高速移动场景下FemtoCell覆盖解决方案

动场景覆盖难点

在终端高速移动的场景下，直接使用常规TD-SCDMA宏蜂窝小区进行覆盖存在一系列问题，其中主要包括：

多普勒频移

多普勒频移是由于终端和基站之间相对运动造成，高速场景下这种效应尤其明显。多普勒频移导致UE接收信号和Node B发送信号之间存在一个频率偏差，频率偏差会导致UE接收数据符号出现相位旋转，进而影响到数据解调的准确性。经过计算在TD-SCDMA系统中QPSK解调支持的速度极限为200 km/h。对于更高速度的移动场景，则必须改进相位校准算法才能保证传输性能。实际上，由于相位校准算法的相位补偿能力有限，无法从根本上解决多普勒频偏的影响，必然对通信链路质量造成负面影响。

车厢穿透损耗

高速场景下列车车厢的穿透损耗较大。经过测量，高速列车车厢穿透损耗通常在15~20dB左右，上海磁悬浮高速列车车厢穿透损耗在30~35dB左右。因此，如果在车厢外对车厢内的用户进行覆盖，车厢的穿透损耗也是一个不容忽视的问题，会直接影响通信链路质量。

移动性管理

高速铁路等高速移动场景与普通场景相比，由于移动速度非常高，在沿途每个小区覆盖范围内停留的时间都非常短。而高速移动环境下，由于链路质量的恶化，终端用户的小区驻留、接入、重选和切换等通信过程需要测量和信令交互的时间会更长，而采用常规的宏蜂窝小区覆盖主要考虑的是中低速场景，时延较大的重选、切换和接入等流程很可能无法在单个基站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。

网络容量受限

参考2.2节的分析，大量高速移动场景下的终端用户业务容量需求较高，在现有TD-SCDMA可用的频谱资源条件下，使用TD-SCDMA宏蜂窝小区覆盖的方式，难以满足高速移动场景下终端用户的业务需求。

另外，当高速列车运行到小区或位置区边缘时，会产生大量的切换或位置区更新信令，会导致短时间内系统负荷过载。

高速移动场景现有覆盖解决方案

多小区合并组网方案

多小区合并的组网方式，通过扩大单小区覆盖面积，增大重选/切换带，解决高速环境下的连续性覆盖问题，从而解决终端在高速移动环境中的驻留、接入、呼叫等问题，提升终端小区重选、小区切换成功率，降低终端掉话率。

普通小区结构如图1所示。

图1 普通小区结构示意图（单站址单扇区）

普通小区结构即单扇区覆盖一个小区，单个小区覆盖范围有限。其中BBU为基站基带单元，RRU为基站射频单元。

经过多小区合并，小区结构示意图如图2 所示。

图2 多站址多扇区合并示意图

采用多小区合并之后，原来多个小区之间的切换区域变成了同一个小区内的接力点，减少了切换，无需再预留信号重叠区域，从而扩大了单站覆盖距离。成倍降低终端用户在高速环境下的切换、重选次数，提升用户感知。
可以看出，多小区合并组网方案，主要解决了移动性管理的问题。

高速无线直放站方案

在多小区合并组网方案基础上，引入高速无线直放站，通过安装在车厢外部的施主天线接收轨道沿线的TD-SCDMA宏蜂窝小区信号，并将放大后的信号通过泄漏电缆传递到乘客车厢，覆盖车厢内用户。

高速无线直放站的引入，在一定程度上解决了穿透损耗的问题。

现有方案存在的问题

从上述现有方案描述和分析看，现有的高速移动场景覆盖解决方案解决了移动性管理、穿透损耗、多普勒频偏的部分问题，一定程度上保证了终端用户基本业务（如语音、低速数据）的需求，但仍然存在一些明显的问题，见下表：

基于上述分析，目前的方案不能解决高速场景下网络容量受限的问题。为了更好地解决这一问题，本文将在下面章节中介绍一种基于FemtoCell的高速场景下覆盖解决方案。

FemtoCell覆盖解决方案

FemtoCell（家庭基站小区）技术是目前众多通信设备商和主流运营商关注的重点。它的应用场景主要定位为家庭或者中小企业，一个FemtoCell单元类似于一个WLAN的无线接入点，通过普通的以太网口或其他有线连接接入到移动运营商的核心网络，以实现电信级运营和网络覆盖[1]。

本文将FemtoCell技术应用到高速移动场景，该方案采用LTE网络作为无线宽带回传网络（称为Backhaul），在每个列车上部署FemtoCell(标准研究中通常称为HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（标准研究中通常称为HNB GW，HNB GateWay家庭基站网关），通过LTE回传网络将这些FemtoCell接入到核心网络。LTE回传设备在宏蜂窝网络中相当于一个高速移动的终端。

网络架构介绍

在介绍高速场景下FemtoCell覆盖解决方案之前，先对标准中的FemtoCell系统架构做简要介绍[2]，其网络架构如下图所示：

图4 Home Node B网络架构图

可以看