基于TD-LTE的高速鐵路微基站關鍵技術研究

郭鳳然　　中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師楊思遠　　中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

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基于TD-LTE的高速鐵路微基站關鍵技術研究

郭鳳然中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師
楊思遠中國信息通信研究院技術與標準研究所助理工程師

摘要：研究TD-LTE在高速鐵路上的應用，設計TD-LTE微基站組網方案，實現LTE與Wi-Fi、2/3G等多種制式的聯合應用模型，研究微基站方案的關鍵技術，為TD-LTE在高鐵的應用提供一種可參考的方案。

關鍵詞：高鐵；TD-LTE；微基站

1　引言

伴隨著我國高速鐵路建設的不斷加快以及城際鐵路列車的不斷提速，高速列車已經成為越來越多人的出行選擇。與此同時，人們對高速列車中的移動覆蓋、通話質量、上網速率等提出了更高的要求。而進入TD-LTE系統的全面商用和大規模建設階段，如何使用TD-LTE技術提高高速列車中的通信問題，已成為行業內關注的焦點。

根據高鐵目前運營現狀和未來發展趨勢，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：多普勒頻偏、頻繁切換、車體穿透損耗大，以及公網和高鐵覆蓋專網相互影響的問題。其中，前兩個問題又尤為突出。

為了解決上述問題，筆者設計了一種室內外相互結合的方案，在高速列車體內使用各種制式的微基站分別提供Wi-Fi和2/3G信號，在車體外使用TD-LTE信號作為這些基站的回傳。另外，通過改進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，從而規避了上述高鐵中的問題。

2　微基站組網方案

微基站方案組網如圖1所示。微基站方案由兩個部分構成，分別為地面設備和車載系統設備。具體涉及的網元見表1。

表1列出了一套高鐵微基站方案所需要的全部網元及其功能。

在上述設備中，BBU和RRU共同組成了地面系統的TD-LTE基站，通過在基站改進算法來進行多普勒頻偏校正和補償。

3　關鍵技術

微基站的關鍵技術包括基站側和車載終端/CPE側的多普勒頻偏校正和補償技術、基站側和車載終端/ CPE側上行定時調整技術、高鐵場景隨機接入技術、高鐵場景切換技術、雙向會車場景擁塞控制技術等。每一項技術都是高速場景下不可或缺的關鍵技術。

下面主要介紹多普勒頻偏校正和補償技術，以及高鐵場景切換技術這兩方面。

3.1多普勒頻偏校正和補償技術

在高速覆蓋場景下，對LTE系統性能影響最大的是多普勒效應。眾所周知，由于信號源和接收機的相對運動，使得接收到的信號的波長產生變化，這種現象稱作多普勒效應。多普勒效應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。

對于終端接收機來說，估計和基站發射機之間的頻率誤差并完成頻率誤差校正是終端接收機必須完成的功能。圖2為終端頻偏示意圖。

圖1　車廂內使用微基站方案組網方案

表1　微基站組網方案涉及的網元

對于下行信號來說，當列車上的終端處于兩個小區邊緣時，后面的小區下行信號是負的多普勒頻偏f0-fd，前面的小區下行信號存在正的多普勒頻偏f0+fd，因此終端將面臨從負到正的頻偏跳變，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抗2fd的需求，對基站設備和終端對抗多普勒頻移的能力提出了很高的要求。如何正確估計和補償多普勒頻偏成為解決高速移動環境下的通信的主要內容之一。

本文首先研究了由于多普勒頻偏的存在，不僅會造成信號幅度的衰減，還會使相位旋轉，破壞子載波之間的正交性，產生載波間干擾，尤其是在大頻偏的情況，會帶來非常嚴重的地板效應（ErrorFloor），使得子載波之間產生嚴重的子載波間干擾（Inter-Carrier Interference，ICI）。進一步研究發現，相位的翻轉與頻率偏移成正相關，通過比較接收端與發送端的相位翻轉可計算出頻偏的大小，進行頻偏校正。這是基站側終端側進行頻偏校正的基本原理。

圖2　終端頻偏示意圖

在此基礎上提出了一種針對快速移動的特點設計的基站頻率校正算法。該算法采用先進的自動頻率校正技術，根據高速移動的特點，通過快速測算基站與終端無線鏈路的比特流，自動校正兩者之間的頻率偏差，從而高效地補償高速移動下產生的多譜勒效應。具體為對于下行信號來說，基站和終端側同時具備頻偏校正功能，對上行信號來說，終端和基站同時具備上行定時調整功能。

3.2高鐵場景切換技術

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

為了解決頻繁切換問題，在基站改進算法，設計了多個RRU共PCI的方案。這樣在高速移動中，隨著終端的移動，終端所在小區的PCI并沒有變化。相比于傳統的兩基站間距離為3km來說，若使用2小區共PCI，則切換點之間距離由原來的3km增至6km。以此類推，若采用4小區共PCI，則切換點之間距離可增至9km。這樣大大降低了切換次數。

在具體設計和測試驗證中，綜合考慮兩種策略，設計了兩種切換場景，即發生切換的兩個小區同抱桿和不同抱桿兩種情況。

（1）切換小區不同抱桿

發生切換的兩小區不同抱桿，即同一抱桿中的各小區共同擁有相同的PCI。

（2）切換小區同抱桿

發生切換的兩小區同抱桿，即同一抱桿中的各小區PCI不同，且發生切換。

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個步驟，分別為UE負責上報測量、eNB對測量上報做出判斷、發送切換命令進行切換。在高速移動狀態，要求切換必須及時，從而保證在當前小區信號還沒有惡化前，完成切換。在切換過程中，優化思路為基站可適當減小周期上報的參數TimetoTrigger、增強基站處理能力、減小處理時延等，同時在保證切換成功率的前提下，盡可能縮短小區選擇、重選和駐留的時間。

下面介紹微基站組網的測試技術和方法。

4　測試技術

4.1測試方案

微基站在室外驗證時的方案與第2章中圖1的組網圖基本相同。需要特別說明的是，當室外驗證的環境不充分時，可以采用圖3的室內測試方案，此方案基本涵蓋了組網圖1涉及的全部網元，唯一不同的是增加了信道仿真器，用它來做室內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設備共同支持，其中基站側要實現上行多普勒頻偏糾正，車載系統設備需要具備下行頻率修正功能。

對于下行多普勒頻移的校正，在高速場景下采用自動頻率控制來降低多普勒頻移，通過配置上行有用信號及PUCCH和PUSCH相關參數類控制頻偏計算。同理，對于車載設備CPE或者終端側的下行頻率修正功能類似。

對于上行來說，當高速移動的終端接受f_d的頻偏時，根據?f計算出上行發送的提前量Timing Advance，將上行信號按照TA指定位置和指定時間發送，從而使上行信號到達基站可以正常接收和解調。

4.3切換測試

切換測試包括室內和室外兩種場景。室外場景為真實的高鐵運行路線中實地測試。考慮到室外高鐵驗證環境復雜，也可考慮在室內驗證時使用信道仿真器模擬高速運行環境部署測試方案。對室內來說，信道仿真器包含兩個不可缺少的模型，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有4個：切換成功率、終端接入成功率、接入時延、上下行吞吐量等指標。

4.4業務承載測試

由于此系統包含了TD-LTE、2G、3G和Wi-Fi信號，針對不同模式的業務處理，方案設計了不同業務的優先級。對于優先級的處理主要有3種場景，一是下行業務的QoS優先級，二是回傳鏈路QoS控制，以及雙向會車場景的擁塞控制。

在測試中，是由在網關設備上實現上述優先級處理的，具體為設計基于端口的QoS優先級。對于承載的Iub、Abis接口數據、視頻監控數據、Wi-Fi接入，網關提供優先級設置和QoS質量保證。優先傳送Iub和Abis數據，其次視頻，再次Wi-Fi。

此外，回傳鏈路QoS控制以及雙向會車場景時擁塞控制，主要在接入網關上實現，包括基于VLAN等技術實現流分類、帶寬控制、擁塞控制等能力。

檢查指標為：高優先級QoS業務能得到優先保證、Wi-Fi視頻清晰、2/3G話音質量有保證。

5　結束語

本文定義了一種基于TD-LTE的高速鐵路寬帶組網方案，在地面系統使用TD-LTE信號，車廂內TD-LTE微基站和Wi-Fi、3G、2G聯合組網，并使用TD-LTE作為回傳技術。通過改進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在高速鐵路中的應用提供了一種方案。

參考文獻

［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］.電信工程技術與標準化，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