大唐移动ＴＤ－ＳＣＤＭＡ高速铁路解决方案

时间：2024-05-04

1 我国高速铁路概况

随着国民经济的快速发展和人民生活水平的日益提高,我国高速铁路的建设全面展开。中国高速铁路的发展不仅填补了中国运输体系中的缺失,而且在中国经济发展中也具有非常重要的战略意义。

“十一五”期间,中国通过建设高速铁路客运专线、发展城际客运轨道交通和既有线提速改造,初步形成以高速铁路客运专线为骨干,连接全国主要大中城市的快速客运网络。高速铁路作为越来越普及的交通工具,逐渐成为人们商务出差、旅游出行的首选。

为满足快速增长的旅客运输需求,建立省会城市及大中城市间的快速客运通道,“十一五”规划了“四纵四横”铁路快速客运通道以及三个城际快速客运系统,时速高达380km/h。如图1所示。

1.1“四纵”客运专线

(1)北京-上海;

(2)北京-武汉-广州-深圳;

(3)北京-沈阳-哈尔滨(大连);

(4)杭州-宁波-福州-深圳。

1.2“四横”客运专线

(1)徐州-郑州-兰州;

(2)杭州-南昌-长沙;

(3)青岛-石家庄-太原;

(4)南京-武汉-重庆-成都。

1.3 三个城际客运系统

环渤海地区、长江三角洲地区、珠江三角洲地区城际客运系统。

由于高铁主要的目标客户是商务出行或者旅游出行,这些人在列车上使用语音或高速数据业务的需求较为明确。因此,快速发展的高速铁路已成为移动话音和数据业务的新热点。在“十一五”规划中,科技部、铁道部将“双高课题”——高速移动下的高数数据业务作为研究重点。

2 大唐移动推出高速铁路覆盖方案

大唐移动基于对TD-SCDMA系统的深刻理解和在上海磁悬浮成功的高速覆盖经验,率先提出基于车载直放站设备为基础的TD-SCDMA高铁覆盖方案。

由于车辆技术的不断发展,车厢密闭性越来越好,导致在无线传输的车体穿透损耗越来越大,庞巴迪高速列车的损耗达到25dB,一般车体损耗都在10dB以上,当损耗为30dB时,相当于信号在透过车体时只有原来1/1000的信号强度。为了克服车体穿透损耗,要求室外的信号发射机功率增强,要求更高的基站接收机灵敏度,或者要求UE的发射信号增强。

大唐移动的高铁解决方案中,铁路沿线采用BBU+RRU组网,采用小区分集和高速频偏补偿算法,在高速列车上装在直放站克服穿透损耗。

2.1 铁道沿线采用BBU+RRU进行专网覆盖

(1)业内最早最成熟的小区分集算法

由于单个小区的覆盖范围相对较小,而UE移动速度非常快,造成手机终端驻留在单个小区的时间很短;另外,因多普勒频偏的影响使用户读系统广播、起呼、切换的时延更长,在高速移动环境下,时延较大的重选、切换和接入等流程很可能无法在单个站点覆盖范围内全部完成;同时频繁的切换还会导致用户体验变差、切换掉话的可能性变大。因此,需要扩大单个小区的覆盖范围。

将小区分集算法技术应用于高速移动覆盖场景可带来如下好处:

◆将同站点的多个扇区合并,避免切换,将多个站址合并为一个小区,减少切换;

◆有效增减单个小区覆盖范围,保证用户的高接入成功率。

一个BBU连接2-3个RRU的情况如图2所示。

(2)专利的物理层频偏纠正算法和频偏预矫正算法

在TD-SCDMA系统的接收机中,由多普勒频移等引起的频偏会对接收数据产生相位偏转,频偏越大,相位偏转越严重,对系统的相干解调性能的影响就越明显,即车速越高,多普勒频移对解调性能的影响越严重。

在TD-SCDMA系统中,终端通过自动频率控制(AFC,Automatic Frequency Control)技术进行载波频率跟踪,而基站侧采用固定频点的载波频率进行信号接收,使得高速铁路沿线的基站侧最大多普勒频偏可达1400Hz。为了保证数据的解调性能,需要对检测数据进行频率校正后再执行判决,即接收端需要进行频偏估计(FOE,Frequency Offset Estimation)和频偏校准(FOC,Frequency Offset Calibration)操作。

在高速移动业务情况下,基站需要采用两次频偏补偿过程才能达到较好的性能。该方案的具体实施流程如图3所示。我们首先根据信道估计得到的信道响应来估计频偏,得到初步频偏值,然后利用此初步频偏值对联合检测得到的检测数据进行初步校正,得到初步校正数据;再根据初步校正数据利用数据符号频偏估计方法计算频偏值,得到二次频偏值,并利用此二次频偏值对初步校正数据进行频偏补偿,得到二次校正数据,最后对二次校正数据进行解调判决。

根据分析,第一次频偏估计方案具有估计范围大、估计精度差的特点,能估计出2000Hz以上的频偏;而第二次频偏估计方案具有估计范围小、估计精度高的特点,能估计的频偏范围为800Hz左右。因此在高速移动环境下采用这两种频偏估计算法的结合能够有效地提高性能。

(2)业内领先的频偏预矫正算法

在下行方向,为了使终端平稳地进行切换,需在基站侧估计频偏并进行预矫正,使终端接收频率稳定在基站发射频点上。

无线网络环境是由基站和终端组成的,即在高速移动环境下也需要解决大频偏对终端的解调性能影响。TD-SCDMA系统中,基站采用固定频点的频率进行信号收发,而终端通过自动频率控制(AFC)方案使本振频率自动跟踪接收信号的频率变化。在高速移动环境下(如车速为400km/h),终端切换时相对于新旧两个基站的运动方向相反,导致终端的多普勒频移发生跳变,使终端产生一个很大的频偏,分析得出,这个频偏值最大可以达到最大多普勒频偏值的两倍。

此时采用现有的AFC控制方案则需要很长的时间才能进入稳定状态,使终端的性能恶化。为此,提出了高速优化频偏估计方案,该方案采用基站侧高速频偏估计的思想,同时修改了AFC的控制方案。

频偏预校正基本思想就是基站根据目标用户上行信道频偏估计,对下行发送信号频率进行预校正,使发送信号到达UE之后的等效接收频率为小区原始发送频率。在实现过程中,需在基站侧增加DPCH的频偏预矫正,即通过对比收发信号的频偏,针对不同用户在物理层数据上进行频偏补偿。

对于终端用户而言,在基站频偏预矫正正常工作的情况下,基本稳定在指定频点上,几乎感受不到多普勒频偏存在,小区切换时刻不会产生大的多普勒频偏正负跳变。

如图4所示,终端以频率f发送信号,基站以频点f接收经过上行高速信道的信号,该信号频率为 f + f d,基站可以估计出频偏 f d。基站在下行发送该用户的数据时,发送频率采用 f + f d,这样发送信号经过下行高速信道后,终端接收信号的频率为 f。在终端切换前其工作频率一直稳定在基站频点 f 附近,终端切换后以新的基站频点工作,从而减小了终端的频偏变化,提高了终端的解调性能。这种方案通过增加基站的复杂度,改善了网络的性能。

2.2 高速列车上采用直放站克服穿透损耗

为了避免车辆技术的不断发展而影响车体内无线通信质量,通过无线直放站加车内分布系统的方式,可把车外信号馈入到车体内(室内),克服车体穿透损耗。高速列车上直放站安装示意如图5所示。

一般的传统直放站是固定放置,施主信号的环境比较稳定,放大倍数在开通时设置好就可以稳定工作。ALC功能只在个别情况下对增益进行小范围调整。由于环境可控,可以通过站点设置选择施主基站的信号强度在-80dBm以上。

直放站在高速列车上使用,与通常的应用场景有个显著不同。对于列车这种高速移动环境,外部信号的强度快速变化;为了保证直放站覆盖区域的信号稳定性,需要直放站具备自动增益调整功能。

◆输入信号电平范围:-35dBm~-85dBm;

◆输出信号:10dBm~20dBm;

◆放大器下行增益可调范围:45dBm~105dB。

输入功率测量:

◆全频段功率测量(射频测量);

◆服务基站功率测量(基于DwPTS功率):需要快速切换施主基站;

◆上下行增益的同步调整;

◆直放站产品具备AFC(自动频偏控制)功能。