家庭基站(FemtoCell)覆蓋解決方案

　　家庭基站(FemtoCell)技術(shù)具有組網(wǎng)高效靈活、成本低廉等特點，可以用于快速擴展網(wǎng)絡(luò)覆蓋，提升網(wǎng)絡(luò)容量，為用戶提供更好的業(yè)務(wù)體驗，具有廣泛的應(yīng)用前景。高速移動場景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋，如高速鐵路，已成為3G無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要組成部分。本文在對高速移動場景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題進行研究和分析的基礎(chǔ)上，提出了一種采用家庭基站技術(shù)進行高速移動場景覆蓋的解決方案。該方案可以改善或解決高速鐵路場景下移動覆蓋中移動性管理、網(wǎng)絡(luò)容量受限及車廂穿透損耗等問題，有效提升高速移動場景下終端用戶的業(yè)務(wù)體驗。

　　引言

　　TD-SCDMA作為我國自主研發(fā)的3G移動通信系統(tǒng)，經(jīng)過多年的大規(guī)模網(wǎng)絡(luò)建設(shè)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)日趨成熟。近幾年，隨著國內(nèi)高速鐵路的不斷發(fā)展，高速移動場景下的無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋已經(jīng)成為TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的重要組成部分，在高速移動場景下為終端用戶提供無縫的覆蓋、更高的系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)速率，已經(jīng)成為移動通信領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

　　依托2010年上海市科委重點項目(No.10511500402)，作者針對高速移動場景下的網(wǎng)絡(luò)覆蓋解決方案進行了研究和分析，提出了采用TD-SCDMA FemtoCell技術(shù)進行高速移動場景覆蓋的解決方案。本文包括以下章節(jié)內(nèi)容：第二節(jié)對高速移動通信場景進行了介紹，并給出了該場景下移動通信的業(yè)務(wù)量需求分析，以及高速場景下網(wǎng)絡(luò)覆蓋的難點問題介紹;第三節(jié)總結(jié)了現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋方案;第四節(jié)提出了基于FemtoCell的覆蓋解決方案，給出關(guān)鍵技術(shù)問題的分析，并對需要進一步研究的細節(jié)給出了說明;第五節(jié)總結(jié)全文。

　　高速移動場景介紹

　　高速移動通信場景

　　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，中國大陸投入運營的高速鐵路已達6920公里，營業(yè)里程居世界第一位，在建的高速鐵路達到一萬公里以上。時速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通運營，運營速度世界最高。上海市的磁懸浮高速鐵路時速更是達到了431公里。高速鐵路的線路規(guī)模和時速都在不斷提升當(dāng)中，高速移動場景已經(jīng)成為3G移動通信重要的組網(wǎng)場景，受到越來越多的關(guān)注。

　　跟普通場景相比，高速移動場景下的移動網(wǎng)絡(luò)覆蓋通常有以下特點：

　　a) 高速移動場景下的終端用戶都集中分布在車內(nèi)，全部用戶隨著列車運行同步運動。

　　b) 用戶在無線網(wǎng)絡(luò)中的切換、小區(qū)重選等行為都非常集中，無線網(wǎng)絡(luò)資源的使用呈突發(fā)性;短時間內(nèi)頻繁的小區(qū)間切換、重選等，對網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)有一定的影響。

　　c) 高速的移動使得用戶經(jīng)過一個小區(qū)的時間往往很短，信令、業(yè)務(wù)時延對用戶在無線網(wǎng)絡(luò)中的移動性能影響很大。

　　d)高速移動場景下的車體通常具有較大的穿透損耗：對于TD-SCDMA常用頻段，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20 dB，上海磁懸浮高速列車(最高時速達431 公里)車廂穿透損耗在30~35 dB。這對無線網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)覆蓋、終端功耗都提出了較高的要求。

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

　　f) 高速移動場景下，終端用戶數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的潛在需求較大。

　　高速移動場景下無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋必然需要結(jié)合上述特點進行規(guī)劃和設(shè)計，最大程度上保證終端用戶的業(yè)務(wù)需求，提升用戶體驗。

　　高速移動通信場景業(yè)務(wù)需求

　　隨著國內(nèi)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶規(guī)模的擴大，TD-SCDMA終端用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也呈較大上升趨勢，終端用戶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。

　　對于高速移動場景，這里基于一系列假設(shè)給出終端用戶業(yè)務(wù)需求分析：

　　假設(shè)條件： 高速列車每列16節(jié)車廂，每節(jié)車廂乘客50人。

　　乘客語音通信需求：16×50×0.02×0.8=12.8 erl

　　其中，移動用戶滲透率80%， 每個用戶話務(wù)量0.02 erl。

　　乘客數(shù)據(jù)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(shù)0.25)，數(shù)據(jù)通信使用率為25%，移動用戶滲透率80%。

　　考慮到雙向開行，以每小區(qū)覆蓋最多2輛車計算，每小區(qū)通信量需求如下表所示：

?

　　上述參數(shù)假設(shè)在實際容量預(yù)算時是可以適當(dāng)調(diào)整的，但總體上不會改變對比趨勢。

　　根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求分析看，高速場景下對數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求非常大。以目前商用的TD-SCDMA系統(tǒng)2上4下時隙配比為例，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，考慮到高速移動通信場景下的多普勒效應(yīng)、穿透損耗大等因素，實際單載波能夠提供的上下行數(shù)據(jù)速率非常低。

　　因此，在現(xiàn)有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，很難滿足高速移動場景下終端用戶的業(yè)務(wù)需求。

　　高速移動場景覆蓋難點

　　在終端高速移動的場景下，直接使用常規(guī)TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)進行覆蓋存在一系列問題，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造成，高速場景下這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒頻移導(dǎo)致UE接收信號和Node B發(fā)送信號之間存在一個頻率偏差，頻率偏差會導(dǎo)致UE接收數(shù)據(jù)符號出現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)，進而影響到數(shù)據(jù)解調(diào)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過計算在TD-SCDMA系統(tǒng)中QPSK解調(diào)支持的速度極限為200 km/h。對于更高速度的移動場景，則必須改進相位校準(zhǔn)算法才能保證傳輸性能。實際上，由于相位校準(zhǔn)算法的相位補償能力有限，無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。

　　車廂穿透損耗

　　高速場景下列車車廂的穿透損耗較大。經(jīng)過測量，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20dB左右，上海磁懸浮高速列車車廂穿透損耗在30~35dB左右。因此，如果在車廂外對車廂內(nèi)的用戶進行覆蓋，車廂的穿透損耗也是一個不容忽視的問題，會直接影響通信鏈路質(zhì)量。

　　移動性管理

　　高速鐵路等高速移動場景與普通場景相比，由于移動速度非常高，在沿途每個小區(qū)覆蓋范圍內(nèi)停留的時間都非常短。而高速移動環(huán)境下，由于鏈路質(zhì)量的惡化，終端用戶的小區(qū)駐留、接入、重選和切換等通信過程需要測量和信令交互的時間會更長，而采用常規(guī)的宏蜂窩小區(qū)覆蓋主要考慮的是中低速場景，時延較大的重選、切換和接入等流程很可能無法在單個基站站點覆蓋范圍內(nèi)全部完成;同時頻繁的切換還會導(dǎo)致用戶體驗變差，切換掉話的可能性變大。

　　網(wǎng)絡(luò)容量受限

　　參考2.2節(jié)的分析，大量高速移動場景下的終端用戶業(yè)務(wù)容量需求較高，在現(xiàn)有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，使用TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)覆蓋的方式，難以滿足高速移動場景下終端用戶的業(yè)務(wù)需求。

　　另外，當(dāng)高速列車運行到小區(qū)或位置區(qū)邊緣時，會產(chǎn)生大量的切換或位置區(qū)更新信令，會導(dǎo)致短時間內(nèi)系統(tǒng)負荷過載。

　　高速移動場景現(xiàn)有覆蓋解決方案

　　多小區(qū)合并組網(wǎng)方案

　　多小區(qū)合并的組網(wǎng)方式，通過擴大單小區(qū)覆蓋面積，增大重選/切換帶，解決高速環(huán)境下的連續(xù)性覆蓋問題，從而解決終端在高速移動環(huán)境中的駐留、接入、呼叫等問題，提升終端小區(qū)重選、小區(qū)切換成功率，降低終端掉話率。