大唐移動TD-SCDMA高速鐵路解決方案

隨著國民經(jīng)濟的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國高速鐵路的建設全面展開。中國高速鐵路的發(fā)展不僅填補了中國運輸體系中的缺失，而且在中國經(jīng)濟發(fā)展中也具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

“十一五”期間，中國通過建設高速鐵路客運專線、發(fā)展城際客運軌道交通和既有線提速改造，初步形成以高速鐵路客運專線為骨干，連接全國主要大中城市的快速客運網(wǎng)絡。高速鐵路作為越來越普及的交通工具，逐漸成為人們商務出差、旅游出行的首選。

為滿足快速增長的旅客運輸需求，建立省會城市及大中城市間的快速客運通道，“十一五”規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運通道以及三個城際快速客運系統(tǒng)，時速高達380Km/h。

“四縱”客運專線：

（1）北京-上海；
　?。?）北京-武漢-廣州-深圳；
　?。?）北京-沈陽-哈爾濱(大連)；
　?。?）杭州-寧波-福州-深圳。

“四橫”客運專線：
　?。?）徐州-鄭州-蘭州；
　?。?）杭州-南昌-長沙；
　?。?）青島-石家莊-太原；
　　（4）南京-武漢-重慶-成都。

三個城際客運系統(tǒng)：

環(huán)渤海地區(qū)、長江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)城際客運系統(tǒng)。

由于高鐵主要的目標客戶是商務出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語音或高速數(shù)據(jù)業(yè)務的需求較為明確。因此，快速發(fā)展的高速鐵路已成為移動話音和數(shù)據(jù)業(yè)務的新熱點。在“十一五”規(guī)劃中，科技部、鐵道部將“雙高課題”——高速移動下的高數(shù)數(shù)據(jù)業(yè)務作為研究重點。

大唐移動基于對TD-SCDMA系統(tǒng)的深刻理解和在上海磁懸浮成功的高速覆蓋經(jīng)驗，率先提出基于車載直放站設備為基礎的TD-SCDMA高鐵覆蓋方案。

大唐移動率先推出高速鐵路覆蓋方案

由于車輛技術的不斷發(fā)展，車廂密閉性越來越好，導致在無線傳輸?shù)能圀w穿透損耗越來越大，龐巴迪高速列車的損耗達到25dB，一般車體損耗都在10dB以上，當損耗為30dB時，相當于信號在透過車體時只有原來1/1000的信號強度，為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號發(fā)射機功率增強，要求更高的基站接收機靈敏度，或者要求UE的發(fā)射信號增強。

大唐移動的高鐵解決方案中，鐵路沿線采用BBU+RRU組網(wǎng)，采用小區(qū)分集和高速頻偏補償算法，在高速列車上裝在直放站克服穿透損耗。

1.? 鐵道沿線采用BBU+RRU進行專網(wǎng)覆蓋：

業(yè)內(nèi)最早最成熟的小區(qū)分集算法

考慮到單個小區(qū)的覆蓋范圍相對較小，由于UE移動速度非?？欤斐?a target="_blank">手機終端駐留在單個小區(qū)的時間很短；另外因多普勒頻偏的影響使用戶讀系統(tǒng)廣播、起呼、切換的時延會更長，高速移動環(huán)境下，時延較大的重選、切換和接入等流程很可能無法在單個站點覆蓋范圍內(nèi)全部完成；同時頻繁的切換還會導致用戶體驗變差、切換掉話的可能性變大。因此，需要擴大單個小區(qū)的覆蓋范圍。

將小區(qū)分集算法技術應用于高速移動覆蓋場景可帶來如下好處：

（1）將同站點的多個扇區(qū)合并，避免切換，將多個站址合并為一個小區(qū)，減少切換；
?（2）有效增減單個小區(qū)覆蓋范圍，保證用戶的高接入成功率。

專利的物理層頻偏糾正算法和頻偏預矯正算法

在TD-SCDMA系統(tǒng)的接收機中，由多普勒頻移等引起的頻偏會對接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生相位偏轉，頻偏越大，相位偏轉越嚴重，對系統(tǒng)的相干解調(diào)性能的影響就越明顯，即車速越高多普勒頻移對解調(diào)性能的影響越嚴重。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，終端通過自動頻率控制（AFC：Automatic Frequency Control）技術進行載波頻率跟蹤，而基站側采用固定頻點的載波頻率進行信號接收，使得高速鐵路沿線的基站側最大多普勒頻偏可達1400Hz。為了保證數(shù)據(jù)的解調(diào)性能，需要對檢測數(shù)據(jù)進行頻率校正后再執(zhí)行判決，即接收端需要進行頻偏估計（FOE：Frequency Offset Estimation）和頻偏校準(FOC：Frequency Offset Calibration)操作。

在高速移動業(yè)務情況下，基站需要采用兩次頻偏補償過程才能達到較好的性能。該方案的具體實施流程見下圖所示。我們首先根據(jù)信道估計得到的信道響應來估計頻偏，得到初步頻偏值，然后利用此初步頻偏值對聯(lián)合檢測得到的檢測數(shù)據(jù)進行初步校正，得到初步校正數(shù)據(jù)；再根據(jù)初步校正數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)符號頻偏估計方法計算頻偏值，得到二次頻偏值，并利用此二次頻偏值對初步校正數(shù)據(jù)進行頻偏補償，得到二次校正數(shù)據(jù)，最后對二次校正數(shù)據(jù)進行解調(diào)判決。

根據(jù)分析，第一次頻偏估計方案具有估計范圍大、估計精度差的特點，能估計出2000Hz以上的頻偏；而第二次頻偏估計方案具有估計范圍小、估計精度高的特點，能估計的頻偏范圍為800Hz左右。因此在高速移動環(huán)境下采用這兩種頻偏估計算法的結合能夠有效地提高性能。

業(yè)內(nèi)領先的頻偏預矯正算法

下行方向，為了使終端平穩(wěn)的進行切換，在基站側估計頻偏并進行預矯正，使終端接收頻率穩(wěn)定在基站發(fā)射頻點上。

無線網(wǎng)絡環(huán)境是由基站和終端組成的，即在高速移動環(huán)境下也需要解決大頻偏對終端的解調(diào)性能影響。TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站采用固定的頻點的頻率進行信號的收發(fā)，而終端通過自動頻率控制（AFC）方案使本振頻率自動跟蹤接收信號的頻率變化。在高速移動環(huán)境下（如車速為400Km/h），終端切換時相對于新舊兩個基站的運動方向相反，導致終端的多普勒頻移發(fā)生跳變，使得終端產(chǎn)生一個很大的頻偏，分析得出這個頻偏值最大可以達到兩倍的最大多普勒頻偏值。

此時采用現(xiàn)有的AFC控制方案則需要很長的時間才能進入穩(wěn)定狀態(tài)，使終端的性能惡化。為此提出了高速優(yōu)化頻偏估計方案，該方案采用了基站側高速頻偏估計的思想，同時修改了AFC的控制方案。

頻偏預校正基本思想就是基站根據(jù)目標用戶上行信道頻偏估計，對下行發(fā)送信號頻率進行預校正，使得發(fā)送信號到達UE之后的等效接收頻率為小區(qū)原始發(fā)送頻率。實現(xiàn)中在基站側增加DPCH的頻偏預矯正，即通過對比收發(fā)信號的頻偏，針對不同用戶在物理層數(shù)據(jù)上進行頻偏補償。

對于終端用戶而言，在基站頻偏預矯正正常工作的情況下，基本穩(wěn)定在指定頻點上，幾乎感受不到多普勒頻偏存在，小區(qū)切換時刻不會產(chǎn)生大的多普勒頻偏正負跳變。

如上圖所示，終端以頻率f發(fā)送信號，基站以頻點f接收經(jīng)過上行高速信道的信號，該信號頻率為f+fd，基站可以估計出頻偏fd?；驹谙滦邪l(fā)送該用戶的數(shù)據(jù)時，發(fā)送頻率采用f-fd，這樣發(fā)送信號經(jīng)過下行高速信道后，終端接收信號的頻率為f。在終端切換前其工作頻率一直穩(wěn)定在基站頻點f附近，終端切換后以新的基站頻點工作，從而減小了終端的頻偏變化，提高了終端的解調(diào)性能。這種方案通過增加基站的復雜度，改善了網(wǎng)絡的性能。

2.? 高速列車上采用直放站克服穿透損耗

為了避免車輛技術的不斷發(fā)展而影響車體內(nèi)無線通信質(zhì)量，通過無線直放站加車內(nèi)分布系統(tǒng)的方式，可把車外信號饋入到車體內(nèi)（室內(nèi)），克服車體穿透損耗。

直放站產(chǎn)品具備AGC（自動增益控制）功能

一般的傳統(tǒng)直放站是固定放置，施主信號的環(huán)境比較穩(wěn)定，放大倍數(shù)在開通時設置好就可以穩(wěn)定工作。ALC功能只在個別情況下對增益進行小范圍調(diào)整。由于環(huán)境可控，可以通過站點設置選擇施主基站的信號強度在-80dBm以上。

直放站在高速列車上使用，與通常的應用場景有個顯著的不同。對于列車這種高速移動環(huán)境，外部信號的強度快速變化；為了保證直放站覆蓋區(qū)域的信號穩(wěn)定性，需要直放站具備自動增益調(diào)整功能。

輸入信號電平范圍：-35~-85dBm；
　　輸出信號：10~20dBm；
　　放大器下行增益可調(diào)范圍：45~105dB。

輸入功率測量：
　　全頻段功率測量（射頻測量）；
　　服務基站功率測量（基于DwPTS功率）：需要快速切換施主基站；
　　上下行增益的同步調(diào)整；
　　直放站產(chǎn)品具備AFC（自動頻偏控制）功能。

高速情況下由于多普勒頻移，上下行信號的載波會有較大偏移。直放站此時可起到頻率校正的作用，簡化終端和網(wǎng)絡的實現(xiàn)，對網(wǎng)絡質(zhì)量有一定改善。
頻偏檢測算法：高穩(wěn)鐘產(chǎn)生參考頻率；

基帶處理算法：服務小區(qū)選定后，可采用與基站類似的算法；

模擬中頻處理方法：通過對本振的精細調(diào)整，實現(xiàn)頻率校準?；驍?shù)字中頻處理：在中頻使用數(shù)字頻綜，采用數(shù)字變頻的方式。

結束語

2007年，中國首條高速鐵路京津城際軌道交通工程客運專線完成鋪軌，2008年，中國高速鐵路建設步伐加快，不僅引人注目的京滬高速鐵路開始興建，廣深港高速鐵路、京石高速鐵路客運專線、南寧至廣州高速鐵路等等一大批高速鐵路建設工程都開始動工。

隨著中國高速鐵路建設的不斷發(fā)展，大唐移動將致力于提高移動用戶在高速移動環(huán)境下的業(yè)務體驗，為中國的移動通信建設貢獻力量。

作者：李同坡