)終端，另一種是車(chē)載網(wǎng)關(guān)。車(chē)載網(wǎng)關(guān)同時(shí)作為車(chē)外宏小區的終端，隨 著(zhù)列車(chē)運動(dòng)，需要進(jìn)行小區駐留、接入、重選和切換等一系列過(guò)程，為了提高車(chē)載網(wǎng)關(guān)的移動(dòng)性能，可以采用現有的多小區合并、優(yōu)化切換重選參數、定向接入/切 換等多種方案。因此本節將重點(diǎn)討論車(chē)內用戶(hù)的移動(dòng)性問(wèn)題。

車(chē)內用戶(hù)的移動(dòng)又包括2種場(chǎng)景：用戶(hù)在列車(chē)上不同FemtoCell間移動(dòng)的情況（如圖8中（1）所示）；車(chē)內用戶(hù)上下車(chē)的情況。其中，用戶(hù)在列車(chē) 上不同FemtoCell間移動(dòng)的情況，可以采用現有的FemtoCell間用戶(hù)移動(dòng)處理方式[5]（TrainGW進(jìn)行處理）。車(chē)內用戶(hù)上下車(chē)的移動(dòng)性 問(wèn)題包括：車(chē)內用戶(hù)移動(dòng)至車(chē)外（如圖8中（2）所示）和車(chē)外用戶(hù)移動(dòng)至車(chē)內（如圖8中（3）所示）兩種情況，下面進(jìn)行具體分析。

圖8 切換/重選場(chǎng)景示意圖

車(chē)內用戶(hù)向車(chē)外小區切換/重選

需要將車(chē)外宏小區配置成車(chē)內FemtoCell小區的鄰區，可以利用HNB現有的自動(dòng)監聽(tīng)檢測功能進(jìn)行鄰區檢測，選擇合適的車(chē)外宏小區作為鄰區。但是考慮到車(chē)體穿透損耗，車(chē)內HNB對鄰區的檢測可能不夠準確，這個(gè)是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。

同時(shí)列車(chē)在運行過(guò)程中不可能有用戶(hù)上下車(chē)，此時(shí)希望車(chē)內終端用戶(hù)能夠一直駐留在車(chē)內FemtoCell小區內，此時(shí)鄰區列表中只需要配置車(chē)上相鄰的FemtoCell。因此車(chē)內FemtoCell小區的鄰區也可以靈活地進(jìn)行配置。
車(chē)外用戶(hù)向車(chē)內小區切換/重選

由于經(jīng)過(guò)一個(gè)站臺的車(chē)輛及停留時(shí)間都不固定，若將所有可能經(jīng)過(guò)列車(chē)的所有FemtoCell小區都添加為鄰區，則一是可能會(huì )超出鄰區數限制，二是會(huì )增加終端的測量上報的負荷；若FemtoCell鄰區只是在列車(chē)進(jìn)站時(shí)添加，出站時(shí)刪除，則會(huì )引起宏小區廣播頻繁更新，導致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問(wèn)題同樣存在于室內FemtoCell組網(wǎng)場(chǎng)景，需要進(jìn)一步的研究。

網(wǎng)絡(luò )尋呼

對TrainGW的尋呼

車(chē)外宏小區對TrainGW的尋呼應遵循車(chē)外宏小區對一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調整。并且TrainGW在工作過(guò)程中承載大量真實(shí)終端數據，一般不會(huì )處于空閑狀態(tài)，發(fā)起尋呼次數很少，因為尋呼導致的TrainGW與車(chē)外宏小區連接建立時(shí)延對FemtoCell內終端業(yè)務(wù)的影響可以忽略。

對用戶(hù)終端（User-UE）的尋呼

3G網(wǎng)絡(luò )對用戶(hù)終端的尋呼消息，作為用戶(hù)面數據，以IP包的形式傳輸給TrainGW eUE的SGW/PGW，此時(shí)TrainGW eUE的SGW/PGW相當于一個(gè)數據路由器，在LTE回傳網(wǎng)絡(luò )中最終傳輸給TrainGW eUE，在TrainGW內部把這些IP包數據傳遞給HNB GW，至此完成了尋呼數據在Iu口上的傳輸。

TrainGW可以通過(guò)現有尋呼方式對服務(wù)的用戶(hù)終端進(jìn)行尋呼：當TrainGW收到CN 下發(fā)的尋呼消息時(shí)，根據尋呼消息中的UE 標識，通過(guò)查詢(xún)UE Context，找到UE 所附著(zhù)的FemtoCell 小區，并在該FemtoCell 范圍內實(shí)現精確尋呼。

同步

由于終端在列車(chē)內外的移動(dòng)性的需要，要求車(chē)內FemtoCell之間，車(chē)內FemtoCell與車(chē)外宏小區之間保持同步。采用的方法可以有：空口同步、GPS同步。

空口同步：利用eUE得到的3G車(chē)外宏小區同步參考，進(jìn)行同步調整。

優(yōu)點(diǎn)：可以在任何存在3G網(wǎng)絡(luò )的地方獲取同步參考。

缺點(diǎn)：需要TrainGW eUE同時(shí)支持3G網(wǎng)絡(luò )同步信號的接收。

GPS同步：利用車(chē)上安裝的GPS設備獲取同步參考信號。

優(yōu)點(diǎn)：不需要TrainGW eUE同時(shí)支持3G網(wǎng)絡(luò )同步信號的接收。

缺點(diǎn)：列車(chē)進(jìn)站后，可能不能隨時(shí)接收GPS信號。

QoS保證

TrainGW作為一個(gè)大容量、高速移動(dòng)的終端，匯集了來(lái)自大量用戶(hù)終端多種QoS等級的業(yè)務(wù)數據。LTE車(chē)外宏小區作為業(yè)務(wù)數據的中轉，需要分別保證不同業(yè)務(wù)的QoS要求。同時(shí)在不能為高速鐵路提供專(zhuān)網(wǎng)組網(wǎng)的情況下，需要保證車(chē)上用戶(hù)和車(chē)外直接接入車(chē)外宏小區的用戶(hù)能得到公平調度。

可以采取如下方案：

TrainGW 根據車(chē)內UE傳輸數據的QoS類(lèi)型建立不同的優(yōu)先級承載，來(lái)自同一TrainGW不同UE相同QoS類(lèi)型的業(yè)務(wù)可以映射到同一條優(yōu)先級承載上。車(chē)外宏小區根據業(yè)務(wù)優(yōu)先級調度TrainGW 或車(chē)外宏小區其他終端?；蛘呖梢愿鶕?chē)載業(yè)務(wù)保證的需求，調整車(chē)載業(yè)務(wù)優(yōu)先級。

方案小結

根據上述分析，基于FemtoCell覆蓋高速移動(dòng)場(chǎng)景的方案，相對于傳統覆蓋方案可以解決一些實(shí)際的問(wèn)題：

HNB安裝在車(chē)廂內部，通過(guò)TrainGW與車(chē)廂外宏小區建立連接，解決了車(chē)廂穿透損耗對空口傳輸的影響。

采用LTE網(wǎng)絡(luò )作為無(wú)線(xiàn)寬帶回傳網(wǎng)絡(luò )，解決了高速場(chǎng)景下用戶(hù)密集，3G網(wǎng)絡(luò )容量受限的問(wèn)題。

移動(dòng)性管理方面，本方案中車(chē)廂外LTE宏小區組網(wǎng)時(shí)仍然可以采用多小區合并組網(wǎng)技術(shù)，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區中停留過(guò)短的問(wèn)題。并且TrainGW匯聚了大量用戶(hù)終端的數據，作為一個(gè)車(chē)外宏小區的終端在網(wǎng)絡(luò )中移動(dòng)，車(chē)廂內 FemtoCell之間的用戶(hù)切換可以直接經(jīng)過(guò)TrainGW進(jìn)行，切換和小區重選等移動(dòng)性過(guò)程相當于在低速環(huán)境下進(jìn)行。

同時(shí)，該方案在諸多細節上還需要進(jìn)一步研究，如：

針對高速場(chǎng)景下用戶(hù)終端移動(dòng)和傳播環(huán)境特點(diǎn)，HNB鄰區配置策略和方法需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

為了方便運營(yíng)商對用戶(hù)漫游計費的統計，針對HNB在隨著(zhù)列車(chē)移動(dòng)的特點(diǎn)，需要對HNB位置區/路由區的維護方案進(jìn)一步研究。

采用LTE空口回傳技術(shù)，空口傳輸速率受信道條件，網(wǎng)絡(luò )負荷等因素的影響，會(huì )引入數據回傳的時(shí)延。因此需要對車(chē)載用戶(hù)終端的業(yè)務(wù)質(zhì)量保證策略進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

總結

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，FemtoCell由于其靈活的組網(wǎng)方式，已經(jīng)在室內場(chǎng)景組網(wǎng)中得到了廣泛的應用。本文結合高速移動(dòng)場(chǎng)景的特點(diǎn)，提出了一種利用 FemtoCell基站對高速鐵路車(chē)廂進(jìn)行覆蓋的組網(wǎng)方式，并給出實(shí)現的網(wǎng)絡(luò )架構，及干擾、移動(dòng)性管理、同步、QoS保證等關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題分析。根據初步的研究分析，該方案結合現有的高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋技術(shù)，可以解決高速移動(dòng)場(chǎng)景下移動(dòng)性管理、網(wǎng)絡(luò )容量受限及車(chē)廂穿透損耗等問(wèn)題，可以明顯提升終端用戶(hù)的業(yè)務(wù)體驗。同時(shí)，方案中還存在一些細節需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，需要后續關(guān)注。