家庭基站(FemtoCell)覆蓋解決方案 - 全文

　　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(kuò)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(yàn)，具有廣泛的應(yīng)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(shè)的重要組成部分。本文在對(duì)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(chǔ)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(yàn)。

　　引言

　　TD-SCDMA作為我國(guó)自主研發(fā)的3G移動(dòng)通信系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)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(guó)內(nèi)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(shè)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(tǒng)容量和數(shù)據(jù)速率，已經(jīng)成為移動(dòng)通信領(lǐng)域的重大挑戰(zhàn)之一。

　　依托2010年上海市科委重點(diǎn)項(xiàng)目(No.10511500402)，作者針對(duì)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(jié)內(nèi)容：第二節(jié)對(duì)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(jié)總結(jié)了現(xiàn)有的高速移動(dòng)場(chǎng)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(wèn)題的分析，并對(duì)需要進(jìn)一步研究的細(xì)節(jié)給出了說(shuō)明;第五節(jié)總結(jié)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(yùn)量、低碳環(huán)保的運(yùn)輸方式，已經(jīng)成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢(shì)。截至目前，中國(guó)大陸投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路已達(dá)6920公里，營(yíng)業(yè)里程居世界第一位，在建的高速鐵路達(dá)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(yùn)營(yíng)，運(yùn)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(dá)到了431公里。高速鐵路的線(xiàn)路規(guī)模和時(shí)速都在不斷提升當(dāng)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(nèi)，全部用戶(hù)隨著列車(chē)運(yùn)行同步運(yùn)動(dòng)。

　　b) 用戶(hù)在無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中的切換、小區(qū)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(nèi)頻繁的小區(qū)間切換、重選等，對(duì)網(wǎng)絡(luò)KPI指標(biāo)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(qū)的時(shí)間往往很短，信令、業(yè)務(wù)時(shí)延對(duì)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(duì)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(dá)431 公里)車(chē)廂穿透損耗在30~35 dB。這對(duì)無(wú)線(xiàn)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(dòng)場(chǎng)景下，多普勒效應(yīng)明顯，產(chǎn)生的多普勒頻偏對(duì)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(shù)據(jù)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(jié)合上述特點(diǎn)進(jìn)行規(guī)劃和設(shè)計(jì)，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(yàn)。

　　高速移動(dòng)通信場(chǎng)景業(yè)務(wù)需求

　　隨著國(guó)內(nèi)TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)規(guī)模和用戶(hù)規(guī)模的擴(kuò)大，TD-SCDMA終端用戶(hù)對(duì)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求也呈較大上升趨勢(shì)，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(yàn)。

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

　　假設(shè)條件： 高速列車(chē)每列16節(jié)車(chē)廂，每節(jié)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(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(dòng)用戶(hù)滲透率80%。

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

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

　　根據(jù)上述業(yè)務(wù)需求分析看，高速場(chǎng)景下對(duì)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(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(yīng)、穿透損耗大等因素，實(shí)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(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(guī)TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)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(duì)運(yùn)動(dòng)造成，高速場(chǎng)景下這種效應(yīng)尤其明顯。多普勒頻移導(dǎo)致UE接收信號(hào)和Node B發(fā)送信號(hào)之間存在一個(gè)頻率偏差，頻率偏差會(huì)導(dǎo)致UE接收數(shù)據(jù)符號(hào)出現(xiàn)相位旋轉(zhuǎn)，進(jìn)而影響到數(shù)據(jù)解調(diào)的準(zhǔn)確性。經(jīng)過(guò)計(jì)算在TD-SCDMA系統(tǒng)中QPSK解調(diào)支持的速度極限為200 km/h。對(duì)于更高速度的移動(dòng)場(chǎng)景，則必須改進(jìn)相位校準(zhǔn)算法才能保證傳輸性能。實(shí)際上，由于相位校準(zhǔn)算法的相位補(bǔ)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(duì)通信鏈路質(zhì)量造成負(fù)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(cè)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(duì)車(chē)廂內(nèi)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(qū)覆蓋范圍內(nèi)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(qū)駐留、接入、重選和切換等通信過(guò)程需要測(cè)量和信令交互的時(shí)間會(huì)更長(zhǎng)，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(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(nèi)全部完成;同時(shí)頻繁的切換還會(huì)導(dǎo)致用戶(hù)體驗(yàn)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(jié)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(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(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(dāng)高速列車(chē)運(yùn)行到小區(qū)或位置區(qū)邊緣時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的切換或位置區(qū)更新信令，會(huì)導(dǎo)致短時(shí)間內(nèi)系統(tǒng)負(fù)荷過(guò)載。

　　高速移動(dòng)場(chǎng)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(guò)擴(kuò)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(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(qū)重選、小區(qū)切換成功率，降低終端掉話(huà)率。

　　普通小區(qū)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

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　　圖1 普通小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖(單站址單扇區(qū))

　　普通小區(qū)結(jié)構(gòu)即單扇區(qū)覆蓋一個(gè)小區(qū)，單個(gè)小區(qū)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(qū)合并，小區(qū)結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

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　　圖2 多站址多扇區(qū)合并示意圖

　　采用多小區(qū)合并之后，原來(lái)多個(gè)小區(qū)之間的切換區(qū)域變成了同一個(gè)小區(qū)內(nèi)的接力點(diǎn)，減少了切換，無(wú)需再預(yù)留信號(hào)重疊區(qū)域，從而擴(kuò)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(shù)，提升用戶(hù)感知。

　　可以看出，多小區(qū)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(qū)合并組網(wǎng)方案基礎(chǔ)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(qū)信號(hào)，并將放大后的信號(hào)通過(guò)泄漏電纜傳遞到乘客車(chē)廂，覆蓋車(chē)廂內(nèi)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(xiàn)有方案存在的問(wèn)題

　　從上述現(xiàn)有方案描述和分析看，現(xiàn)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(shù)據(jù))的需求，但仍然存在一些明顯的問(wèn)題，見(jiàn)下表：

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　　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(jié)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(qū))技術(shù)是目前眾多通信設(shè)備商和主流運(yùn)營(yíng)商關(guān)注的重點(diǎn)。它的應(yīng)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(yùn)營(yíng)商的核心網(wǎng)絡(luò)，以實(shí)現(xiàn)電信級(jí)運(yùn)營(yíng)和網(wǎng)絡(luò)覆蓋[1]。

　　本文將FemtoCell技術(shù)應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)研究中通常稱(chēng)為HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW(標(biāo)準(zhǔn)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(shè)備在宏蜂窩網(wǎng)絡(luò)中相當(dāng)于一個(gè)高速移動(dòng)的終端。

　　網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)介紹

　　在介紹高速場(chǎng)景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)中的FemtoCell系統(tǒng)架構(gòu)做簡(jiǎn)要介紹[2]，其網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如下圖所示：

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　　圖4 Home Node B網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)圖

　　可以看出，在FemtoCell系統(tǒng)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(fù)責(zé)對(duì)HNB的注冊(cè)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(quán)等功能。HMS主要功能是為HNB提供管理和參數(shù)配置。

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

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　　圖6所示的FemtoCell系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)在參考LTE-Advanced Relay的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)[3]設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，針對(duì)高速移動(dòng)場(chǎng)景覆蓋特點(diǎn)，進(jìn)行針對(duì)性調(diào)整和擴(kuò)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(shù)據(jù)的匯聚/分發(fā)、HNB注冊(cè)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(shè)備部署，車(chē)廂上同樣需要一個(gè)替代設(shè)備對(duì)HNB數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚/分發(fā)，邏輯功能重復(fù)。

　　2) 車(chē)內(nèi)HNB隨著列車(chē)運(yùn)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(xiàn)復(fù)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(nèi)較為合適。

　　網(wǎng)元介紹

　　TrainGW

　　TrainGW相當(dāng)于LTE-Advanced Relay架構(gòu)中的Relay節(jié)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(nèi)各個(gè)HNB(或HeNB)提供服務(wù)，負(fù)責(zé)對(duì)HNB(或HeNB)與CN之間的信令和數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，eUE功能用于在回傳鏈路上收發(fā)數(shù)據(jù)，eUE上的用戶(hù)平面數(shù)據(jù)即為HNB與CN之間交互的信令和數(shù)據(jù)。

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

　　Macro-eNB

　　Macro-eNB為L(zhǎng)TE網(wǎng)絡(luò)中的宏小區(qū)，實(shí)現(xiàn)與TrainGW eUE的空口連接，完成TrainGW eUE與LTE核心網(wǎng)之間的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)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(fù)責(zé)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(hù)一條S1連接。

　　TrainGW eUE的SGW/PGW

　　TrainGW eUE的SGW/PGW負(fù)責(zé)對(duì)HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數(shù)據(jù)進(jìn)行匯聚和轉(zhuǎn)發(fā)，與LTE網(wǎng)絡(luò)中的SGW/PGW功能一致。

　　與LTE-Advanced Relay架構(gòu)的區(qū)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(shè)備對(duì)3G CN的訪(fǎng)問(wèn)。

　　HMS

　　相對(duì)于LTE-Advanced Relay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這里引入HNB系統(tǒng)中的HMS，HMS為網(wǎng)絡(luò)管理設(shè)備，基于TR-069網(wǎng)絡(luò)管理協(xié)議實(shí)現(xiàn)，負(fù)責(zé)為NNB提供配置參數(shù)，實(shí)現(xiàn)HNB的位置認(rèn)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(duì)于LTE-Advanced Relay網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，這里引入HNB系統(tǒng)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(tǒng)HNB通過(guò)光纖或電纜連接HNB GW，一般為運(yùn)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(gòu)成了HNB 與3G 核心網(wǎng)CN間的Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道。

　　數(shù)據(jù)流向

　　User UE的控制平面和用戶(hù)平面數(shù)據(jù)被映射到TrainGW-eUE的用戶(hù)平面承載，經(jīng)由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW，透?jìng)鹘o3G 核心網(wǎng)CN。

　　對(duì)關(guān)鍵接口的影響

　　Iuh接口

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

　　Iu接口

　　Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道由TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構(gòu)成，對(duì)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(xiàn)HMS與HNB之間的數(shù)據(jù)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(shù)據(jù)傳輸通過(guò)HNBTrainGWLTE Macro-eNBLTE核心網(wǎng)IP網(wǎng)絡(luò)SeGWHMS實(shí)現(xiàn)，對(duì)接口協(xié)議沒(méi)有影響。

　　業(yè)務(wù)需求可行性分析

　　本節(jié)將根據(jù)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(tǒng)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(jù)2.2節(jié)統(tǒng)計(jì)結(jié)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(shù)據(jù)業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換為Iu口數(shù)據(jù)格式，需要增加各種頭開(kāi)銷(xiāo)，傳輸速率計(jì)算時(shí)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)速率倍增系數(shù)，即2.871和1.322。

　　根據(jù)上述對(duì)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(duì)于采用傳統(tǒng)的車(chē)廂外TD-SCDMA宏小區(qū)覆蓋的方案具有明顯的優(yōu)勢(shì)。

　　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(nèi)相鄰FemtoCell之間的干擾

　　干擾場(chǎng)景如圖7中(1)所示。

　　根據(jù)1.2節(jié)統(tǒng)計(jì)，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(qū)單頻點(diǎn)覆蓋，車(chē)內(nèi)干擾可以通過(guò)頻點(diǎn)規(guī)劃規(guī)避同頻干擾。在可用頻點(diǎn)個(gè)數(shù)允許的情況下，盡量增大FemtoCell頻點(diǎn)復(fù)用距離。比如，F(xiàn)emtoCell采用目前TD-SCDMA網(wǎng)絡(luò)常用的3個(gè)室內(nèi)覆蓋頻點(diǎn)進(jìn)行覆蓋，那么頻點(diǎn)復(fù)用距離為車(chē)廂長(zhǎng)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(qū)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(qū)之間的干擾可以通過(guò)異頻組網(wǎng)的方式進(jìn)行規(guī)避。考慮到鐵路沿線(xiàn)通常不會(huì)有密集的居民和辦公建筑分布，列車(chē)內(nèi)FemtoCell覆蓋可以復(fù)用家庭基站組網(wǎng)的頻率資源，比如規(guī)劃給室內(nèi)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(yùn)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(zhǎng)度400 m計(jì)算)，列車(chē)之間FemoCell相互干擾影響較小。

　　移動(dòng)性管理

　　小區(qū)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(qū)的終端，隨著列車(chē)運(yùn)動(dòng)，需要進(jìn)行小區(qū)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(xiàn)有的多小區(qū)合并、優(yōu)化切換重選參數(shù)、定向接入/切換等多種方案。因此本節(jié)將重點(diǎn)討論車(chē)內(nèi)用戶(hù)的移動(dòng)性問(wèn)題。

　　車(chē)內(nèi)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F(xiàn)emtoCell間移動(dòng)的情況(如圖8中(1)所示);車(chē)內(nèi)用戶(hù)上下車(chē)的情況。其中，用戶(hù)在列車(chē)上不同F(xiàn)emtoCell間移動(dòng)的情況，可以采用現(xiàn)有的FemtoCell間用戶(hù)移動(dòng)處理方式[5](TrainGW進(jìn)行處理)。車(chē)內(nèi)用戶(hù)上下車(chē)的移動(dòng)性問(wèn)題包括：車(chē)內(nèi)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(nèi)(如圖8中(3)所示)兩種情況，下面進(jìn)行具體分析。

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　　圖8 切換/重選場(chǎng)景示意圖

　　車(chē)內(nèi)用戶(hù)向車(chē)外小區(qū)切換/重選

　　需要將車(chē)外宏小區(qū)配置成車(chē)內(nèi)FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū)，可以利用HNB現(xiàn)有的自動(dòng)監(jiān)聽(tīng)檢測(cè)功能進(jìn)行鄰區(qū)檢測(cè)，選擇合適的車(chē)外宏小區(qū)作為鄰區(qū)。但是考慮到車(chē)體穿透損耗，車(chē)內(nèi)HNB對(duì)鄰區(qū)的檢測(cè)可能不夠準(zhǔn)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(yùn)行過(guò)程中不可能有用戶(hù)上下車(chē)，此時(shí)希望車(chē)內(nèi)終端用戶(hù)能夠一直駐留在車(chē)內(nèi)FemtoCell小區(qū)內(nèi)，此時(shí)鄰區(qū)列表中只需要配置車(chē)上相鄰的FemtoCell。因此車(chē)內(nèi)FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū)也可以靈活地進(jìn)行配置。

　　車(chē)外用戶(hù)向車(chē)內(nèi)小區(qū)切換/重選

　　由于經(jīng)過(guò)一個(gè)站臺(tái)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(qū)都添加為鄰區(qū)，則一是可能會(huì)超出鄰區(qū)數(shù)限制，二是會(huì)增加終端的測(cè)量上報(bào)的負(fù)荷;若FemtoCell鄰區(qū)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(qū)廣播頻繁更新，導(dǎo)致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問(wèn)題同樣存在于室內(nèi)FemtoCell組網(wǎng)場(chǎng)景，需要進(jìn)一步的研究。

　　網(wǎng)絡(luò)尋呼

　　對(duì)TrainGW的尋呼

　　車(chē)外宏小區(qū)對(duì)TrainGW的尋呼應(yīng)遵循車(chē)外宏小區(qū)對(duì)一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調(diào)整。并且TrainGW在工作過(guò)程中承載大量真實(shí)終端數(shù)據(jù)，一般不會(huì)處于空閑狀態(tài)，發(fā)起尋呼次數(shù)很少，因?yàn)閷ず魧?dǎo)致的TrainGW與車(chē)外宏小區(qū)連接建立時(shí)延對(duì)FemtoCell內(nèi)終端業(yè)務(wù)的影響可以忽略。

　　對(duì)用戶(hù)終端(User-UE)的尋呼

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

　　TrainGW可以通過(guò)現(xiàn)有尋呼方式對(duì)服務(wù)的用戶(hù)終端進(jìn)行尋呼：當(dāng)TrainGW收到CN 下發(fā)的尋呼消息時(shí)，根據(jù)尋呼消息中的UE 標(biāo)識(shí)，通過(guò)查詢(xún)UE Context，找到UE 所附著的FemtoCell 小區(qū)，并在該FemtoCell 范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)精確尋呼。

　　同步

　　由于終端在列車(chē)內(nèi)外的移動(dòng)性的需要，要求車(chē)內(nèi)FemtoCell之間，車(chē)內(nèi)FemtoCell與車(chē)外宏小區(qū)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(qū)同步參考，進(jìn)行同步調(diào)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(hào)的接收。

　　GPS同步：利用車(chē)上安裝的GPS設(shè)備獲取同步參考信號(hào)。

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

　　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(jí)的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)。LTE車(chē)外宏小區(qū)作為業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)的中轉(zhuǎn)，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(qū)的用戶(hù)能得到公平調(diào)度。

　　可以采取如下方案：

　　TrainGW 根據(jù)車(chē)內(nèi)UE傳輸數(shù)據(jù)的QoS類(lèi)型建立不同的優(yōu)先級(jí)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(jí)承載上。車(chē)外宏小區(qū)根據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)調(diào)度TrainGW 或車(chē)外宏小區(qū)其他終端?；蛘呖梢愿鶕?jù)對(duì)車(chē)載業(yè)務(wù)保證的需求，調(diào)整車(chē)載業(yè)務(wù)優(yōu)先級(jí)。

　　方案小結(jié)

　　根據(jù)上述分析，基于FemtoCell覆蓋高速移動(dòng)場(chǎng)景的方案，相對(duì)于傳統(tǒng)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(nèi)部，通過(guò)TrainGW與車(chē)廂外宏小區(qū)建立連接，解決了車(chē)廂穿透損耗對(duì)空口傳輸?shù)挠绊憽?/p>

　　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(qū)組網(wǎng)時(shí)仍然可以采用多小區(qū)合并組網(wǎng)技術(shù)，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區(qū)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(shù)據(jù)，作為一個(gè)車(chē)外宏小區(qū)的終端在網(wǎng)絡(luò)中移動(dòng)，車(chē)廂內(nèi)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(qū)重選等移動(dòng)性過(guò)程相當(dāng)于在低速環(huán)境下進(jìn)行。

　　同時(shí)，該方案在諸多細(xì)節(jié)上還需要進(jìn)一步研究，如：

　　針對(duì)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(qū)配置策略和方法需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化。

　　為了方便運(yùn)營(yíng)商對(duì)用戶(hù)漫游計(jì)費(fèi)的統(tǒng)計(jì)，針對(duì)HNB在隨著列車(chē)移動(dòng)的特點(diǎn)，需要對(duì)HNB位置區(qū)/路由區(qū)的維護(hù)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(fù)荷等因素的影響，會(huì)引入數(shù)據(jù)回傳的時(shí)延。因此需要對(duì)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(jié)

　　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，F(xiàn)emtoCell由于其靈活的組網(wǎng)方式，已經(jīng)在室內(nèi)場(chǎng)景組網(wǎng)中得到了廣泛的應(yīng)用。本文結(jié)合高速移動(dòng)場(chǎng)景的特點(diǎn)，提出了一種利用FemtoCell基站對(duì)高速鐵路車(chē)廂進(jìn)行覆蓋的組網(wǎng)方式，并給出實(shí)現(xiàn)的網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)，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(jù)初步的研究分析，該方案結(jié)合現(xiàn)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(yàn)。同時(shí)，方案中還存在一些細(xì)節(jié)需要進(jìn)一步研究和優(yōu)化，需要后續(xù)關(guān)注。