家庭基站(FemtoCell)技術具有組網高效靈活、成本低廉等特點，可以用于快速擴展網絡覆蓋，提升網絡容量，為用戶提供更好的業務體驗，具有廣泛的應用前景。高速移動場景下的網絡覆蓋，如高速鐵路，已成為3G無線網絡建設的重要組成部分。本文在對高速移動場景下的網絡覆蓋問題進行研究和分析的基礎上，提出了一種采用家庭基站技術進行高速移動場景覆蓋的解決方案。該方案可以改善或解決高速鐵路場景下移動覆蓋中移動性管理、網絡容量受限及車廂穿透損耗等問題，有效提升高速移動場景下終端用戶的業務體驗。

　　引言

　　TD-SCDMA作為我國自主研發的3G移動通信系統，經過多年的大規模網絡建設，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、更高的系統容量和數據速率，已經成為移動通信領域的重大挑戰之一。

　　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。本文包括以下章節內容：第二節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;第三節總結了現有的高速移動場景覆蓋方案;第四節提出了基于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給出了說明;第五節總結全文。

　　高速移動場景介紹

　　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、低碳環保的運輸方式，已經成為世界鐵路發展的重要趨勢。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、小區重選等行為都非常集中，無線網絡資源的使用呈突發性;短時間內頻繁的小區間切換、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的時間往往很短，信令、業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務質量影響較大。

　　f) 高速移動場景下，終端用戶數據業務的潛在需求較大。

　　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劃和設計，最大程度上保證終端用戶的業務需求，提升用戶體驗。

　　高速移動通信場景業務需求

　　隨著國內TD-SCDMA網絡規模和用戶規模的擴大，TD-SCDMA終端用戶對數據業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境下都能得到較好的業務體驗。

　　對于高速移動場景，這里基于一系列假設給出終端用戶業務需求分析：

　　假設條件： 高速列車每列16節車廂，每節車廂乘客50人。

　　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。

　　乘客數據通信需求：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0.25)，數據通信使用率為25%，移動用戶滲透率80%。

　　考慮到雙向開行，以每小區覆蓋最多2輛車計算，每小區通信量需求如下表所示：

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　　上述參數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。

　　根據上述業務需求分析看，高速場景下對數據業務的需求非常大。以目前商用的TD-SCDMA系統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據速率非常低。

　　因此，在現有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務需求。

　　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TD-SCDMA宏蜂窩小區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發送信號之間存在一個頻率偏差，頻率偏差會導致UE接收數據符號出現相位旋轉，進而影響到數據解調的準確性。經過計算在TD-SCDMA系統中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，在沿途每個小區覆蓋范圍內停留的時間都非常短。而高速移動環境下，由于鏈路質量的惡化，終端用戶的小區駐留、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，而采用常規的宏蜂窩小區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節的分析，大量高速移動場景下的終端用戶業務容量需求較高，在現有TD-SCDMA可用的頻譜資源條件下，使用TD-SCDMA宏蜂窩小區覆蓋的方式，難以滿足高速移動場景下終端用戶的業務需求。

　　另外，當高速列車運行到小區或位置區邊緣時，會產生大量的切換或位置區更新信令，會導致短時間內系統負荷過載。

　　高速移動場景現有覆蓋解決方案

　　多小區合并組網方案

　　多小區合并的組網方式，通過擴大單小區覆蓋面積，增大重選/切換帶，解決高速環境下的連續性覆蓋問題，從而解決終端在高速移動環境中的駐留、接入、呼叫等問題，提升終端小區重選、小區切換成功率，降低終端掉話率。