1,、引言
TD-SCDMA作為我國自主研發(fā)的3G移動通信系統(tǒng),，經過多年的大規(guī)模網絡建設,，網絡覆蓋已經日趨成熟,。近幾年，隨著國內高速鐵路的不斷發(fā)展,，高速移動場景下的無線網絡覆蓋已經成為TD-SCDMA網絡建設的重要組成部分,，在高速移動場景下為終端用戶提供無縫的覆蓋、更高的系統(tǒng)容量和數(shù)據(jù)速率,，已經成為移動通信領域的重大挑戰(zhàn)之一。
依托2010年上海市科委重點項目（No.10511500402）,，作者針對高速移動場景下的網絡覆蓋解決方案進行了研究和分析,，提出了采用TD-SCDMA FemtoCell技術進行高速移動場景覆蓋的解決方案。本文包括以下章節(jié)內容：第二節(jié)對高速移動通信場景進行了介紹,，并給出了該場景下移動通信的業(yè)務量需求分析,，以及高速場景下網絡覆蓋的難點問題介紹；第三節(jié)總結了現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋方案,；第四節(jié)提出了基于FemtoCell的覆蓋解決方案,，給出關鍵技術問題的分析，并對需要進一步研究的細節(jié)給出了說明,；第五節(jié)總結全文,。
2、高速移動場景介紹
2.1 高速移動通信場景
高速鐵路作為一種安全可靠,、快捷舒適,、超大運量、低碳環(huán)保的運輸方式,，已經成為世界鐵路發(fā)展的重要趨勢,。截至目前，中國大陸投入運營的高速鐵路已達6920公里,，營業(yè)里程居世界第一位,，在建的高速鐵路達到一萬公里以上。時速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通運營,，運營速度世界最高,。上海市的磁懸浮高速鐵路時速更是達到了431公里,。高速鐵路的線路規(guī)模和時速都在不斷提升當中，高速移動場景已經成為3G移動通信重要的組網場景,，受到越來越多的關注,。
跟普通場景相比，高速移動場景下的移動網絡覆蓋通常有以下特點：
a) 高速移動場景下的終端用戶都集中分布在車內,，全部用戶隨著列車運行同步運動,。
b) 用戶在無線網絡中的切換、小區(qū)重選等行為都非常集中,，無線網絡資源的使用呈突發(fā)性,；短時間內頻繁的小區(qū)間切換、重選等,，對網絡KPI指標有一定的影響,。
c) 高速的移動使得用戶經過一個小區(qū)的時間往往很短，信令,、業(yè)務時延對用戶在無線網絡中的移動性能影響很大,。
d）高速移動場景下的車體通常具有較大的穿透損耗：對于TD-SCDMA常用頻段，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20 dB,，上海磁懸浮高速列車（最高時速達431公里）車廂穿透損耗在30~35 dB,。這對無線網絡的連續(xù)覆蓋、終端功耗都提出了較高的要求,。
e）高速移動場景下,，多普勒效應明顯，產生的多普勒頻偏對業(yè)務質量影響較大,。
f) 高速移動場景下,，終端用戶數(shù)據(jù)業(yè)務的潛在需求較大。
高速移動場景下無線網絡覆蓋必然需要結合上述特點進行規(guī)劃和設計,，最大程度上保證終端用戶的業(yè)務需求,，提升用戶體驗。
2.2 高速移動通信場景業(yè)務需求
隨著國內TD-SCDMA網絡規(guī)模和用戶規(guī)模的擴大,，TD-SCDMA終端用戶對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求也呈較大上升趨勢,，終端用戶潛在地希望在各種環(huán)境下都能得到較好的業(yè)務體驗。
對于高速移動場景,，這里基于一系列假設給出終端用戶業(yè)務需求分析：
假設條件： 高速列車每列16節(jié)車廂,，每節(jié)車廂乘客50人。
1)乘客語音通信需求：16×50×0.02×0.8=12.8 erl其中,，移動用戶滲透率80%,， 每個用戶話務量0.02 erl。
2)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%，移動用戶滲透率80%,。
考慮到雙向開行,，以每小區(qū)覆蓋最多2輛車計算，每小區(qū)通信量需求如下表所示：
表1 業(yè)務需求統(tǒng)計
上述參數(shù)假設在實際容量預算時是可以適當調整的,，但總體上不會改變對比趨勢,。
根據(jù)上述業(yè)務需求分析看，高速場景下對數(shù)據(jù)業(yè)務的需求非常大,。以目前商用的TD-SCDMA系統(tǒng)2上4下時隙配比為例,，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,，考慮到高速移動通信場景下的多普勒效應,、穿透損耗大等因素，實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，很難滿足高速移動場景下終端用戶的業(yè)務需求,。
2.3 高速移動場景覆蓋難點
在終端高速移動的場景下，直接使用常規(guī)TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)進行覆蓋存在一系列問題,，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運動造成,，高速場景下這種效應尤其明顯。多普勒頻移導致UE接收信號和Node B發(fā)送信號之間存在一個頻率偏差,，頻率偏差會導致UE接收數(shù)據(jù)符號出現(xiàn)相位旋轉,，進而影響到數(shù)據(jù)解調的準確性。經過計算在TD-SCDMA系統(tǒng)中QPSK解調支持的速度極限為200
km/h,。對于更高速度的移動場景,，則必須改進相位校準算法才能保證傳輸性能。實際上,，由于相位校準算法的相位補償能力有限,，無法從根本上解決多普勒頻偏的影響，必然對通信鏈路質量造成負面影響,。
車廂穿透損耗
高速場景下列車車廂的穿透損耗較大,。經過測量，高速列車車廂穿透損耗通常在15~20dB左右,，上海磁懸浮高速列車車廂穿透損耗在30~35dB左右,。因此，如果在車廂外對車廂內的用戶進行覆蓋,，車廂的穿透損耗也是一個不容忽視的問題,，會直接影響通信鏈路質量,。
移動性管理
高速鐵路等高速移動場景與普通場景相比，由于移動速度非常高,，在沿途每個小區(qū)覆蓋范圍內停留的時間都非常短,。而高速移動環(huán)境下，由于鏈路質量的惡化,，終端用戶的小區(qū)駐留,、接入、重選和切換等通信過程需要測量和信令交互的時間會更長,，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景,，時延較大的重選、切換和接入等流程很可能無法在單個基站站點覆蓋范圍內全部完成,；同時頻繁的切換還會導致用戶體驗變差,，切換掉話的可能性變大。
網絡容量受限
參考2.2節(jié)的分析,，大量高速移動場景下的終端用戶業(yè)務容量需求較高,，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,，難以滿足高速移動場景下終端用戶的業(yè)務需求,。
另外，當高速列車運行到小區(qū)或位置區(qū)邊緣時,，會產生大量的切換或位置區(qū)更新信令,，會導致短時間內系統(tǒng)負荷過載。
3,、高速移動場景現(xiàn)有覆蓋解決方案
3.1 多小區(qū)合并組網方案
多小區(qū)合并的組網方式,，通過擴大單小區(qū)覆蓋面積，增大重選/切換帶,，解決高速環(huán)境下的連續(xù)性覆蓋問題,，從而解決終端在高速移動環(huán)境中的駐留、接入,、呼叫等問題,，提升終端小區(qū)重選、小區(qū)切換成功率,，降低終端掉話率,。
3.1 多小區(qū)合并組網方案
多小區(qū)合并的組網方式,，通過擴大單小區(qū)覆蓋面積，增大重選/切換帶,，解決高速環(huán)境下的連續(xù)性覆蓋問題,，從而解決終端在高速移動環(huán)境中的駐留、接入,、呼叫等問題,，提升終端小區(qū)重選、小區(qū)切換成功率,，降低終端掉話率,。
普通小區(qū)結構如圖1所示。
圖1 普通小區(qū)結構示意圖（單站址單扇區(qū)）
普通小區(qū)結構即單扇區(qū)覆蓋一個小區(qū),，單個小區(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。
經過多小區(qū)合并,，小區(qū)結構示意圖如圖2 所示,。
圖2 多站址多扇區(qū)合并示意圖
采用多小區(qū)合并之后，原來多個小區(qū)之間的切換區(qū)域變成了同一個小區(qū)內的接力點,，減少了切換,，無需再預留信號重疊區(qū)域，從而擴大了單站覆蓋距離,。成倍降低終端用戶在高速環(huán)境下的切換,、重選次數(shù)，提升用戶感知,。
可以看出,，多小區(qū)合并組網方案，主要解決了移動性管理的問題,。
3.2 高速無線直放站方案
在多小區(qū)合并組網方案基礎上,，引入高速無線直放站，通過安裝在車廂外部的施主天線接收軌道沿線的TD-SCDMA宏蜂窩小區(qū)信號,，并將放大后的信號通過泄漏電纜傳遞到乘客車廂,，覆蓋車廂內用戶。系統(tǒng)結構如圖3所示：
圖3 高速無線直放站系統(tǒng)結構圖
高速無線直放站的引入,，在一定程度上解決了穿透損耗的問題,。
3.3 現(xiàn)有方案存在的問題
從上述現(xiàn)有方案描述和分析看，現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋解決方案解決了移動性管理,、穿透損耗,、多普勒頻偏的部分問題，一定程度上保證了終端用戶基本業(yè)務（如語音,、低速數(shù)據(jù)）的需求，但仍然存在一些明顯的問題,，見下表：
表2 現(xiàn)有解決方案的問題
基于上述分析,，目前的方案不能解決高速場景下網絡容量受限的問題。為了更好地解決這一問題,，本文將在下面章節(jié)中介紹一種基于FemtoCell的高速場景下覆蓋解決方案,。
4、FemtoCell覆蓋解決方案
FemtoCell（家庭基站小區(qū)）技術是目前眾多通信設備商和主流運營商關注的重點,。它的應用場景主要定位為家庭或者中小企業(yè),，一個FemtoCell單元類似于一個WLAN的無線接入點，通過普通的以太網口或其他有線連接接入到移動運營商的核心網絡,，以實現(xiàn)電信級運營和網絡覆蓋[1],。
本文將FemtoCell技術應用到高速移動場景，該方案采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡（稱為Backhaul），在每個列車上部署FemtoCell(標準研究中通常稱為HNB,，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（標準研究中通常稱為HNB GW,，HNB GateWay家庭基站網關），通過LTE回傳網絡將這些FemtoCell接入到核心網絡,。LTE回傳設備在宏蜂窩網絡中相當于一個高速移動的終端,。
4.1 網絡架構介紹
在介紹高速場景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統(tǒng)架構做簡要介紹[2],，其網絡架構如下圖所示：
4、FemtoCell覆蓋解決方案
FemtoCell（家庭基站小區(qū)）技術是目前眾多通信設備商和主流運營商關注的重點,。它的應用場景主要定位為家庭或者中小企業(yè),，一個FemtoCell單元類似于一個WLAN的無線接入點，通過普通的以太網口或其他有線連接接入到移動運營商的核心網絡,，以實現(xiàn)電信級運營和網絡覆蓋[1],。
本文將FemtoCell技術應用到高速移動場景，該方案采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡（稱為Backhaul），在每個列車上部署FemtoCell(標準研究中通常稱為HNB,，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（標準研究中通常稱為HNB GW,，HNB GateWay家庭基站網關），通過LTE回傳網絡將這些FemtoCell接入到核心網絡,。LTE回傳設備在宏蜂窩網絡中相當于一個高速移動的終端,。
4.1 網絡架構介紹
在介紹高速場景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統(tǒng)架構做簡要介紹[2],，其網絡架構如下圖所示：
圖4 Home Node B網絡架構圖
可以看出,，在FemtoCell系統(tǒng)中引入的網元有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)功能以及負責對HNB的注冊管理等。SeGW安全網關提供HNB到HMS和HNB GW的安全接入,、HNB鑒權等功能,。HMS主要功能是為HNB提供管理和參數(shù)配置。
本文將要介紹的車載FemtoCell系統(tǒng)網絡架構如圖5 和圖6 所示：
圖5 車載FemtoCell系統(tǒng)網絡架構
圖6 車載FemtoCell系統(tǒng)網絡架構
圖6所示的FemtoCell系統(tǒng)網絡架構在參考LTE-Advanced Relay的網絡架構[3]設計的基礎上,，針對高速移動場景覆蓋特點,，進行針對性調整和擴展，具體見下面網元介紹,。
需要特別說明的是：這里的TrainGW安裝于車廂上,，完成HNB數(shù)據(jù)的匯聚/分發(fā)、HNB注冊管理等功能,。部署在車廂上的主要原因有：
1）考慮到單個HNB覆蓋范圍有限,、業(yè)務容量有限，一般列車都會放置多個HNB,。若將HNB GW作為地面固定設備部署,，車廂上同樣需要一個替代設備對HNB數(shù)據(jù)進行匯聚/分發(fā)，邏輯功能重復,。
2） 車內HNB隨著列車運動而位置不斷變化,，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動信息,，不僅實現(xiàn)復雜,，還會增加業(yè)務時延等。
因此將HNB GW部署于車內較為合適,。
需要特別說明的是：這里的TrainGW安裝于車廂上,，完成HNB數(shù)據(jù)的匯聚/分發(fā)、HNB注冊管理等功能,。部署在車廂上的主要原因有：
1）考慮到單個HNB覆蓋范圍有限,、業(yè)務容量有限，一般列車都會放置多個HNB,。若將HNB GW作為地面固定設備部署,，車廂上同樣需要一個替代設備對HNB數(shù)據(jù)進行匯聚/分發(fā)，邏輯功能重復,。
2） 車內HNB隨著列車運動而位置不斷變化,，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動信息,，不僅實現(xiàn)復雜,，還會增加業(yè)務時延等。
因此將HNB GW部署于車內較為合適,。
網元介紹
TrainGW
TrainGW相當于LTE-Advanced Relay架構中的Relay節(jié)點,，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又稱為TrainGW eUE）,，HNB/HeNB GW功能為車內各個HNB（或HeNB）提供服務，負責對HNB（或HeNB）與CN之間的信令和數(shù)據(jù)進行匯聚和轉發(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)。
該網元通過Iuh接口與車廂內部署的HNB連接,，為車廂內的終端用戶提供接入,。
Macro-eNB
Macro-eNB為LTE網絡中的宏小區(qū)，實現(xiàn)與TrainGW eUE的空口連接,，完成TrainGW eUE與LTE核心網之間的數(shù)據(jù)轉發(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兩個功能實體,。TrainGW eUE的MME負責為TrainGW eUE建立S1接口和信令連接,，與LTE網絡中的MME功能一致。
Macro eNB需要與TrainGW的MME建立一個S1接口,，并為其下轄的每個TrainGW維護一條S1連接,。
TrainGW eUE的SGW/PGW
TrainGW eUE的SGW/PGW負責對HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數(shù)據(jù)進行匯聚和轉發(fā)，與LTE網絡中的SGW/PGW功能一致,。
與LTE-Advanced Relay架構的區(qū)別是,，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通過核心網間接口直接與3G
CN核心網互聯(lián)，支持3G HNB,、3G用戶終端設備對3G CN的訪問,。
HMS
相對于LTE-Advanced
Relay網絡架構，這里引入HNB系統(tǒng)中的HMS,，HMS為網絡管理設備,，基于TR-069網絡管理協(xié)議實現(xiàn)，負責為NNB提供配置參數(shù),，實現(xiàn)HNB的位置認證功能,，并且為HNB分配合適的服務HNB
GW，為HNB提供性能管理,，告警管理,。
SeGW
相對于LTE-Advanced Relay網絡架構，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,。
車載系統(tǒng)HNB通過光纖或電纜連接HNB GW,，一般為運營商或鐵路部門專用網絡部署，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共同構成了HNB 與3G
核心網CN間的Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道,。
數(shù)據(jù)流向
User UE的控制平面和用戶平面數(shù)據(jù)被映射到TrainGW-eUE的用戶平面承載，經由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW,，透傳給3G核心網CN,。
對關鍵接口的影響
Iuh接口
Iuh接口傳輸承載由運營商或鐵路部門部署的光纖或電纜傳輸，對接口協(xié)議沒有影響,。
Iu接口
Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道由TrainGW eUE ,、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW,、TrainGW MME共同構成,，對接口協(xié)議沒有影響。
HMS和HNB之間接口
FemtoCell固定網絡中通過HNBIP網絡SeGWHMS,，實現(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NBTrainGWLTEMacro-eNBLTE核心網IP網絡SeGWHMS實現(xiàn),，對接口協(xié)議沒有影響。
4.2 業(yè)務需求可行性分析
本節(jié)將根據(jù)高速鐵路業(yè)務需求和TDD LTE回傳網絡所能提供的系統(tǒng)容量,，進行本方案支持用戶業(yè)務需求的可行性分析,。
根據(jù)2.2節(jié)統(tǒng)計結果，折算到Iu口容量,，見下表：
TrainGW
TrainGW相當于LTE-Advanced Relay架構中的Relay節(jié)點,，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又稱為TrainGW eUE）,，HNB/HeNB GW功能為車內各個HNB（或HeNB）提供服務，負責對HNB（或HeNB）與CN之間的信令和數(shù)據(jù)進行匯聚和轉發(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)。
該網元通過Iuh接口與車廂內部署的HNB連接,，為車廂內的終端用戶提供接入,。
Macro-eNB
Macro-eNB為LTE網絡中的宏小區(qū)，實現(xiàn)與TrainGW eUE的空口連接,，完成TrainGW eUE與LTE核心網之間的數(shù)據(jù)轉發(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兩個功能實體,。TrainGW eUE的MME負責為TrainGW eUE建立S1接口和信令連接,，與LTE網絡中的MME功能一致。
Macro eNB需要與TrainGW的MME建立一個S1接口,，并為其下轄的每個TrainGW維護一條S1連接,。
TrainGW eUE的SGW/PGW
TrainGW eUE的SGW/PGW負責對HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數(shù)據(jù)進行匯聚和轉發(fā)，與LTE網絡中的SGW/PGW功能一致,。
與LTE-Advanced Relay架構的區(qū)別是,，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通過核心網間接口直接與3G
CN核心網互聯(lián)，支持3G HNB,、3G用戶終端設備對3G CN的訪問,。
HMS
相對于LTE-Advanced
Relay網絡架構，這里引入HNB系統(tǒng)中的HMS,，HMS為網絡管理設備,，基于TR-069網絡管理協(xié)議實現(xiàn)，負責為NNB提供配置參數(shù),，實現(xiàn)HNB的位置認證功能,，并且為HNB分配合適的服務HNB
GW，為HNB提供性能管理,，告警管理,。
SeGW
相對于LTE-Advanced Relay網絡架構，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,。
車載系統(tǒng)HNB通過光纖或電纜連接HNB GW,，一般為運營商或鐵路部門專用網絡部署，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共同構成了HNB 與3G
核心網CN間的Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道,。
數(shù)據(jù)流向
User UE的控制平面和用戶平面數(shù)據(jù)被映射到TrainGW-eUE的用戶平面承載，經由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW,，透傳給3G核心網CN,。
對關鍵接口的影響
Iuh接口
Iuh接口傳輸承載由運營商或鐵路部門部署的光纖或電纜傳輸，對接口協(xié)議沒有影響,。
Iu接口
Iu接口數(shù)據(jù)傳輸通道由TrainGW eUE ,、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW,、TrainGW MME共同構成,，對接口協(xié)議沒有影響。
HMS和HNB之間接口
FemtoCell固定網絡中通過HNBIP網絡SeGWHMS,，實現(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NBTrainGWLTEMacro-eNBLTE核心網IP網絡SeGWHMS實現(xiàn),，對接口協(xié)議沒有影響。
4.2 業(yè)務需求可行性分析
本節(jié)將根據(jù)高速鐵路業(yè)務需求和TDD LTE回傳網絡所能提供的系統(tǒng)容量,，進行本方案支持用戶業(yè)務需求的可行性分析,。
根據(jù)2.2節(jié)統(tǒng)計結果，折算到Iu口容量,，見下表：
表3業(yè)務需求與LTE空口容量對比
其中,，CS12.2k語音業(yè)務和數(shù)據(jù)業(yè)務轉換為Iu口數(shù)據(jù)格式，需要增加各種頭開銷,，傳輸速率計算時分別對應一個速率倍增系數(shù),，即2.871和1.322。
根據(jù)上述對比,，可以看到TDD LTE網絡20M帶寬,、時隙配比為D:S:U=4:2:4的配置（4個下行時隙：2個特殊時隙：4個上行時隙）下，能夠滿足傳輸容量的要求,，相對于采用傳統(tǒng)的車廂外TD-SCDMA宏小區(qū)覆蓋的方案具有明顯的優(yōu)勢,。
4.3 關鍵技術問題分析
4.3.1 干擾
高速FemtoCell組網方式，主要的干擾場景為：
根據(jù)上述對比,，可以看到TDD LTE網絡20M帶寬,、時隙配比為D:S:U=4:2:4的配置（4個下行時隙：2個特殊時隙：4個上行時隙）下，能夠滿足傳輸容量的要求,，相對于采用傳統(tǒng)的車廂外TD-SCDMA宏小區(qū)覆蓋的方案具有明顯的優(yōu)勢,。
4.3 關鍵技術問題分析
4.3.1 干擾
高速FemtoCell組網方式，主要的干擾場景為：
圖7 干擾場景示意圖
車內相鄰FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（1）所示,。
根據(jù)1.2節(jié)統(tǒng)計,，列車每車廂業(yè)務量需求下行在1 Mbps左右，上行在0.04 M左右,，因此每車廂部署1個單載波FemtoCell可以滿足容量需求,，即可以采用每個FemtoCell小區(qū)單頻點覆蓋,，車內干擾可以通過頻點規(guī)劃規(guī)避同頻干擾。在可用頻點個數(shù)允許的情況下,，盡量增大FemtoCell頻點復用距離,。比如，F(xiàn)emtoCell采用目前TD-SCDMA網絡常用的3個室內覆蓋頻點進行覆蓋,，那么頻點復用距離為車廂長度的三倍,。
另外，車廂之間有車門阻隔可以屏蔽一定的干擾,。
列車FemtoCell與室外宏小區(qū)之間的干擾
干擾場景如圖7中（2）所示,。
列車FemtoCell與室外宏小區(qū)之間的干擾可以通過異頻組網的方式進行規(guī)避?？紤]到鐵路沿線通常不會有密集的居民和辦公建筑分布,，列車內FemtoCell覆蓋可以復用家庭基站組網的頻率資源，比如規(guī)劃給室內覆蓋的頻率資源,。
兩列車FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（3）所示,。
高速場景下列車通常采用金屬車廂，兩輛列車之間的隔離度在25~30 dB以上,，在很大程度上隔離了相互之間的干擾,。尤其在列車行駛過程中，相向運動,，兩輛列車并列時間<5 s(按照動車組行駛速度200 km/h,，列車長度400 m計算)，列車之間FemoCell相互干擾影響較小,。
4.3.2 移動性管理
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型終端,，一種是用戶終端，另一種是車載網關,。車載網關同時作為車外宏小區(qū)的終端,，隨著列車運動，需要進行小區(qū)駐留,、接入,、重選和切換等一系列過程，為了提高車載網關的移動性能,，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)將重點討論車內用戶的移動性問題,。
車內用戶的移動又包括2種場景：用戶在列車上不同F(xiàn)emtoCell間移動的情況（如圖8中（1）所示）；車內用戶上下車的情況,。其中,，用戶在列車上不同F(xiàn)emtoCell間移動的情況，可以采用現(xiàn)有的FemtoCell間用戶移動處理方式[5]（TrainGW進行處理）,。車內用戶上下車的移動性問題包括：車內用戶移動至車外（如圖8中（2）所示）和車外用戶移動至車內（如圖8中（3）所示）兩種情況,，下面進行具體分析。
兩列車FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（3）所示,。
高速場景下列車通常采用金屬車廂，兩輛列車之間的隔離度在25~30 dB以上,，在很大程度上隔離了相互之間的干擾,。尤其在列車行駛過程中，相向運動,，兩輛列車并列時間<5 s(按照動車組行駛速度200 km/h,，列車長度400 m計算)，列車之間FemoCell相互干擾影響較小,。
4.3.2 移動性管理
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型終端,，一種是用戶終端，另一種是車載網關,。車載網關同時作為車外宏小區(qū)的終端,，隨著列車運動，需要進行小區(qū)駐留,、接入,、重選和切換等一系列過程，為了提高車載網關的移動性能,，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)將重點討論車內用戶的移動性問題,。
車內用戶的移動又包括2種場景：用戶在列車上不同F(xiàn)emtoCell間移動的情況（如圖8中（1）所示）；車內用戶上下車的情況,。其中,，用戶在列車上不同F(xiàn)emtoCell間移動的情況，可以采用現(xiàn)有的FemtoCell間用戶移動處理方式[5]（TrainGW進行處理）,。車內用戶上下車的移動性問題包括：車內用戶移動至車外（如圖8中（2）所示）和車外用戶移動至車內（如圖8中（3）所示）兩種情況,，下面進行具體分析。
圖8 切換/重選場景示意圖
車內用戶向車外小區(qū)切換/重選
需要將車外宏小區(qū)配置成車內FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū),，可以利用HNB現(xiàn)有的自動監(jiān)聽檢測功能進行鄰區(qū)檢測,，選擇合適的車外宏小區(qū)作為鄰區(qū)。但是考慮到車體穿透損耗,，車內HNB對鄰區(qū)的檢測可能不夠準確,，這個是需要進一步研究的問題。
同時列車在運行過程中不可能有用戶上下車,，此時希望車內終端用戶能夠一直駐留在車內FemtoCell小區(qū)內,，此時鄰區(qū)列表中只需要配置車上相鄰的FemtoCell。因此車內FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū)也可以靈活地進行配置,。
車外用戶向車內小區(qū)切換/重選
由于經過一個站臺的車輛及停留時間都不固定,，若將所有可能經過列車的所有FemtoCell小區(qū)都添加為鄰區(qū)，則一是可能會超出鄰區(qū)數(shù)限制,，二是會增加終端的測量上報的負荷,；若FemtoCell鄰區(qū)只是在列車進站時添加，出站時刪除,，則會引起宏小區(qū)廣播頻繁更新,，導致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問題同樣存在于室內FemtoCell組網場景,，需要進一步的研究,。
網絡尋呼
對TrainGW的尋呼
車外宏小區(qū)對TrainGW的尋呼應遵循車外宏小區(qū)對一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調整,。并且TrainGW在工作過程中承載大量真實終端數(shù)據(jù),，一般不會處于空閑狀態(tài)，發(fā)起尋呼次數(shù)很少,，因為尋呼導致的TrainGW與車外宏小區(qū)連接建立時延對FemtoCell內終端業(yè)務的影響可以忽略,。
對用戶終端（User-UE）的尋呼
3G網絡對用戶終端的尋呼消息，作為用戶面數(shù)據(jù),，以IP包的形式傳輸給TrainGW eUE的SGW/PGW,，此時TrainGW
eUE的SGW/PGW相當于一個數(shù)據(jù)路由器，在LTE回傳網絡中最終傳輸給TrainGW eUE,，在TrainGW內部把這些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可以通過現(xiàn)有尋呼方式對服務的用戶終端進行尋呼：當TrainGW收到CN 下發(fā)的尋呼消息時,，根據(jù)尋呼消息中的UE 標識,，通過查詢UE
Context,，找到UE 所附著的FemtoCell 小區(qū)，并在該FemtoCell 范圍內實現(xiàn)精確尋呼,。
4.3.3 同步
由于終端在列車內外的移動性的需要,，要求車內FemtoCell之間，車內FemtoCell與車外宏小區(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車外宏小區(qū)同步參考,，進行同步調整,。
優(yōu)點：可以在任何存在3G網絡的地方獲取同步參考。
缺點：需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收,。
GPS同步：利用車上安裝的GPS設備獲取同步參考信號,。
優(yōu)點：不需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
缺點：列車進站后,，可能不能隨時接收GPS信號,。
4.3.4 QoS保證
TrainGW作為一個大容量、高速移動的終端,，匯集了來自大量用戶終端多種QoS等級的業(yè)務數(shù)據(jù),。LTE車外宏小區(qū)作為業(yè)務數(shù)據(jù)的中轉，需要分別保證不同業(yè)務的QoS要求,。同時在不能為高速鐵路提供專網組網的情況下,，需要保證車上用戶和車外直接接入車外宏小區(qū)的用戶能得到公平調度。
可以采取如下方案：
TrainGW
根據(jù)車內UE傳輸數(shù)據(jù)的QoS類型建立不同的優(yōu)先級承載,，來自同一TrainGW不同UE相同QoS類型的業(yè)務可以映射到同一條優(yōu)先級承載上,。車外宏小區(qū)根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級調度TrainGW
或車外宏小區(qū)其他終端?；蛘呖梢愿鶕?jù)對車載業(yè)務保證的需求,，調整車載業(yè)務優(yōu)先級。
4.4 方案小結
根據(jù)上述分析,，基于FemtoCell覆蓋高速移動場景的方案,，相對于傳統(tǒng)覆蓋方案可以解決一些實際的問題：
1)HNB安裝在車廂內部，通過TrainGW與車廂外宏小區(qū)建立連接,，解決了車廂穿透損耗對空口傳輸?shù)挠?br /> 2)采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡,，解決了高速場景下用戶密集，3G網絡容量受限的問題,。
3)移動性管理方面,，本方案中車廂外LTE宏小區(qū)組網時仍然可以采用多小區(qū)合并組網技術，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區(qū)中停留過短的問題。并且TrainGW匯聚了大量用戶終端的數(shù)據(jù),，作為一個車外宏小區(qū)的終端在網絡中移動,，車廂內FemtoCell之間的用戶切換可以直接經過TrainGW進行，切換和小區(qū)重選等移動性過程相當于在低速環(huán)境下進行,。
同時,，該方案在諸多細節(jié)上還需要進一步研究，如：
1)針對高速場景下用戶終端移動和傳播環(huán)境特點,，HNB鄰區(qū)配置策略和方法需要進一步研究和優(yōu)化。
2)為了方便運營商對用戶漫游計費的統(tǒng)計,，針對HNB在隨著列車移動的特點,，需要對HNB位置區(qū)/路由區(qū)的維護方案進一步研究。
3)采用LTE空口回傳技術,，空口傳輸速率受信道條件,，網絡負荷等因素的影響，會引入數(shù)據(jù)回傳的時延,。因此需要對車載用戶終端的業(yè)務質量保證策略進一步研究和優(yōu)化,。
車內用戶向車外小區(qū)切換/重選
需要將車外宏小區(qū)配置成車內FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū),，可以利用HNB現(xiàn)有的自動監(jiān)聽檢測功能進行鄰區(qū)檢測,，選擇合適的車外宏小區(qū)作為鄰區(qū)。但是考慮到車體穿透損耗,，車內HNB對鄰區(qū)的檢測可能不夠準確,，這個是需要進一步研究的問題。
同時列車在運行過程中不可能有用戶上下車,，此時希望車內終端用戶能夠一直駐留在車內FemtoCell小區(qū)內,，此時鄰區(qū)列表中只需要配置車上相鄰的FemtoCell。因此車內FemtoCell小區(qū)的鄰區(qū)也可以靈活地進行配置,。
車外用戶向車內小區(qū)切換/重選
由于經過一個站臺的車輛及停留時間都不固定,，若將所有可能經過列車的所有FemtoCell小區(qū)都添加為鄰區(qū)，則一是可能會超出鄰區(qū)數(shù)限制,，二是會增加終端的測量上報的負荷,；若FemtoCell鄰區(qū)只是在列車進站時添加，出站時刪除,，則會引起宏小區(qū)廣播頻繁更新,，導致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問題同樣存在于室內FemtoCell組網場景,，需要進一步的研究,。
網絡尋呼
對TrainGW的尋呼
車外宏小區(qū)對TrainGW的尋呼應遵循車外宏小區(qū)對一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調整,。并且TrainGW在工作過程中承載大量真實終端數(shù)據(jù),，一般不會處于空閑狀態(tài)，發(fā)起尋呼次數(shù)很少,，因為尋呼導致的TrainGW與車外宏小區(qū)連接建立時延對FemtoCell內終端業(yè)務的影響可以忽略,。
對用戶終端（User-UE）的尋呼
3G網絡對用戶終端的尋呼消息，作為用戶面數(shù)據(jù),，以IP包的形式傳輸給TrainGW eUE的SGW/PGW,，此時TrainGW
eUE的SGW/PGW相當于一個數(shù)據(jù)路由器，在LTE回傳網絡中最終傳輸給TrainGW eUE,，在TrainGW內部把這些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可以通過現(xiàn)有尋呼方式對服務的用戶終端進行尋呼：當TrainGW收到CN 下發(fā)的尋呼消息時,，根據(jù)尋呼消息中的UE 標識,，通過查詢UE
Context,，找到UE 所附著的FemtoCell 小區(qū)，并在該FemtoCell 范圍內實現(xiàn)精確尋呼,。
4.3.3 同步
由于終端在列車內外的移動性的需要,，要求車內FemtoCell之間，車內FemtoCell與車外宏小區(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車外宏小區(qū)同步參考,，進行同步調整,。
優(yōu)點：可以在任何存在3G網絡的地方獲取同步參考。
缺點：需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收,。
GPS同步：利用車上安裝的GPS設備獲取同步參考信號,。
優(yōu)點：不需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
缺點：列車進站后,，可能不能隨時接收GPS信號,。
4.3.4 QoS保證
TrainGW作為一個大容量、高速移動的終端,，匯集了來自大量用戶終端多種QoS等級的業(yè)務數(shù)據(jù),。LTE車外宏小區(qū)作為業(yè)務數(shù)據(jù)的中轉，需要分別保證不同業(yè)務的QoS要求,。同時在不能為高速鐵路提供專網組網的情況下,，需要保證車上用戶和車外直接接入車外宏小區(qū)的用戶能得到公平調度。
可以采取如下方案：
TrainGW
根據(jù)車內UE傳輸數(shù)據(jù)的QoS類型建立不同的優(yōu)先級承載,，來自同一TrainGW不同UE相同QoS類型的業(yè)務可以映射到同一條優(yōu)先級承載上,。車外宏小區(qū)根據(jù)業(yè)務優(yōu)先級調度TrainGW
或車外宏小區(qū)其他終端?；蛘呖梢愿鶕?jù)對車載業(yè)務保證的需求,，調整車載業(yè)務優(yōu)先級。
4.4 方案小結
根據(jù)上述分析,，基于FemtoCell覆蓋高速移動場景的方案,，相對于傳統(tǒng)覆蓋方案可以解決一些實際的問題：
1)HNB安裝在車廂內部，通過TrainGW與車廂外宏小區(qū)建立連接,，解決了車廂穿透損耗對空口傳輸?shù)挠?br /> 2)采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡,，解決了高速場景下用戶密集，3G網絡容量受限的問題,。
3)移動性管理方面,，本方案中車廂外LTE宏小區(qū)組網時仍然可以采用多小區(qū)合并組網技術，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區(qū)中停留過短的問題。并且TrainGW匯聚了大量用戶終端的數(shù)據(jù),，作為一個車外宏小區(qū)的終端在網絡中移動,，車廂內FemtoCell之間的用戶切換可以直接經過TrainGW進行，切換和小區(qū)重選等移動性過程相當于在低速環(huán)境下進行,。
同時,，該方案在諸多細節(jié)上還需要進一步研究，如：
1)針對高速場景下用戶終端移動和傳播環(huán)境特點,，HNB鄰區(qū)配置策略和方法需要進一步研究和優(yōu)化。
2)為了方便運營商對用戶漫游計費的統(tǒng)計,，針對HNB在隨著列車移動的特點,，需要對HNB位置區(qū)/路由區(qū)的維護方案進一步研究。
3)采用LTE空口回傳技術,，空口傳輸速率受信道條件,，網絡負荷等因素的影響，會引入數(shù)據(jù)回傳的時延,。因此需要對車載用戶終端的業(yè)務質量保證策略進一步研究和優(yōu)化,。
5、總結
高速移動場景已經成為3G移動通信重要的組網場景,，F(xiàn)emtoCell由于其靈活的組網方式,，已經在室內場景組網中得到了廣泛的應用。本文結合高速移動場景的特點,，提出了一種利用FemtoCell基站對高速鐵路車廂進行覆蓋的組網方式,，并給出實現(xiàn)的網絡架構，及干擾,、移動性管理,、同步、QoS保證等關鍵技術問題分析,。根據(jù)初步的研究分析,，該方案結合現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋技術，可以解決高速移動場景下移動性管理,、網絡容量受限及車廂穿透損耗等問題,，可以明顯提升終端用戶的業(yè)務體驗。同時,，方案中還存在一些細節(jié)需要進一步研究和優(yōu)化,，需要后續(xù)關注。
參考文獻：
1,、3GPP TR 25.820, “3G Home Node B Study Item Technical Report”, Sep 2008.
2,、CCSA TC5-WG9-2009-553B, TD-SCDMA Home Node B研究報告v3.0.
3、3GPP TR 36.806, “Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced)”, 2010.3.
4,、王映民,，孫韶輝,，TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計，北京,，人民郵電出版,，2010.6
5、3GPP TR 25.367, “Mobility procedures for Home Node B”, July 2010.
作者簡介：
朱向前,，碩士,，大唐移動通信設備有限公司信號處理研究部副經理，主要從事TD-SCDMA系統(tǒng)方案研究和算法設計工作,。
吳央,，碩士，主要研究方向TD-SCDMA組網研究,。
羅斐瓊,，碩士，主要研究方向為TD-SCDMA家庭基站組網和應用,。
康紹莉,，博士，大唐移動通信設備有限公司TD-SCDMA產品線副總工,，主要從事TD-SCDMA系統(tǒng)研究和解決方案設計工作,。
高速移動場景已經成為3G移動通信重要的組網場景,，F(xiàn)emtoCell由于其靈活的組網方式,，已經在室內場景組網中得到了廣泛的應用。本文結合高速移動場景的特點,，提出了一種利用FemtoCell基站對高速鐵路車廂進行覆蓋的組網方式,，并給出實現(xiàn)的網絡架構，及干擾,、移動性管理,、同步、QoS保證等關鍵技術問題分析,。根據(jù)初步的研究分析,，該方案結合現(xiàn)有的高速移動場景覆蓋技術，可以解決高速移動場景下移動性管理,、網絡容量受限及車廂穿透損耗等問題,，可以明顯提升終端用戶的業(yè)務體驗。同時,，方案中還存在一些細節(jié)需要進一步研究和優(yōu)化,，需要后續(xù)關注。
參考文獻：
1,、3GPP TR 25.820, “3G Home Node B Study Item Technical Report”, Sep 2008.
2,、CCSA TC5-WG9-2009-553B, TD-SCDMA Home Node B研究報告v3.0.
3、3GPP TR 36.806, “Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced)”, 2010.3.
4,、王映民,，孫韶輝,，TD-LTE技術原理與系統(tǒng)設計，北京,，人民郵電出版,，2010.6
5、3GPP TR 25.367, “Mobility procedures for Home Node B”, July 2010.
作者簡介：
朱向前,，碩士,，大唐移動通信設備有限公司信號處理研究部副經理，主要從事TD-SCDMA系統(tǒng)方案研究和算法設計工作,。
吳央,，碩士，主要研究方向TD-SCDMA組網研究,。
羅斐瓊,，碩士，主要研究方向為TD-SCDMA家庭基站組網和應用,。
康紹莉,，博士，大唐移動通信設備有限公司TD-SCDMA產品線副總工,，主要從事TD-SCDMA系統(tǒng)研究和解決方案設計工作,。
本站內容除特別聲明的原創(chuàng)文章之外，轉載內容只為傳遞更多信息,，并不代表本網站贊同其觀點,。轉載的所有的文章、圖片,、音/視頻文件等資料的版權歸版權所有權人所有,。本站采用的非本站原創(chuàng)文章及圖片等內容無法一一聯(lián)系確認版權者。如涉及作品內容,、版權和其它問題,，請及時通過電子郵件或電話通知我們，以便迅速采取適當措施,，避免給雙方造成不必要的經濟損失,。聯(lián)系電話：010-82306118；郵箱：[email protected],。