DTM1614067100高速移动组网方案.docx

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DTM1614067100高速移动组网方案

高速移动组网方案

项目名称

规划技术研究

文档编号

DTM1.614.067

版本号

IUSV1.0.0

作者

郭冰，潘荣伟，陈敏敏，梁晋仲

版权所有

大唐移动通信设备有限公司

本资料及其包含的所有内容为大唐移动通信设备有限公司（大唐移动）所有,受中国法律及适用之国际公约中有关著作权法律的保护。

未经大唐移动书面授权，任何人不得以任何形式复制、传播、散布、改动或以其它方式使用本资料的部分或全部内容，违者将被依法追究责任。

文档更新记录

日期

更新人

版本

备注

2007-12-9

郭冰，潘荣伟，陈敏敏

V0.1.0

创建

2008-3-19

梁晋仲,郭冰

V0.1.1

增加高速移动对通信过程分析，完善组网解决方案和相关案例

2008-3-25

梁晋仲，郭冰

V1.0.0

补充高速场景下使用智能天线的劣势。

从站点合并、安装、节约BBU等方面进行了阐述；

4.1节补充高速公路的传播模型，补充测试过的车体损耗；

全文中TDB144A要换成更通用的说法，改为拉远型宏站，在举例中才使用TDB144A；

4.8.2.3小节，低速情况下，不能区分用户，专网只建设某个速度门限以上的线路，对于低于这一门限的线路，则采用大网覆盖。

对图进行相应的修改；

4.8.2.3小节中增加了“现有阶段磁悬浮解决方案（即没有HCS的策略）”的描述，和本小节中的有HCS的策略相对应。

4.8章中，为了明确公网和专网的特征，“专网”的概念全部改为“高速HCS”，“公网”名称不变，并补充两者的概念。

1引言

在3G网络建设中，高速移动场景的覆盖建设既是重点，也是难点。

本文描述高速移动组网解决方案，为该场景下的组网提供参考。

1.1编写目的

本文档为网络规划优化技术研究项目人员、网络工程设计人员开展相关研究开发和工程建设工作提供必要的指导和参考。

1.2预期读者和阅读建议

本文档适合网络规划优化与参数设置项目人员、网络技术研究人员和网络工程设计项目人员阅读。

1.3文档约定

a）正文中文字体用五号宋体，英文字体用“TimesNewRoman”字体。

b）首行缩进两字。

单倍行距。

间距段前/段后均为0行。

c）正文标题用小四宋体，英文用“Arial”字体，加粗，左对齐。

1.4参考资料

1.5缩写术语

略

2概述

随着国内高速公路、高速铁路的不断发展，高速移动场景已成为3G无线网络建设的重要组成部分，实现高速运动场景的良好覆盖是移动通信的重大挑战。

目前，全球运营的高速铁路包括德国的ICE、法国的TGV、西班牙的AVE和日本的新干线，最高运营时速约在200～350公里/小时之间。

而作为全球第一家也是唯一一家采用磁悬浮技术建造的商用高速列车，上海磁悬浮列车最高时速可达到430公里/小时。

TD-SCDMA是时分双工的系统，ITU和3GPP中对TDD的移动速度要求达到120km/h；高速铁路最高时速为200～350公里/小时，上海磁悬浮最高时速超过430公里/小时，均突破了业界公认的TD-SCDMA系统适用场景的最高速度。

在这种高速移动场景下，多普勒频移、小区选择与重选、切换等方面都有比较高的要求，实现高速移动场景的良好覆盖对TD-SCDMA具有重大挑战。

2.1高速移动场景

2.1.1高速移动场景

2.1.1.1高速公路场景

⏹传播模型与信道环境

高速公路的传播环境近似农村场景。

在北方，高速公路两旁的树木一般较少，路损较普通农村环境低5～10dB。

在南方，公路两边的植被一般很茂密，与农村环境没有大的区别。

需要考虑不同季节树木的影响。

高速公路一般视野比较开阔，周围建筑物较少。

终端和基站之间有较大的概率存在直射径；时延扩散相对较小（山区除外），多径数目较少；智能天线的赋形增益一般较高。

⏹车体穿透损耗

由于用户位于高速公路上的车内，必须要考虑车体穿透损耗。

一般来说车体的穿透损耗为5～8dB。

⏹终端移动速度

在高速公路上，终端移动速度一般在80km/h～120km/h的速度范围内。

⏹用户分布

高速公路的用户分布相对比较分散，用户密度较低，只是在高速公路的收费处等地相对比较集中。

2.1.1.2高速铁路场景

⏹传播模型与信道环境

高速铁路的传播环境和信道环境与高速公路类似，车外传播环境近似农村场景。

同样终端和基站之间有较大的概率存在直射径；时延扩散相对较小（山区除外），多径数目较少；智能天线的赋形增益一般较高。

高铁两边一般都有树木茂密，需要考虑不同季节树木的影响。

⏹车体穿透损耗

高速铁路的用户都位于高速列车内，在覆盖规划时需要考虑列车体的穿透损耗。

对于普通的列车，穿透损耗一般在10～15dB。

而对于高速列车，如高铁上运行的和谐号动车组，测试表明穿透损耗约15～20dB，需注意的是庞巴迪列车（如上海到北京的直达列车，还有拉萨到北京、上海、广州的列车）的穿透损耗很大，约为25dB。

另外，同一趟列车，在车体的不同位置，乘客数量和分布都会导致到终端信号的接收强度存在较大差异，需要考虑一定的穿透损耗余量。

穿透损耗与基站信号的入射角有很大关系，具体在4.6.1阐述。

⏹终端移动速度

在目前的高铁车内，终端移动速度一般在150km/h～200km/h范围内，个别路段达到250km。

在今后几年内，陆续会有不少路段的速度达到250km/h，甚至将来会有部分高铁的运行速度达到350km/h。

在此速度范围内，多普勒频移超过400Hz，基站和终端可以改进频移补偿技术来提高业务质量。

⏹用户分布

高速铁路的用户都分布在列车车厢内，随着列车运行全体同步运动。

用户的切换、小区重选等行为都相对来说比较集中，对无线资源的占用具有明显的突发性。

2.1.1.3磁悬浮场景

⏹传播模型与信道环境

上海磁悬浮的传播环境具有其独特性，其无线传播环境和高速铁路、高速公路存在不同，同时又与周边的郊区/农村有一定的差别，磁悬浮的轨道悬空架设，距离地面可达12～13米。

为保证运行安全和避免对环境的影响，磁悬浮轨道周围20-30米内无建筑物和树木，以灌木和草地为主，周边基本无超过三层的建筑物，周围的基站天线主要架设在铁塔上，铁塔的高度一般在40米左右，高度都远高于周边的树木和建筑物，因此终端和基站之间信号传播基本是直射径；多径数目很少。

磁悬浮场景下的空间传播路损小于高速公路和乡村环境。

⏹车体穿透损耗

由于用户都位于磁悬浮列车内，必须要考虑磁悬浮列车的车体穿透损耗。

列车车体为全封闭结构，车体穿透损耗很大，实际测试结果显示，对于TD频段，车体穿透损耗为30dB，要大于高速铁路和高速公路的车体穿透损耗，克服这么高的车体穿透损耗，对磁悬浮组网和优化也是重大挑战。

穿透损耗与基站信号的入射角有很大关系，具体在4.6.1阐述。

⏹终端移动速度

上海磁浮全程30公里、单程行驶约需8分钟，最高运行时速可达430公里，80％的路段速度超过200km/h（约为23km）；其中超过300km/h的高速路段为18.5km，约占线路全长的60％。

另外超高速路段长度为10km，时速超过400km，占1/3路段。

当速度达到430km/h，终端接收信号的最大频移约为800Hz；基站侧上行接收信号的频移最大可达1600Hz，频偏会导致基站接收到的信号的频率和发射信号的频率发生偏差，解调性能下降及通信质量恶化，对基站设备和终端对抗多普勒频移的能力有很高的要求。

⏹用户分布

与高速铁路类似，用户都分布在列车车厢内，随着列车运行全体同步运动。

用户的切换、小区重选等行为都非常集中，对无线资源的占用具有明显的突发性，目前上海磁悬浮线路相对于高速铁路和高速公路，总体运行长度较短。

2.2组网特点

总的来说，高速移动场景组网主要有如下特点：

⏹带状连续覆盖

⏹用户高速移动

⏹低话务量

⏹地形地貌多样化

⏹重点需要解决的是连续覆盖问题

3高速移动对TDD系统性能的影响

3.1高速场景下对TD系统物理层影响分析

无线移动通信中最显著的特点就是其信道的复杂性和时变性。

第三代移动通信系统采用幅度相位调制方式（QPSK/16QAM等），接收机采用相干接收方案，需要在接收端对信道进行估计和测量，然后利用得到的信道响应对信号进行相干检测。

由于信道响应是由发送设备、射频载波在无线信道的传播和接收设备的特性决定的，设备的频率偏差和漂移等特性、无线传播信道的变化、终端移动引起的多普勒频移和衰落变化等，都将带来信道响应的时间变化并最终影响系统的性能。

在高速移动情况下，信号的衰落速度、多普勒频偏等都随运动速度的增大而增加。

对于上海已经投入运行的磁悬浮列车，运行速度达到400km/h，对信号的解调形成很大的挑战。

3.1.1TD-SCDMA帧结构特点

TD-SCDMA系统的业务时隙的突发信号结构（详见图3.1）为例，突发信号中部的信道估计码（midamble码，中间码）是用来进行信道估计的，两边的数据块用来传送业务数据。

TD-SCDMA系统的参数为：

时隙长为

；符号（扩频增益为16）长为：

；码片长为：

。

每个时隙有两个数据块，每个数据块含有22个符号（扩频增益为16），中间码的共有144（128+16）个码片。

图3.1：

TD_SCDMA业务时隙突发结构

当前TD-SCDMA系统的时隙结构中，midamble部分用于信道估计，对多径信道的时延、功率、相位等进行估计，以进行联合检测和数据解调。

信道估计是针对时隙的中心部分。

在一般环境下，无线信道在一个时隙的持续时间内可以认为是稳定的，由midamble部分得到的信道估计可以用于整个burst的数据解调。

在高速移动环境中，由于信道的快速变化，数据部分特别是burst两端的数据符号，经历的实际信道与信道估计的偏差较大，偏差体现在幅度和相位两个方面。

幅度偏差对联合检测性能有影响，而相位偏差直接影响符号的相干解调。

3.1.2信号衰落的包络特性

高速移动的情况下，使无线传播信道的变化速度加快。

以midamble中心位置为参考，时隙两端数据符号的相对时延为半个时隙长度，即337.5us。

如果假设终端周围存在各方向均匀分布的散射体（不存在直射路径），那么时隙两端接收信号的幅度与时隙中心信号幅度的相关系数与车速的对应关系如图3.2所示。

可以看到，当车速为120km/h时，相关系数接近0.9，可以认为信道是非常稳定的。

而当运动速度为250km/h时，相关系数将为0.6。

现有TD-SCDMA系统中上下行都采用MMSE联合检测算法，信道估计的相位误差对联合检测性能没有影响，但幅度误差对干扰抑制效果有影响。

图3.2幅度相关系数与车速的关系

3.1.3多普勒频移引起的相位偏转

终端与基站之间的运动会产生多普勒频移，

，其中v为终端运动速度，C为无线电波传播速度，

为UE运动方向与直射方向之间的夹角，

为载波中心频率。

仍以时隙中心位置为参考，考察burst两端数据所经历实际信道的相位旋转，图3.3给出了不同运动速度情况下最大可能的相位旋转。

对于不同的调制方式，所能容忍的相位旋转不同。

QPSK最大可容忍

的相位差。

超出这个范围，误码就无法通过提高信噪比来有效降低，产生“errorfloor”。

图3.3运动速度对一个时隙内信道相位的影响

3.1.4频偏校正

在高速移动场景下，在移动终端的移动速度达到一定的程度时，必须要进行基站的频偏校正，否则会引起接收机性能的急剧恶化。

为了克服频率偏差的影响，下行终端侧可以根据测量的频率偏差进行载波频率调整，同时物理层还会对数据进行相位校准，提高高速移动下的解调性能。

在上行，由于多个用户共用一个频率源，载波频率无法根据每个用户单独调整，必须通过物理层对数据进行相位校准。

可以看到，频率补偿的关键问题是高速下的频偏测量。

主要有两种思路，一种根据数据部分来测量频偏，一种是根据midamble码来测量频偏，两种方法各有优点，适用于不同情况。

对于超过400km/h的高速移动环境，物理层算法采用两种思路的结合更为有效，即两次频偏校准。

图3.4有无频偏校正算法的Eb/No对比（仿真）

通过改进接收机算法，实现对信道变化的捕获和跟踪，在算法中予以补偿；250km时，不加相位补偿算法解调性能明显恶化；使用相位校准算法后，解调门限比120km恶化约2dB;对于400km的速度，没有相位补偿算法基本无法工作；使用相位补偿算法有明显增益。

上海悬浮测试结果表明：

使用频偏校正算法后，可以有效改善上行质量，使得终端发射功率不至于很快达到最大值。

在430km/h路段，必须启用频偏校正算法，TD系统才能正常工作；在200-300km/h路段，不开启频偏校正算法，TD系统也可以正常工作。

基于上述分析及测试结果验证，高速情况下建议如果超过300KM/H，必须采用能支持频偏校正算法的基站进行组网。

3.2高速场景下对TD系统通信过程影响分析

3.2.1同步

TD-SCDMA是同步通信系统，UE在进行随机接入、小区切换、失步后的再同步等情况下，都要完成相应同步过程。

下行方向同步码每5ms以恒定功率发送一次，UE通过匹配滤波后获得下行的同步，因此下行链路总是同步的。

与下行方向不同，上行一般所说的同步要求来自不同距离的不同用户终端的上行信号能同步到达基站。

在上行同步的建立过程中，UE在8个SYNC_UL码中随机地选择一个发送给基站，基站通过执行同步检测算法，来判断是否有UE有接入要求并选择是否对它们进行响应。

UE再根据基站的响应进行发射时间的调整。

根据3GPPTS25.224PhysicalLayerProcedures（TDD）协议的5.2章节的定义，上行最小调整时间精度为1/8个chip，对应时间为0.097us，步长为1/8个chip的整数倍，每次调整最大量为1个chip，调整最小周期为5ms，也就是TD-SCDMA系统支持上行同步速率是0.097us×3×108÷5ms=5820m/s，远远大于430km/h，因此，TD-SCDMA系统在高速移动状态下同步没有问题。

3.2.2小区选择与重选

终端开机后，会依次搜索DwPTS、识别扰码和基本midamble码、控制复帧同步，最后读取BCH广播信息，完成小区选择；终端在空闲状态下，发现一个更好的小区持续一段时间（Treselection）优于当前的驻留小区，会选择该小区作为要重新驻留的小区，在这个小区上登记注册后，完成小区重选。

在高速移动场景下，初始小区搜索过程中都会受多普勒频偏的影响，具体分析可参见高速场景下对TD系统物理层影响分析。

高速场景对UE读取系统消息的影响也比较大，在高速场景下，UE移动速度很快，在一个小区中的驻留时间很短，假设TD单小区在高速移动线路上的覆盖范围为1.5公里左右，120km/h情况下，UE在一个小区中最多驻留45秒；250km/h情况下，UE在一个小区中最多驻留21秒；430km/h情况下，UE在一个小区中最多驻留12～13秒。

一般来说，UE小区重选时间在500～2000ms之间，平均需要1000ms；假设小区重选的触发条件设置为：

目标小区比本小区高3dB，且持续1000ms；小区重选对相邻两个小区覆盖重叠区域的需要满足：

小区重选与交叠覆盖长度=2*（小区重选滞后时间+小区重选时间）*速度

各种场景下小区重选与交叠覆盖区分析见下表：

重选滞后时间（ms）

小区重选时间（ms）

120Km/h交叠覆盖范围（米）

250Km/h交叠覆盖范围（米）

430Km/h交叠覆盖范围（米）

1000

500～2000

100～200

208～417

358～717

规划组网建议如下：

⏹减少终端搜索时间

在高速场景下，容易出现脱网、小区选择失败等网络问题。

为避免UE由于驻留时间小于小区选择过程而造成在多个小区重复发生小区选择过程，小区选择过程应尽量在单个小区的驻留时间内完成，因此应减少小区选择过程时间。

在小区选择机制中，UE要从PCCPCH信道上读取系统信息，而系统信息的长度和重复周期是决定小区选择过程时间的一个重要因素。

在读取系统信息过程中，由于是在无线信道上读取数据，受到周围无线环境的干扰，在一个重复周期内很难准确地读全一个小区的系统信息，需要在多个重复周期内读取，读全系统信息后，UE才能继续进行小区驻留工作。

为了保证用户能够快速驻留在小区上，网络侧需要尽可能的缩短系统信息的重复周期。

系统消息重复周期分别为：

320ms、640ms、1280ms、2560ms。

最短配置为320ms，最长配置为2560ms。

在高速场景情况下，建议设置较小的重复周期，以缩短UE读取完整系统消息的时间。

为了保证系统信息能在一个重复周期内完成广播，需要对TD系统中的系统信息进行优化，以缩短系统消息长度。

可采取如下措施：

1）排除一些不需要的或重复的系统信息，如SIB2、4、6等，这样，在不影响性能的情况下可以减少系统信息的长度，缩短重复周期。

2）覆盖高速移动线路的无线网络可设计为相对简单的组网方式，减少邻区关系。

这样，可以大大减小SIB5和SIB11的长度，进一步减少系统信息的重复周期。

磁悬浮测试表明：

简化邻区关系后，读取广播消息的时延从1.453s缩短到0.988s。

3）通过以上手段，可将系统信息重复周期压缩到32个无线帧（320ms），大大降低读取系统信息的时间，缩短UE开机/小区选择/小区重选过程的时延。

⏹小区重选参数设置

对于TD系统，idle状态下测量周期最小为640ms，为了克服信道衰弱，需要设置Treselection（小区重选滞后时间）来避免乒乓重选，Treslection在高速场景下不建议设置太大；可设为0或1秒。

在Treslection设置为1秒的情况下，小区重选约需1.6秒。

⏹对站距的要求

由于小区重选需要1.5～3秒，高速移动场景下相邻小区覆盖重叠区域约为200～900米，单个小区的覆盖半径、相邻小区站间距都必须满足这个要求。

3.2.3切换

在切换过程中，UE负责上报测量报告，UTRAN对测量报告作出判决，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，影响切换时延的因素有以下这些：

切换测量时间，切换滞后时间，切换执行时间，切换相对门限。

图3.5切换示意图

⏹邻区测量时间（T1）：

终端每子帧测量一个小区；对所有待测邻区轮流测量。

测量调度周期邻区配置的数目相关。

同频测量周期为200ms，异频测量周期480ms。

物理层对该周期内的测量值进行平滑，定期上报到终端的RRC层；RRC层可以对测量结果进行进一步平滑，并根据测量结果和切换参数，出发1G事件上报。

这一段时间大约为500ms

⏹切换滞后时间（T2）：

切换滞后时间是为了避免乒乓切换而进行的保护，此参数设置太大，可能会由于切换不及时而导致用户掉话；如果设置太小，可能会导致频繁切换（乒乓切换），增加信令开销、同时也增加了切换掉话的概率。

在高速移动环境下，该参数可设置为0.5～1s。

⏹切换执行时间（T3）：

切换的执行包括UE和RNC之间信令的交互，RNC对切换请求的处理时间，目标小区信道的激活时间，UE在新小区的接入时间，RNC内部切换执行时间总体应该在0.5～1.5s，跨RNC切换执行时间约为1.5～4s。

当列车以速度v进行运动时，切换带HanfoffLen长度（即交叠覆盖区的长度AB）计算公式为：

各种场景下切换对相邻小区重叠覆盖区域的要求为：

RNC内部切换：

邻区测量时间T1（ms）

切换滞后时间T2（ms）

RNC内切换执行时间T3（ms）

120Km/h交叠覆盖范围（米）

250Km/h交叠覆盖范围（米）

430Km/h交叠覆盖范围（米）

500

500～1000

500～1500

100～199

206～414

354～712

跨RNC切换：

邻区测量时间T1（ms）

切换滞后时间T2（ms）

跨RNC切换执行时间T3（ms）

120Km/h交叠覆盖范围（米）

250Km/h交叠覆盖范围（米）

430Km/h交叠覆盖范围（米）

500

500～1000

1500～4000

167～367

247～764

597～1314

这就要求站相邻小区覆盖重叠区域必须满足以上要求，如果单个小区的覆盖范围较小，可采用小区合并来扩大覆盖范围来满足覆盖重叠区域要求。

规划建议如下：

⏹尽可能简化切换关系；

⏹如果为高速移动场景高速HCS网络，除列车停靠点以外其它高速HCS小区只建立内部独立和清晰的切换路径，外部小区不与高速HCS小区做切换关系；

⏹通过组网方案，例如单站址小区合并或多站址小区合并方式，尽量扩大单小区的覆盖范围，减少切换次数；

⏹提高切换速度，减小切换滞后时间，降低切换相对门限，

广深高速铁路和上海磁悬浮切换参数配置如下：

高速铁路场景（200km/h）下切换触发时延建议设置为640ms，切换门限为2dB；上海磁悬浮（430km/h）切换触发时延设置为320ms，切换门限设置为1dB；

⏹采用定向切换的算法：

即根据不同用户的移动方向，确定该用户今后所有可能的移动位置，据此来设置针对该用户特定的邻区关系，既简化了邻区关系，又可以避免了不必要的乒乓切换，防止切换掉话，提高了切换成功率，提高了用户的使用感受。

需要注意的是：

定向切换比较适合线状覆盖场景，因为系统根据终端的运动方向设置了单向切换，如下图所示；

图3.6定向切换对终端运动方向的要求

只有当覆盖范围内所有终端很规律的朝单一方向运动时，才能设置单向切换，否则会导致无法切换而掉话。

3.2.4寻呼

空闲模式下UE通常使用不连续接收（DRX）方式监听寻呼，以减小功率消耗。

当使用DRX时，系统将根据无线参数设置，将用户分成若干寻呼组。

每个寻呼组中的所有用户使用相同的寻呼指示（PI）。

在每个DRX周期内UE需要监控它所对应的寻呼指示（PI），DRX周期长度应为MAX（2k，PBP）帧，可通过参数调整来修改。

从寻呼重发机制来看，UTRAN寻呼最大重发次数和CN最大寻呼重发次数会大大增加寻呼信道资源的开销，但对于第一次寻呼响应率低的场景，可以提高寻呼成功率。

高速场景下，UE在当个小区内的驻留时间很短，位置更新过程中会因无法响应寻呼消息而造成寻呼失败，从而导致寻呼失败率比较高。

规划建议如下：

⏹高速场景组网中，应尽量将覆盖小区设置为同一个LA/RA，以尽可能避免高速移动过程中位置更新的发生。

LAC/RAC边界避免设置在高速移动线路上，防止容易出现大量用户同时发生位置更新过程，系统无线信道资源发生突然溢出。

⏹扩大单个小区的覆盖范围，尽可能使寻呼过程在一个小区中完成。

⏹通过调整参数k，降低DRX周期，缩短寻呼周期时延，但这样也容易造成UE终端耗电上升，实际应用中应权衡使用；建议对于高速短途线路可采用降低DRX周期的优化手段。

⏹对于寻呼信道资源不紧张的高速场景，可通过提高UTRAN寻呼最大重发次数和CN最大寻呼重发次数来提高寻呼成功率，改善用户感受。

3.2.5呼叫建立

呼叫建立的主要过程如下

图3.7呼叫建立过程示意图

被叫流程与主叫流程相比，只是多了寻呼过程。

由于高速场景下UE移动速度较大，在单个小区内的驻留时间很短，多则几十秒，少则十几秒，考虑到