高速移动场景下FemtoCell覆盖解决方案

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家庭基站(FemtoCell)技术具有组网高效灵活、成本低廉等特点,可以用于快速扩展网络覆盖,提升网络容量,为用户提供更好的业务体验,具有广泛的应用前景。高速移动场景下的网络覆盖,如高速铁路,已成为3G无线网络建设的重要组成部分。本文在对高速移动场景下的网络覆盖问题进行研究和分析的基础上,提出了一种采用家庭基站技术进行高速移动场景覆盖的解决方案。该方案可以改善或解决高速铁路场景下移动覆盖中移动性管理、网络容量受限及车厢穿透损耗等问题,有效提升高速移动场景下终端用户的业务体验。

引言

TD-SCDMA作为我国自主研发的3G移动通信系统,经过多年的大规模网络建设,网络覆盖已经日趋成熟。近几年,随着国内高速铁路的不断发展,高速移动场景下的无线网络覆盖已经成为TD-SCDMA网络建设的重要组成部分,在高速移动场景下为终端用户提供无缝的覆盖、更高的系统容量和数据速率,已经成为移动通信领域的重大挑战之一。

依托2010年上海市科委重点项目(No.10511500402),作者针对高速移动场景下的网络覆盖解决方案进行了研究和分析,提出了采用TD-SCDMA FemtoCell技术进行高速移动场景覆盖的解决方案。本文包括以下章节内容:第二节对高速移动通信场景进行了介绍,并给出了该场景下移动通信的业务量需求分析,以及高速场景下网络覆盖的难点问题介绍;第三节总结了现有的高速移动场景覆盖方案;第四节提出了基于FemtoCell的覆盖解决方案,给出关键技术问题的分析,并对需要进一步研究的细节给出了说明;第五节总结全文。

高速移动场景介绍

高速移动通信场景

高速铁路作为一种安全可靠、快捷舒适、超大运量、低碳环保的运输方式,已经成为世界铁路发展的重要趋势。截至目前,中国大陆投入运营的高速铁路已达6920公里,营业里程居世界第一位,在建的高速铁路达到一万公里以上。时速350公里的北京至天津、武汉至广州、郑州至西安、上海至南京等高速铁路已开通运营,运营速度世界最高。上海市的磁悬浮高速铁路时速更是达到了431公里。高速铁路的线路规模和时速都在不断提升当中,高速移动场景已经成为3G移动通信重要的组网场景,受到越来越多的关注。

跟普通场景相比,高速移动场景下的移动网络覆盖通常有以下特点:

a) 高速移动场景下的终端用户都集中分布在车内,全部用户随着列车运行同步运动。

b) 用户在无线网络中的切换、小区重选等行为都非常集中,无线网络资源的使用呈突发性;短时间内频繁的小区间切换、重选等,对网络KPI指标有一定的影响。

c) 高速的移动使得用户经过一个小区的时间往往很短,信令、业务时延对用户在无线网络中的移动性能影响很大。

d)高速移动场景下的车体通常具有较大的穿透损耗:对于TD-SCDMA常用频段,高速列车车厢穿透损耗通常在15~20 dB,上海磁悬浮高速列车(最高时速达431 公里)车厢穿透损耗在30~35 dB。这对无线网络的连续覆盖、终端功耗都提出了较高的要求。

e)高速移动场景下,多普勒效应明显,产生的多普勒频偏对业务质量影响较大。

f) 高速移动场景下,终端用户数据业务的潜在需求较大。

高速移动场景下无线网络覆盖必然需要结合上述特点进行规划和设计,最大程度上保证终端用户的业务需求,提升用户体验。

高速移动通信场景业务需求

随着国内TD-SCDMA网络规模和用户规模的扩大,TD-SCDMA终端用户对数据业务的需求也呈较大上升趋势,终端用户潜在地希望在各种环境下都能得到较好的业务体验。

对于高速移动场景,这里基于一系列假设给出终端用户业务需求分析:

假设条件: 高速列车每列16节车厢,每节车厢乘客50人。

乘客语音通信需求:16×50×0.02×0.8=12.8 erl

其中,移动用户渗透率80%, 每个用户话务量0.02 erl。

乘客数据通信需求: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,收敛比4:1(系数0.25),数据通信使用率为25%,移动用户渗透率80%。

考虑到双向开行,以每小区覆盖最多2辆车计算,每小区通信量需求如下表所示:

 

上述参数假设在实际容量预算时是可以适当调整的,但总体上不会改变对比趋势。

根据上述业务需求分析看,高速场景下对数据业务的需求非常大。以目前商用的TD-SCDMA系统2上4下时隙配比为例,单载波能够提供的上行理论极限吞吐量560 kbps,下行理论极限吞吐量1.68 Mbps,考虑到高速移动通信场景下的多普勒效应、穿透损耗大等因素,实际单载波能够提供的上下行数据速率非常低。

因此,在现有TD-SCDMA可用的频谱资源条件下,很难满足高速移动场景下终端用户的业务需求。

高速移动场景覆盖难点

在终端高速移动的场景下,直接使用常规TD-SCDMA宏蜂窝小区进行覆盖存在一系列问题,其中主要包括:

多普勒频移

多普勒频移是由于终端和基站之间相对运动造成,高速场景下这种效应尤其明显。多普勒频移导致UE接收信号和Node B发送信号之间存在一个频率偏差,频率偏差会导致UE接收数据符号出现相位旋转,进而影响到数据解调的准确性。经过计算在TD-SCDMA系统中QPSK解调支持的速度极限为200 km/h。对于更高速度的移动场景,则必须改进相位校准算法才能保证传输性能。实际上,由于相位校准算法的相位补偿能力有限,无法从根本上解决多普勒频偏的影响,必然对通信链路质量造成负面影响。

车厢穿透损耗

高速场景下列车车厢的穿透损耗较大。经过测量,高速列车车厢穿透损耗通常在15~20dB左右,上海磁悬浮高速列车车厢穿透损耗在30~35dB左右。因此,如果在车厢外对车厢内的用户进行覆盖,车厢的穿透损耗也是一个不容忽视的问题,会直接影响通信链路质量。

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