郭鳳然　　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師楊思遠(yuǎn)　　中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

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基于TD-LTE的高速鐵路微基站關(guān)鍵技術(shù)研究

郭鳳然中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師
楊思遠(yuǎn)中國信息通信研究院技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)研究所助理工程師

摘要：研究TD-LTE在高速鐵路上的應(yīng)用，設(shè)計(jì)TD-LTE微基站組網(wǎng)方案，實(shí)現(xiàn)LTE與Wi-Fi、2/3G等多種制式的聯(lián)合應(yīng)用模型，研究微基站方案的關(guān)鍵技術(shù)，為TD-LTE在高鐵的應(yīng)用提供一種可參考的方案。

關(guān)鍵詞：高鐵；TD-LTE；微基站

1　引言

伴隨著我國高速鐵路建設(shè)的不斷加快以及城際鐵路列車的不斷提速，高速列車已經(jīng)成為越來越多人的出行選擇。與此同時(shí)，人們對(duì)高速列車中的移動(dòng)覆蓋、通話質(zhì)量、上網(wǎng)速率等提出了更高的要求。而進(jìn)入TD-LTE系統(tǒng)的全面商用和大規(guī)模建設(shè)階段，如何使用TD-LTE技術(shù)提高高速列車中的通信問題，已成為行業(yè)內(nèi)關(guān)注的焦點(diǎn)。

根據(jù)高鐵目前運(yùn)營現(xiàn)狀和未來發(fā)展趨勢，高鐵無線覆蓋方案的速率必須滿足300～350km/h，甚至大于350km/h，因此在通信中主要面臨幾大難點(diǎn)：多普勒頻偏、頻繁切換、車體穿透損耗大，以及公網(wǎng)和高鐵覆蓋專網(wǎng)相互影響的問題。其中，前兩個(gè)問題又尤為突出。

為了解決上述問題，筆者設(shè)計(jì)了一種室內(nèi)外相互結(jié)合的方案，在高速列車體內(nèi)使用各種制式的微基站分別提供Wi-Fi和2/3G信號(hào)，在車體外使用TD-LTE信號(hào)作為這些基站的回傳。另外，通過改進(jìn)TD-LTE基站的算法來處理多普勒頻偏，以及改變TD-LTE基站和天線分布來減少切換次數(shù)，從而規(guī)避了上述高鐵中的問題。

2　微基站組網(wǎng)方案

微基站方案組網(wǎng)如圖1所示。微基站方案由兩個(gè)部分構(gòu)成，分別為地面設(shè)備和車載系統(tǒng)設(shè)備。具體涉及的網(wǎng)元見表1。

表1列出了一套高鐵微基站方案所需要的全部網(wǎng)元及其功能。

在上述設(shè)備中，BBU和RRU共同組成了地面系統(tǒng)的TD-LTE基站，通過在基站改進(jìn)算法來進(jìn)行多普勒頻偏校正和補(bǔ)償。

3　關(guān)鍵技術(shù)

微基站的關(guān)鍵技術(shù)包括基站側(cè)和車載終端/CPE側(cè)的多普勒頻偏校正和補(bǔ)償技術(shù)、基站側(cè)和車載終端/ CPE側(cè)上行定時(shí)調(diào)整技術(shù)、高鐵場景隨機(jī)接入技術(shù)、高鐵場景切換技術(shù)、雙向會(huì)車場景擁塞控制技術(shù)等。每一項(xiàng)技術(shù)都是高速場景下不可或缺的關(guān)鍵技術(shù)。

下面主要介紹多普勒頻偏校正和補(bǔ)償技術(shù)，以及高鐵場景切換技術(shù)這兩方面。

3.1多普勒頻偏校正和補(bǔ)償技術(shù)

在高速覆蓋場景下，對(duì)LTE系統(tǒng)性能影響最大的是多普勒效應(yīng)。眾所周知，由于信號(hào)源和接收機(jī)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，使得接收到的信號(hào)的波長產(chǎn)生變化，這種現(xiàn)象稱作多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)適用于所有的電磁波。特別是在高速場景下，這種頻移尤其明顯。

對(duì)于終端接收機(jī)來說，估計(jì)和基站發(fā)射機(jī)之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是終端接收機(jī)必須完成的功能。圖2為終端頻偏示意圖。

圖1　車廂內(nèi)使用微基站方案組網(wǎng)方案

表1　微基站組網(wǎng)方案涉及的網(wǎng)元

對(duì)于下行信號(hào)來說，當(dāng)列車上的終端處于兩個(gè)小區(qū)邊緣時(shí)，后面的小區(qū)下行信號(hào)是負(fù)的多普勒頻偏f0-fd，前面的小區(qū)下行信號(hào)存在正的多普勒頻偏f0+fd，因此終端將面臨從負(fù)到正的頻偏跳變，跳變的幅度也是2fd。具體到2.5GHz來說，為2fd=1620Hz。

如上所述，上下行都存在需要對(duì)抗2fd的需求，對(duì)基站設(shè)備和終端對(duì)抗多普勒頻移的能力提出了很高的要求。如何正確估計(jì)和補(bǔ)償多普勒頻偏成為解決高速移動(dòng)環(huán)境下的通信的主要內(nèi)容之一。

本文首先研究了由于多普勒頻偏的存在，不僅會(huì)造成信號(hào)幅度的衰減，還會(huì)使相位旋轉(zhuǎn)，破壞子載波之間的正交性，產(chǎn)生載波間干擾，尤其是在大頻偏的情況，會(huì)帶來非常嚴(yán)重的地板效應(yīng)（ErrorFloor），使得子載波之間產(chǎn)生嚴(yán)重的子載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）。進(jìn)一步研究發(fā)現(xiàn)，相位的翻轉(zhuǎn)與頻率偏移成正相關(guān)，通過比較接收端與發(fā)送端的相位翻轉(zhuǎn)可計(jì)算出頻偏的大小，進(jìn)行頻偏校正。這是基站側(cè)終端側(cè)進(jìn)行頻偏校正的基本原理。

圖2　終端頻偏示意圖

在此基礎(chǔ)上提出了一種針對(duì)快速移動(dòng)的特點(diǎn)設(shè)計(jì)的基站頻率校正算法。該算法采用先進(jìn)的自動(dòng)頻率校正技術(shù)，根據(jù)高速移動(dòng)的特點(diǎn)，通過快速測算基站與終端無線鏈路的比特流，自動(dòng)校正兩者之間的頻率偏差，從而高效地補(bǔ)償高速移動(dòng)下產(chǎn)生的多譜勒效應(yīng)。具體為對(duì)于下行信號(hào)來說，基站和終端側(cè)同時(shí)具備頻偏校正功能，對(duì)上行信號(hào)來說，終端和基站同時(shí)具備上行定時(shí)調(diào)整功能。

3.2高鐵場景切換技術(shù)

在UE（用戶設(shè)備）高速場景下的切換問題主要有兩個(gè)，一是頻繁切換，二是切換成功率低，這兩項(xiàng)都對(duì)切換的性能有較大的影響。首先，由于架設(shè)基站和天線時(shí)，小區(qū)之間的距離是固定的，相比低速移動(dòng)的用戶來說，高速移動(dòng)的用戶要移動(dòng)同樣的距離，所使用的時(shí)間必然大大縮短。這就造成了同樣時(shí)間段內(nèi)，高速移動(dòng)切換次數(shù)的劇增。其次，切換次數(shù)的增加使得用戶對(duì)于切換成功率更加敏感，為保證用戶無縫移動(dòng)性及QoS，最基本的要求就是用戶通過切換區(qū)域的時(shí)間要大于切換的處理時(shí)間。在高速場景下，由于UE駐留時(shí)間小于小區(qū)選擇過程，還容易出現(xiàn)脫網(wǎng)、小區(qū)選擇失敗等網(wǎng)絡(luò)問題。

為了解決頻繁切換問題，在基站改進(jìn)算法，設(shè)計(jì)了多個(gè)RRU共PCI的方案。這樣在高速移動(dòng)中，隨著終端的移動(dòng)，終端所在小區(qū)的PCI并沒有變化。相比于傳統(tǒng)的兩基站間距離為3km來說，若使用2小區(qū)共PCI，則切換點(diǎn)之間距離由原來的3km增至6km。以此類推，若采用4小區(qū)共PCI，則切換點(diǎn)之間距離可增至9km。這樣大大降低了切換次數(shù)。

在具體設(shè)計(jì)和測試驗(yàn)證中，綜合考慮兩種策略，設(shè)計(jì)了兩種切換場景，即發(fā)生切換的兩個(gè)小區(qū)同抱桿和不同抱桿兩種情況。

（1）切換小區(qū)不同抱桿

發(fā)生切換的兩小區(qū)不同抱桿，即同一抱桿中的各小區(qū)共同擁有相同的PCI。

（2）切換小區(qū)同抱桿

發(fā)生切換的兩小區(qū)同抱桿，即同一抱桿中的各小區(qū)PCI不同，且發(fā)生切換。

提高切換成功率方面，分析切換過程中的全部信令，主要有3個(gè)步驟，分別為UE負(fù)責(zé)上報(bào)測量、eNB對(duì)測量上報(bào)做出判斷、發(fā)送切換命令進(jìn)行切換。在高速移動(dòng)狀態(tài)，要求切換必須及時(shí)，從而保證在當(dāng)前小區(qū)信號(hào)還沒有惡化前，完成切換。在切換過程中，優(yōu)化思路為基站可適當(dāng)減小周期上報(bào)的參數(shù)TimetoTrigger、增強(qiáng)基站處理能力、減小處理時(shí)延等，同時(shí)在保證切換成功率的前提下，盡可能縮短小區(qū)選擇、重選和駐留的時(shí)間。

下面介紹微基站組網(wǎng)的測試技術(shù)和方法。

4　測試技術(shù)

4.1測試方案

微基站在室外驗(yàn)證時(shí)的方案與第2章中圖1的組網(wǎng)圖基本相同。需要特別說明的是，當(dāng)室外驗(yàn)證的環(huán)境不充分時(shí)，可以采用圖3的室內(nèi)測試方案，此方案基本涵蓋了組網(wǎng)圖1涉及的全部網(wǎng)元，唯一不同的是增加了信道仿真器，用它來做室內(nèi)模擬高速鐵路場景的多普勒頻移等場景，其中信道仿真器包含兩個(gè)不可缺少的模型，一是高速（350km/h）模型，二是AWGN信道衰落模型。

圖3　微基站測試連接示意圖

4.2頻偏測試

解決多普勒頻偏校正需要基站和車載系統(tǒng)設(shè)備共同支持，其中基站側(cè)要實(shí)現(xiàn)上行多普勒頻偏糾正，車載系統(tǒng)設(shè)備需要具備下行頻率修正功能。

對(duì)于下行多普勒頻移的校正，在高速場景下采用自動(dòng)頻率控制來降低多普勒頻移，通過配置上行有用信號(hào)及PUCCH和PUSCH相關(guān)參數(shù)類控制頻偏計(jì)算。同理，對(duì)于車載設(shè)備CPE或者終端側(cè)的下行頻率修正功能類似。

對(duì)于上行來說，當(dāng)高速移動(dòng)的終端接受f_d的頻偏時(shí)，根據(jù)?f計(jì)算出上行發(fā)送的提前量Timing Advance，將上行信號(hào)按照TA指定位置和指定時(shí)間發(fā)送，從而使上行信號(hào)到達(dá)基站可以正常接收和解調(diào)。

4.3切換測試

切換測試包括室內(nèi)和室外兩種場景。室外場景為真實(shí)的高鐵運(yùn)行路線中實(shí)地測試。考慮到室外高鐵驗(yàn)證環(huán)境復(fù)雜，也可考慮在室內(nèi)驗(yàn)證時(shí)使用信道仿真器模擬高速運(yùn)行環(huán)境部署測試方案。對(duì)室內(nèi)來說，信道仿真器包含兩個(gè)不可缺少的模型，一是高速多普勒頻偏模型（300～350km/h），二是AWGN信道衰落模型。

切換測試中需要的檢查點(diǎn)有4個(gè)：切換成功率、終端接入成功率、接入時(shí)延、上下行吞吐量等指標(biāo)。

4.4業(yè)務(wù)承載測試

由于此系統(tǒng)包含了TD-LTE、2G、3G和Wi-Fi信號(hào)，針對(duì)不同模式的業(yè)務(wù)處理，方案設(shè)計(jì)了不同業(yè)務(wù)的優(yōu)先級(jí)。對(duì)于優(yōu)先級(jí)的處理主要有3種場景，一是下行業(yè)務(wù)的QoS優(yōu)先級(jí)，二是回傳鏈路QoS控制，以及雙向會(huì)車場景的擁塞控制。

在測試中，是由在網(wǎng)關(guān)設(shè)備上實(shí)現(xiàn)上述優(yōu)先級(jí)處理的，具體為設(shè)計(jì)基于端口的QoS優(yōu)先級(jí)。對(duì)于承載的Iub、Abis接口數(shù)據(jù)、視頻監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)、Wi-Fi接入，網(wǎng)關(guān)提供優(yōu)先級(jí)設(shè)置和QoS質(zhì)量保證。優(yōu)先傳送Iub和Abis數(shù)據(jù)，其次視頻，再次Wi-Fi。

此外，回傳鏈路QoS控制以及雙向會(huì)車場景時(shí)擁塞控制，主要在接入網(wǎng)關(guān)上實(shí)現(xiàn)，包括基于VLAN等技術(shù)實(shí)現(xiàn)流分類、帶寬控制、擁塞控制等能力。

檢查指標(biāo)為：高優(yōu)先級(jí)QoS業(yè)務(wù)能得到優(yōu)先保證、Wi-Fi視頻清晰、2/3G話音質(zhì)量有保證。

5　結(jié)束語

本文定義了一種基于TD-LTE的高速鐵路寬帶組網(wǎng)方案，在地面系統(tǒng)使用TD-LTE信號(hào)，車廂內(nèi)TD-LTE微基站和Wi-Fi、3G、2G聯(lián)合組網(wǎng)，并使用TD-LTE作為回傳技術(shù)。通過改進(jìn)TD-LTE基站的算法來處理多普勒頻偏，通過改變TD-LTE基站和天線分布來改善切換性能，為TD-LTE在高速鐵路中的應(yīng)用提供了一種方案。

參考文獻(xiàn)

［1］劉方森，李壽鵬，李方村，等.TD-LTE高鐵覆蓋方案研究與測試［J］.電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2015（2）.

收稿日期：（2016-05-08）

Research on key technology of high speed railway broadband communication based on TD-LTE

GUO Fengran，YANG Siyuan

Abstract：Based on the research of TD-LTE application in high-speed railway，this paper design a broadband communications system which consist of TD-LTE Macro-NodeB，Wi-Fi，2/3G，and use TD-LTE as return technology，by analysing its key technology of macro NodeB，thus providing a reference solution for TD-LTE application in high-speed railway.

Key words：high-speed railway；TD-LTE；Macro-NodeB