大唐移动TD-SCDMA高速铁路解决方案

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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。

为满足快速增长的旅客运输需求,“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。

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。

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。

图1 BBU + RRU 优化专网覆盖

图2 基站频偏补偿过程图

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,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,在高速列车上装载直放站克服穿透损耗。

BBU+RRU优化专网覆盖

业内最早最成熟的小区分集算法

考虑到单个小区的覆盖范围相对较小,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、切换的时延会更长,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。因此,需要扩大单个小区的覆盖范围,如图1所示。

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:

(1)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;(2)有效增减单个小区覆盖范围,保证用户的高接入成功率。

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:AutomaticFrequencyControl)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:FrequencyOffsetEstimation)和频偏校准(FOC:FrequencyOffsetCalibration)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见图2所示。

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。

业内领先的频偏预矫正算法

下行方向,为了使终端平稳地进行切换,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。

图3 频偏预校正示意#p#

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,基站采用固定的频点的频率进行信号的收发,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,使得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两倍的最大多普勒频偏值。

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,该方案采用了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,使得发送信号到达UE之后的等效接收频率为小区原始发送频率。实现中在基站侧增加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3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+fd,基站可以估计出频偏fd。基站在下行发送该用户的数据时,发送频率采用f-fd,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。

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,如图4所示。

图4 无线直放站加车内分布系统降低穿透损耗

直放站产品具备AGC(自动增益控制)功能

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。

频偏检测算法:高稳钟产生参考频率;

基带处理算法:服务小区选定后,可采用与基站类似的算法;

模拟中频处理方法:通过对本振的精细调整,实现频率校准。或数字中频处理:在中频使用数字频综,采用数字变频的方式。

2007年,中国首条高速铁路京津城际轨道交通工程客运专线完成铺轨,2008年,中国高速铁路建设步伐加快,不仅引人注目的京沪高速铁路开始兴建,广深港高速铁路、京石高速铁路客运专线、南宁至广州高速铁路等等一大批高速铁路建设工程都开始动工。

随着中国高速铁路建设的不断发展,大唐移动将致力于提高移动用户在高速移动环境下的业务体验,为中国的移动通信建设贡献力量。

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责任编辑:许凤丽 来源: 通信产业网
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