基于TD-LTE的高速铁路微基站关键技术研究

郭凤然　　中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师杨思远　　中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师



基于TD-LTE的高速铁路微基站关键技术研究

郭凤然中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师
杨思远中国信息通信研究院技术与标准研究所助理工程师

摘要：研究TD-LTE在高速铁路上的应用，设计TD-LTE微基站组网方案，实现LTE与Wi-Fi、2/3G等多种制式的联合应用模型，研究微基站方案的关键技术，为TD-LTE在高铁的应用提供一种可参考的方案。

关键词：高铁；TD-LTE；微基站

1　引言

伴随着我国高速铁路建设的不断加快以及城际铁路列车的不断提速，高速列车已经成为越来越多人的出行选择。与此同时，人们对高速列车中的移动覆盖、通话质量、上网速率等提出了更高的要求。而进入TD-LTE系统的全面商用和大规模建设阶段，如何使用TD-LTE技术提高高速列车中的通信问题，已成为行业内关注的焦点。

根据高铁目前运营现状和未来发展趋势，高铁无线覆盖方案的速率必须满足300～350km/h，甚至大于350km/h，因此在通信中主要面临几大难点：多普勒频偏、频繁切换、车体穿透损耗大，以及公网和高铁覆盖专网相互影响的问题。其中，前两个问题又尤为突出。

为了解决上述问题，笔者设计了一种室内外相互结合的方案，在高速列车体内使用各种制式的微基站分别提供Wi-Fi和2/3G信号，在车体外使用TD-LTE信号作为这些基站的回传。另外，通过改进TD-LTE基站的算法来处理多普勒频偏，以及改变TD-LTE基站和天线分布来减少切换次数，从而规避了上述高铁中的问题。

2　微基站组网方案

微基站方案组网如图1所示。微基站方案由两个部分构成，分别为地面设备和车载系统设备。具体涉及的网元见表1。

表1列出了一套高铁微基站方案所需要的全部网元及其功能。

在上述设备中，BBU和RRU共同组成了地面系统的TD-LTE基站，通过在基站改进算法来进行多普勒频偏校正和补偿。

3　关键技术

微基站的关键技术包括基站侧和车载终端/CPE侧的多普勒频偏校正和补偿技术、基站侧和车载终端/ CPE侧上行定时调整技术、高铁场景随机接入技术、高铁场景切换技术、双向会车场景拥塞控制技术等。每一项技术都是高速场景下不可或缺的关键技术。

下面主要介绍多普勒频偏校正和补偿技术，以及高铁场景切换技术这两方面。

3.1多普勒频偏校正和补偿技术

在高速覆盖场景下，对LTE系统性能影响最大的是多普勒效应。众所周知，由于信号源和接收机的相对运动，使得接收到的信号的波长产生变化，这种现象称作多普勒效应。多普勒效应适用于所有的电磁波。特别是在高速场景下，这种频移尤其明显。

对于终端接收机来说，估计和基站发射机之间的频率误差并完成频率误差校正是终端接收机必须完成的功能。图2为终端频偏示意图。

图1　车厢内使用微基站方案组网方案

表1　微基站组网方案涉及的网元

对于下行信号来说，当列车上的终端处于两个小区边缘时，后面的小区下行信号是负的多普勒频偏f0-fd，前面的小区下行信号存在正的多普勒频偏f0+fd，因此终端将面临从负到正的频偏跳变，跳变的幅度也是2fd。具体到2.5GHz来说，为2fd=1620Hz。

如上所述，上下行都存在需要对抗2fd的需求，对基站设备和终端对抗多普勒频移的能力提出了很高的要求。如何正确估计和补偿多普勒频偏成为解决高速移动环境下的通信的主要内容之一。

本文首先研究了由于多普勒频偏的存在，不仅会造成信号幅度的衰减，还会使相位旋转，破坏子载波之间的正交性，产生载波间干扰，尤其是在大频偏的情况，会带来非常严重的地板效应（ErrorFloor），使得子载波之间产生严重的子载波间干扰（Inter-Carrier Interference，ICI）。进一步研究发现，相位的翻转与频率偏移成正相关，通过比较接收端与发送端的相位翻转可计算出频偏的大小，进行频偏校正。这是基站侧终端侧进行频偏校正的基本原理。

图2　终端频偏示意图

在此基础上提出了一种针对快速移动的特点设计的基站频率校正算法。该算法采用先进的自动频率校正技术，根据高速移动的特点，通过快速测算基站与终端无线链路的比特流，自动校正两者之间的频率偏差，从而高效地补偿高速移动下产生的多谱勒效应。具体为对于下行信号来说，基站和终端侧同时具备频偏校正功能，对上行信号来说，终端和基站同时具备上行定时调整功能。

3.2高铁场景切换技术

在UE（用户设备）高速场景下的切换问题主要有两个，一是频繁切换，二是切换成功率低，这两项都对切换的性能有较大的影响。首先，由于架设基站和天线时，小区之间的距离是固定的，相比低速移动的用户来说，高速移动的用户要移动同样的距离，所使用的时间必然大大缩短。这就造成了同样时间段内，高速移动切换次数的剧增。其次，切换次数的增加使得用户对于切换成功率更加敏感，为保证用户无缝移动性及QoS，最基本的要求就是用户通过切换区域的时间要大于切换的处理时间。在高速场景下，由于UE驻留时间小于小区选择过程，还容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。

为了解决频繁切换问题，在基站改进算法，设计了多个RRU共PCI的方案。这样在高速移动中，随着终端的移动，终端所在小区的PCI并没有变化。相比于传统的两基站间距离为3km来说，若使用2小区共PCI，则切换点之间距离由原来的3km增至6km。以此类推，若采用4小区共PCI，则切换点之间距离可增至9km。这样大大降低了切换次数。

在具体设计和测试验证中，综合考虑两种策略，设计了两种切换场景，即发生切换的两个小区同抱杆和不同抱杆两种情况。

（1）切换小区不同抱杆

发生切换的两小区不同抱杆，即同一抱杆中的各小区共同拥有相同的PCI。

（2）切换小区同抱杆

发生切换的两小区同抱杆，即同一抱杆中的各小区PCI不同，且发生切换。

提高切换成功率方面，分析切换过程中的全部信令，主要有3个步骤，分别为UE负责上报测量、eNB对测量上报做出判断、发送切换命令进行切换。在高速移动状态，要求切换必须及时，从而保证在当前小区信号还没有恶化前，完成切换。在切换过程中，优化思路为基站可适当减小周期上报的参数TimetoTrigger、增强基站处理能力、减小处理时延等，同时在保证切换成功率的前提下，尽可能缩短小区选择、重选和驻留的时间。

下面介绍微基站组网的测试技术和方法。

4　测试技术

4.1测试方案

微基站在室外验证时的方案与第2章中图1的组网图基本相同。需要特别说明的是，当室外验证的环境不充分时，可以采用图3的室内测试方案，此方案基本涵盖了组网图1涉及的全部网元，唯一不同的是增加了信道仿真器，用它来做室内模拟高速铁路场景的多普勒频移等场景，其中信道仿真器包含两个不可缺少的模型，一是高速（350km/h）模型，二是AWGN信道衰落模型。

图3　微基站测试连接示意图

4.2频偏测试

解决多普勒频偏校正需要基站和车载系统设备共同支持，其中基站侧要实现上行多普勒频偏纠正，车载系统设备需要具备下行频率修正功能。

对于下行多普勒频移的校正，在高速场景下采用自动频率控制来降低多普勒频移，通过配置上行有用信号及PUCCH和PUSCH相关参数类控制频偏计算。同理，对于车载设备CPE或者终端侧的下行频率修正功能类似。

对于上行来说，当高速移动的终端接受f_d的频偏时，根据∆f计算出上行发送的提前量Timing Advance，将上行信号按照TA指定位置和指定时间发送，从而使上行信号到达基站可以正常接收和解调。

4.3切换测试

切换测试包括室内和室外两种场景。室外场景为真实的高铁运行路线中实地测试。考虑到室外高铁验证环境复杂，也可考虑在室内验证时使用信道仿真器模拟高速运行环境部署测试方案。对室内来说，信道仿真器包含两个不可缺少的模型，一是高速多普勒频偏模型（300～350km/h），二是AWGN信道衰落模型。

切换测试中需要的检查点有4个：切换成功率、终端接入成功率、接入时延、上下行吞吐量等指标。

4.4业务承载测试

由于此系统包含了TD-LTE、2G、3G和Wi-Fi信号，针对不同模式的业务处理，方案设计了不同业务的优先级。对于优先级的处理主要有3种场景，一是下行业务的QoS优先级，二是回传链路QoS控制，以及双向会车场景的拥塞控制。

在测试中，是由在网关设备上实现上述优先级处理的，具体为设计基于端口的QoS优先级。对于承载的Iub、Abis接口数据、视频监控数据、Wi-Fi接入，网关提供优先级设置和QoS质量保证。优先传送Iub和Abis数据，其次视频，再次Wi-Fi。

此外，回传链路QoS控制以及双向会车场景时拥塞控制，主要在接入网关上实现，包括基于VLAN等技术实现流分类、带宽控制、拥塞控制等能力。

检查指标为：高优先级QoS业务能得到优先保证、Wi-Fi视频清晰、2/3G话音质量有保证。

5　结束语

本文定义了一种基于TD-LTE的高速铁路宽带组网方案，在地面系统使用TD-LTE信号，车厢内TD-LTE微基站和Wi-Fi、3G、2G联合组网，并使用TD-LTE作为回传技术。通过改进TD-LTE基站的算法来处理多普勒频偏，通过改变TD-LTE基站和天线分布来改善切换性能，为TD-LTE在高速铁路中的应用提供了一种方案。

参考文献

［1］刘方森，李寿鹏，李方村，等.TD-LTE高铁覆盖方案研究与测试［J］.电信工程技术与标准化，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