1、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。
2、高速移動場景介紹
2.1 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。
2.2 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。
1)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。
2)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：
表1 業務需求統計
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。
2.3 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。
3、高速移動場景現有覆蓋解決方案
3.1 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。
3.1 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。
普通小區結構如圖1所示。
圖1 普通小區結構示意圖（單站址單扇區）
普通小區結構即單扇區覆蓋一個小區，單個小區覆蓋范圍有限。其中BBU為基站基帶單元，RRU為基站射頻單元。
經過多小區合并，小區結構示意圖如圖2 所示。
圖2 多站址多扇區合并示意圖
采用多小區合并之后，原來多個小區之間的切換區域變成了同一個小區內的接力點，減少了切換，無需再預留信號重疊區域，從而擴大了單站覆蓋距離。成倍降低終端用戶在高速環境下的切換、重選次數，提升用戶感知。
可以看出，多小區合并組網方案，主要解決了移動性管理的問題。
3.2 高速無線直放站方案
在多小區合并組網方案基礎上，引入高速無線直放站，通過安裝在車廂外部的施主天線接收軌道沿線的TD-SCDMA宏蜂窩小區信號，并將放大后的信號通過泄漏電纜傳遞到乘客車廂，覆蓋車廂內用戶。系統結構如圖3所示：
圖3 高速無線直放站系統結構圖
高速無線直放站的引入，在一定程度上解決了穿透損耗的問題。
3.3 現有方案存在的問題
從上述現有方案描述和分析看，現有的高速移動場景覆蓋解決方案解決了移動性管理、穿透損耗、多普勒頻偏的部分問題，一定程度上保證了終端用戶基本業務（如語音、低速數據）的需求，但仍然存在一些明顯的問題，見下表：
表2 現有解決方案的問題
基于上述分析，目前的方案不能解決高速場景下網絡容量受限的問題。為了更好地解決這一問題，本文將在下面章節中介紹一種基于FemtoCell的高速場景下覆蓋解決方案。
4、FemtoCell覆蓋解決方案
FemtoCell（家庭基站小區）技術是目前眾多通信設備商和主流運營商關注的重點。它的應用場景主要定位為家庭或者中小企業，一個FemtoCell單元類似于一個WLAN的無線接入點，通過普通的以太網口或其他有線連接接入到移動運營商的核心網絡，以實現電信級運營和網絡覆蓋[1]。
本文將FemtoCell技術應用到高速移動場景，該方案采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡（稱為Backhaul），在每個列車上部署FemtoCell(標準研究中通常稱為HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（標準研究中通常稱為HNB GW，HNB GateWay家庭基站網關），通過LTE回傳網絡將這些FemtoCell接入到核心網絡。LTE回傳設備在宏蜂窩網絡中相當于一個高速移動的終端。
4.1 網絡架構介紹
在介紹高速場景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統架構做簡要介紹[2]，其網絡架構如下圖所示：
4、FemtoCell覆蓋解決方案
FemtoCell（家庭基站小區）技術是目前眾多通信設備商和主流運營商關注的重點。它的應用場景主要定位為家庭或者中小企業，一個FemtoCell單元類似于一個WLAN的無線接入點，通過普通的以太網口或其他有線連接接入到移動運營商的核心網絡，以實現電信級運營和網絡覆蓋[1]。
本文將FemtoCell技術應用到高速移動場景，該方案采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡（稱為Backhaul），在每個列車上部署FemtoCell(標準研究中通常稱為HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（標準研究中通常稱為HNB GW，HNB GateWay家庭基站網關），通過LTE回傳網絡將這些FemtoCell接入到核心網絡。LTE回傳設備在宏蜂窩網絡中相當于一個高速移動的終端。
4.1 網絡架構介紹
在介紹高速場景下FemtoCell覆蓋解決方案之前，先對標準中的FemtoCell系統架構做簡要介紹[2]，其網絡架構如下圖所示：
圖4 Home Node B網絡架構圖
可以看出，在FemtoCell系統中引入的網元有HNB、HNB GW、SeGW（Security GateWay）、HMS（HNB Management System）。其中，HNB集成了Node B和RNC的主要功能。HNB GW主要是為HNB和CN之間的連接提供匯聚/分發功能以及負責對HNB的注冊管理等。SeGW安全網關提供HNB到HMS和HNB GW的安全接入、HNB鑒權等功能。HMS主要功能是為HNB提供管理和參數配置。
本文將要介紹的車載FemtoCell系統網絡架構如圖5 和圖6 所示：
圖5 車載FemtoCell系統網絡架構
圖6 車載FemtoCell系統網絡架構
圖6所示的FemtoCell系統網絡架構在參考LTE-Advanced Relay的網絡架構[3]設計的基礎上，針對高速移動場景覆蓋特點，進行針對性調整和擴展，具體見下面網元介紹。
需要特別說明的是：這里的TrainGW安裝于車廂上，完成HNB數據的匯聚/分發、HNB注冊管理等功能。部署在車廂上的主要原因有：
1）考慮到單個HNB覆蓋范圍有限、業務容量有限，一般列車都會放置多個HNB。若將HNB GW作為地面固定設備部署，車廂上同樣需要一個替代設備對HNB數據進行匯聚/分發，邏輯功能重復。
2） 車內HNB隨著列車運動而位置不斷變化，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動信息，不僅實現復雜，還會增加業務時延等。
因此將HNB GW部署于車內較為合適。
需要特別說明的是：這里的TrainGW安裝于車廂上，完成HNB數據的匯聚/分發、HNB注冊管理等功能。部署在車廂上的主要原因有：
1）考慮到單個HNB覆蓋范圍有限、業務容量有限，一般列車都會放置多個HNB。若將HNB GW作為地面固定設備部署，車廂上同樣需要一個替代設備對HNB數據進行匯聚/分發，邏輯功能重復。
2） 車內HNB隨著列車運動而位置不斷變化，如果HNB GW在地面固定部署，則HNB GW需要跟蹤HNB的移動信息，不僅實現復雜，還會增加業務時延等。
因此將HNB GW部署于車內較為合適。
網元介紹
TrainGW
TrainGW相當于LTE-Advanced Relay架構中的Relay節點，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又稱為TrainGW eUE），HNB/HeNB GW功能為車內各個HNB（或HeNB）提供服務，負責對HNB（或HeNB）與CN之間的信令和數據進行匯聚和轉發，eUE功能用于在回傳鏈路上收發數據，eUE上的用戶平面數據即為HNB與CN之間交互的信令和數據。
該網元通過Iuh接口與車廂內部署的HNB連接，為車廂內的終端用戶提供接入。
Macro-eNB
Macro-eNB為LTE網絡中的宏小區，實現與TrainGW eUE的空口連接，完成TrainGW eUE與LTE核心網之間的數據轉發。
TrainGW eUE的MME
為了使TrainGW的eUE功能可以正常工作，這里引入了TrainGW eUE的MME和TrainGW eUE的SGW/PGW兩個功能實體。TrainGW eUE的MME負責為TrainGW eUE建立S1接口和信令連接，與LTE網絡中的MME功能一致。
Macro eNB需要與TrainGW的MME建立一個S1接口，并為其下轄的每個TrainGW維護一條S1連接。
TrainGW eUE的SGW/PGW
TrainGW eUE的SGW/PGW負責對HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數據進行匯聚和轉發，與LTE網絡中的SGW/PGW功能一致。
與LTE-Advanced Relay架構的區別是，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通過核心網間接口直接與3G
CN核心網互聯，支持3G HNB、3G用戶終端設備對3G CN的訪問。
HMS
相對于LTE-Advanced
Relay網絡架構，這里引入HNB系統中的HMS，HMS為網絡管理設備，基于TR-069網絡管理協議實現，負責為NNB提供配置參數，實現HNB的位置認證功能，并且為HNB分配合適的服務HNB
GW，為HNB提供性能管理，告警管理。
SeGW
相對于LTE-Advanced Relay網絡架構，這里引入HNB系統中的SeGW，主要為HNB與HMS之間的連接安全性提供保證，在地面固定部署。
車載系統HNB通過光纖或電纜連接HNB GW，一般為運營商或鐵路部門專用網絡部署，因此HNB到HNB GW之間可以保證安全接入。
可以看出，TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成了HNB 與3G
核心網CN間的Iu接口數據傳輸通道。
數據流向
User UE的控制平面和用戶平面數據被映射到TrainGW-eUE的用戶平面承載，經由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW，透傳給3G核心網CN。
對關鍵接口的影響
Iuh接口
Iuh接口傳輸承載由運營商或鐵路部門部署的光纖或電纜傳輸，對接口協議沒有影響。
Iu接口
Iu接口數據傳輸通道由TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成，對接口協議沒有影響。
HMS和HNB之間接口
FemtoCell固定網絡中通過HNBIP網絡SeGWHMS，實現HMS與HNB之間的數據傳輸，接口協議采用TR-069。高速鐵路覆蓋中，HMS與HNB之間的數據傳輸通過NBTrainGWLTEMacro-eNBLTE核心網IP網絡SeGWHMS實現，對接口協議沒有影響。
4.2 業務需求可行性分析
本節將根據高速鐵路業務需求和TDD LTE回傳網絡所能提供的系統容量，進行本方案支持用戶業務需求的可行性分析。
根據2.2節統計結果，折算到Iu口容量，見下表：
TrainGW
TrainGW相當于LTE-Advanced Relay架構中的Relay節點，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又稱為TrainGW eUE），HNB/HeNB GW功能為車內各個HNB（或HeNB）提供服務，負責對HNB（或HeNB）與CN之間的信令和數據進行匯聚和轉發，eUE功能用于在回傳鏈路上收發數據，eUE上的用戶平面數據即為HNB與CN之間交互的信令和數據。
該網元通過Iuh接口與車廂內部署的HNB連接，為車廂內的終端用戶提供接入。
Macro-eNB
Macro-eNB為LTE網絡中的宏小區，實現與TrainGW eUE的空口連接，完成TrainGW eUE與LTE核心網之間的數據轉發。
TrainGW eUE的MME
為了使TrainGW的eUE功能可以正常工作，這里引入了TrainGW eUE的MME和TrainGW eUE的SGW/PGW兩個功能實體。TrainGW eUE的MME負責為TrainGW eUE建立S1接口和信令連接，與LTE網絡中的MME功能一致。
Macro eNB需要與TrainGW的MME建立一個S1接口，并為其下轄的每個TrainGW維護一條S1連接。
TrainGW eUE的SGW/PGW
TrainGW eUE的SGW/PGW負責對HNB與CN之間以及HNB與HMS之間交互的信令和數據進行匯聚和轉發，與LTE網絡中的SGW/PGW功能一致。
與LTE-Advanced Relay架構的區別是，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通過核心網間接口直接與3G
CN核心網互聯，支持3G HNB、3G用戶終端設備對3G CN的訪問。
HMS
相對于LTE-Advanced
Relay網絡架構，這里引入HNB系統中的HMS，HMS為網絡管理設備，基于TR-069網絡管理協議實現，負責為NNB提供配置參數，實現HNB的位置認證功能，并且為HNB分配合適的服務HNB
GW，為HNB提供性能管理，告警管理。
SeGW
相對于LTE-Advanced Relay網絡架構，這里引入HNB系統中的SeGW，主要為HNB與HMS之間的連接安全性提供保證，在地面固定部署。
車載系統HNB通過光纖或電纜連接HNB GW，一般為運營商或鐵路部門專用網絡部署，因此HNB到HNB GW之間可以保證安全接入。
可以看出，TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成了HNB 與3G
核心網CN間的Iu接口數據傳輸通道。
數據流向
User UE的控制平面和用戶平面數據被映射到TrainGW-eUE的用戶平面承載，經由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW，透傳給3G核心網CN。
對關鍵接口的影響
Iuh接口
Iuh接口傳輸承載由運營商或鐵路部門部署的光纖或電纜傳輸，對接口協議沒有影響。
Iu接口
Iu接口數據傳輸通道由TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同構成，對接口協議沒有影響。
HMS和HNB之間接口
FemtoCell固定網絡中通過HNBIP網絡SeGWHMS，實現HMS與HNB之間的數據傳輸，接口協議采用TR-069。高速鐵路覆蓋中，HMS與HNB之間的數據傳輸通過NBTrainGWLTEMacro-eNBLTE核心網IP網絡SeGWHMS實現，對接口協議沒有影響。
4.2 業務需求可行性分析
本節將根據高速鐵路業務需求和TDD LTE回傳網絡所能提供的系統容量，進行本方案支持用戶業務需求的可行性分析。
根據2.2節統計結果，折算到Iu口容量，見下表：
表3業務需求與LTE空口容量對比
其中，CS12.2k語音業務和數據業務轉換為Iu口數據格式，需要增加各種頭開銷，傳輸速率計算時分別對應一個速率倍增系數，即2.871和1.322。
根據上述對比，可以看到TDD LTE網絡20M帶寬、時隙配比為D:S:U=4:2:4的配置（4個下行時隙：2個特殊時隙：4個上行時隙）下，能夠滿足傳輸容量的要求，相對于采用傳統的車廂外TD-SCDMA宏小區覆蓋的方案具有明顯的優勢。
4.3 關鍵技術問題分析
4.3.1 干擾
高速FemtoCell組網方式，主要的干擾場景為：
根據上述對比，可以看到TDD LTE網絡20M帶寬、時隙配比為D:S:U=4:2:4的配置（4個下行時隙：2個特殊時隙：4個上行時隙）下，能夠滿足傳輸容量的要求，相對于采用傳統的車廂外TD-SCDMA宏小區覆蓋的方案具有明顯的優勢。
4.3 關鍵技術問題分析
4.3.1 干擾
高速FemtoCell組網方式，主要的干擾場景為：
圖7 干擾場景示意圖
車內相鄰FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（1）所示。
根據1.2節統計，列車每車廂業務量需求下行在1 Mbps左右，上行在0.04 M左右，因此每車廂部署1個單載波FemtoCell可以滿足容量需求，即可以采用每個FemtoCell小區單頻點覆蓋，車內干擾可以通過頻點規劃規避同頻干擾。在可用頻點個數允許的情況下，盡量增大FemtoCell頻點復用距離。比如，FemtoCell采用目前TD-SCDMA網絡常用的3個室內覆蓋頻點進行覆蓋，那么頻點復用距離為車廂長度的三倍。
另外，車廂之間有車門阻隔可以屏蔽一定的干擾。
列車FemtoCell與室外宏小區之間的干擾
干擾場景如圖7中（2）所示。
列車FemtoCell與室外宏小區之間的干擾可以通過異頻組網的方式進行規避。考慮到鐵路沿線通常不會有密集的居民和辦公建筑分布，列車內FemtoCell覆蓋可以復用家庭基站組網的頻率資源，比如規劃給室內覆蓋的頻率資源。
兩列車FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（3）所示。
高速場景下列車通常采用金屬車廂，兩輛列車之間的隔離度在25~30 dB以上，在很大程度上隔離了相互之間的干擾。尤其在列車行駛過程中，相向運動，兩輛列車并列時間<5 s(按照動車組行駛速度200 km/h，列車長度400 m計算)，列車之間FemoCell相互干擾影響較小。
4.3.2 移動性管理
小區切換/重選
本文提出的高速鐵路FemtoCell覆蓋解決方案中涉及兩種類型終端，一種是用戶終端，另一種是車載網關。車載網關同時作為車外宏小區的終端，隨著列車運動，需要進行小區駐留、接入、重選和切換等一系列過程，為了提高車載網關的移動性能，可以采用現有的多小區合并、優化切換重選參數、定向接入/切換等多種方案。因此本節將重點討論車內用戶的移動性問題。
車內用戶的移動又包括2種場景：用戶在列車上不同FemtoCell間移動的情況（如圖8中（1）所示）；車內用戶上下車的情況。其中，用戶在列車上不同FemtoCell間移動的情況，可以采用現有的FemtoCell間用戶移動處理方式[5]（TrainGW進行處理）。車內用戶上下車的移動性問題包括：車內用戶移動至車外（如圖8中（2）所示）和車外用戶移動至車內（如圖8中（3）所示）兩種情況，下面進行具體分析。
兩列車FemtoCell之間的干擾
干擾場景如圖7中（3）所示。
高速場景下列車通常采用金屬車廂，兩輛列車之間的隔離度在25~30 dB以上，在很大程度上隔離了相互之間的干擾。尤其在列車行駛過程中，相向運動，兩輛列車并列時間<5 s(按照動車組行駛速度200 km/h，列車長度400 m計算)，列車之間FemoCell相互干擾影響較小。
4.3.2 移動性管理
小區切換/重選
本文提出的高速鐵路FemtoCell覆蓋解決方案中涉及兩種類型終端，一種是用戶終端，另一種是車載網關。車載網關同時作為車外宏小區的終端，隨著列車運動，需要進行小區駐留、接入、重選和切換等一系列過程，為了提高車載網關的移動性能，可以采用現有的多小區合并、優化切換重選參數、定向接入/切換等多種方案。因此本節將重點討論車內用戶的移動性問題。
車內用戶的移動又包括2種場景：用戶在列車上不同FemtoCell間移動的情況（如圖8中（1）所示）；車內用戶上下車的情況。其中，用戶在列車上不同FemtoCell間移動的情況，可以采用現有的FemtoCell間用戶移動處理方式[5]（TrainGW進行處理）。車內用戶上下車的移動性問題包括：車內用戶移動至車外（如圖8中（2）所示）和車外用戶移動至車內（如圖8中（3）所示）兩種情況，下面進行具體分析。
圖8 切換/重選場景示意圖
車內用戶向車外小區切換/重選
需要將車外宏小區配置成車內FemtoCell小區的鄰區，可以利用HNB現有的自動監聽檢測功能進行鄰區檢測，選擇合適的車外宏小區作為鄰區。但是考慮到車體穿透損耗，車內HNB對鄰區的檢測可能不夠準確，這個是需要進一步研究的問題。
同時列車在運行過程中不可能有用戶上下車，此時希望車內終端用戶能夠一直駐留在車內FemtoCell小區內，此時鄰區列表中只需要配置車上相鄰的FemtoCell。因此車內FemtoCell小區的鄰區也可以靈活地進行配置。
車外用戶向車內小區切換/重選
由于經過一個站臺的車輛及停留時間都不固定，若將所有可能經過列車的所有FemtoCell小區都添加為鄰區，則一是可能會超出鄰區數限制，二是會增加終端的測量上報的負荷；若FemtoCell鄰區只是在列車進站時添加，出站時刪除，則會引起宏小區廣播頻繁更新，導致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問題同樣存在于室內FemtoCell組網場景，需要進一步的研究。
網絡尋呼
對TrainGW的尋呼
車外宏小區對TrainGW的尋呼應遵循車外宏小區對一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調整。并且TrainGW在工作過程中承載大量真實終端數據，一般不會處于空閑狀態，發起尋呼次數很少，因為尋呼導致的TrainGW與車外宏小區連接建立時延對FemtoCell內終端業務的影響可以忽略。
對用戶終端（User-UE）的尋呼
3G網絡對用戶終端的尋呼消息，作為用戶面數據，以IP包的形式傳輸給TrainGW eUE的SGW/PGW，此時TrainGW
eUE的SGW/PGW相當于一個數據路由器，在LTE回傳網絡中最終傳輸給TrainGW eUE，在TrainGW內部把這些IP包數據傳遞給HNB
GW，至此完成了尋呼數據在Iu口上的傳輸。
TrainGW可以通過現有尋呼方式對服務的用戶終端進行尋呼：當TrainGW收到CN 下發的尋呼消息時，根據尋呼消息中的UE 標識，通過查詢UE
Context，找到UE 所附著的FemtoCell 小區，并在該FemtoCell 范圍內實現精確尋呼。
4.3.3 同步
由于終端在列車內外的移動性的需要，要求車內FemtoCell之間，車內FemtoCell與車外宏小區之間保持同步。采用的方法可以有：空口同步、GPS同步。
空口同步：利用eUE得到的3G車外宏小區同步參考，進行同步調整。
優點：可以在任何存在3G網絡的地方獲取同步參考。
缺點：需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
GPS同步：利用車上安裝的GPS設備獲取同步參考信號。
優點：不需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
缺點：列車進站后，可能不能隨時接收GPS信號。
4.3.4 QoS保證
TrainGW作為一個大容量、高速移動的終端，匯集了來自大量用戶終端多種QoS等級的業務數據。LTE車外宏小區作為業務數據的中轉，需要分別保證不同業務的QoS要求。同時在不能為高速鐵路提供專網組網的情況下，需要保證車上用戶和車外直接接入車外宏小區的用戶能得到公平調度。
可以采取如下方案：
TrainGW
根據車內UE傳輸數據的QoS類型建立不同的優先級承載，來自同一TrainGW不同UE相同QoS類型的業務可以映射到同一條優先級承載上。車外宏小區根據業務優先級調度TrainGW
或車外宏小區其他終端。或者可以根據對車載業務保證的需求，調整車載業務優先級。
4.4 方案小結
根據上述分析，基于FemtoCell覆蓋高速移動場景的方案，相對于傳統覆蓋方案可以解決一些實際的問題：
1)HNB安裝在車廂內部，通過TrainGW與車廂外宏小區建立連接，解決了車廂穿透損耗對空口傳輸的影
2)采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡，解決了高速場景下用戶密集，3G網絡容量受限的問題。
3)移動性管理方面，本方案中車廂外LTE宏小區組網時仍然可以采用多小區合并組網技術，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區中停留過短的問題。并且TrainGW匯聚了大量用戶終端的數據，作為一個車外宏小區的終端在網絡中移動，車廂內FemtoCell之間的用戶切換可以直接經過TrainGW進行，切換和小區重選等移動性過程相當于在低速環境下進行。
同時，該方案在諸多細節上還需要進一步研究，如：
1)針對高速場景下用戶終端移動和傳播環境特點，HNB鄰區配置策略和方法需要進一步研究和優化。
2)為了方便運營商對用戶漫游計費的統計，針對HNB在隨著列車移動的特點，需要對HNB位置區/路由區的維護方案進一步研究。
3)采用LTE空口回傳技術，空口傳輸速率受信道條件，網絡負荷等因素的影響，會引入數據回傳的時延。因此需要對車載用戶終端的業務質量保證策略進一步研究和優化。
車內用戶向車外小區切換/重選
需要將車外宏小區配置成車內FemtoCell小區的鄰區，可以利用HNB現有的自動監聽檢測功能進行鄰區檢測，選擇合適的車外宏小區作為鄰區。但是考慮到車體穿透損耗，車內HNB對鄰區的檢測可能不夠準確，這個是需要進一步研究的問題。
同時列車在運行過程中不可能有用戶上下車，此時希望車內終端用戶能夠一直駐留在車內FemtoCell小區內，此時鄰區列表中只需要配置車上相鄰的FemtoCell。因此車內FemtoCell小區的鄰區也可以靈活地進行配置。
車外用戶向車內小區切換/重選
由于經過一個站臺的車輛及停留時間都不固定，若將所有可能經過列車的所有FemtoCell小區都添加為鄰區，則一是可能會超出鄰區數限制，二是會增加終端的測量上報的負荷；若FemtoCell鄰區只是在列車進站時添加，出站時刪除，則會引起宏小區廣播頻繁更新，導致眾多終端頻繁讀取廣播。上述問題同樣存在于室內FemtoCell組網場景，需要進一步的研究。
網絡尋呼
對TrainGW的尋呼
車外宏小區對TrainGW的尋呼應遵循車外宏小區對一般終端的尋呼方式和流程，不需要特殊調整。并且TrainGW在工作過程中承載大量真實終端數據，一般不會處于空閑狀態，發起尋呼次數很少，因為尋呼導致的TrainGW與車外宏小區連接建立時延對FemtoCell內終端業務的影響可以忽略。
對用戶終端（User-UE）的尋呼
3G網絡對用戶終端的尋呼消息，作為用戶面數據，以IP包的形式傳輸給TrainGW eUE的SGW/PGW，此時TrainGW
eUE的SGW/PGW相當于一個數據路由器，在LTE回傳網絡中最終傳輸給TrainGW eUE，在TrainGW內部把這些IP包數據傳遞給HNB
GW，至此完成了尋呼數據在Iu口上的傳輸。
TrainGW可以通過現有尋呼方式對服務的用戶終端進行尋呼：當TrainGW收到CN 下發的尋呼消息時，根據尋呼消息中的UE 標識，通過查詢UE
Context，找到UE 所附著的FemtoCell 小區，并在該FemtoCell 范圍內實現精確尋呼。
4.3.3 同步
由于終端在列車內外的移動性的需要，要求車內FemtoCell之間，車內FemtoCell與車外宏小區之間保持同步。采用的方法可以有：空口同步、GPS同步。
空口同步：利用eUE得到的3G車外宏小區同步參考，進行同步調整。
優點：可以在任何存在3G網絡的地方獲取同步參考。
缺點：需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
GPS同步：利用車上安裝的GPS設備獲取同步參考信號。
優點：不需要TrainGW eUE同時支持3G網絡同步信號的接收。
缺點：列車進站后，可能不能隨時接收GPS信號。
4.3.4 QoS保證
TrainGW作為一個大容量、高速移動的終端，匯集了來自大量用戶終端多種QoS等級的業務數據。LTE車外宏小區作為業務數據的中轉，需要分別保證不同業務的QoS要求。同時在不能為高速鐵路提供專網組網的情況下，需要保證車上用戶和車外直接接入車外宏小區的用戶能得到公平調度。
可以采取如下方案：
TrainGW
根據車內UE傳輸數據的QoS類型建立不同的優先級承載，來自同一TrainGW不同UE相同QoS類型的業務可以映射到同一條優先級承載上。車外宏小區根據業務優先級調度TrainGW
或車外宏小區其他終端。或者可以根據對車載業務保證的需求，調整車載業務優先級。
4.4 方案小結
根據上述分析，基于FemtoCell覆蓋高速移動場景的方案，相對于傳統覆蓋方案可以解決一些實際的問題：
1)HNB安裝在車廂內部，通過TrainGW與車廂外宏小區建立連接，解決了車廂穿透損耗對空口傳輸的影
2)采用LTE網絡作為無線寬帶回傳網絡，解決了高速場景下用戶密集，3G網絡容量受限的問題。
3)移動性管理方面，本方案中車廂外LTE宏小區組網時仍然可以采用多小區合并組網技術，可以解決TrainGW eUE終端在LTE宏小區中停留過短的問題。并且TrainGW匯聚了大量用戶終端的數據，作為一個車外宏小區的終端在網絡中移動，車廂內FemtoCell之間的用戶切換可以直接經過TrainGW進行，切換和小區重選等移動性過程相當于在低速環境下進行。
同時，該方案在諸多細節上還需要進一步研究，如：
1)針對高速場景下用戶終端移動和傳播環境特點，HNB鄰區配置策略和方法需要進一步研究和優化。
2)為了方便運營商對用戶漫游計費的統計，針對HNB在隨著列車移動的特點，需要對HNB位置區/路由區的維護方案進一步研究。
3)采用LTE空口回傳技術，空口傳輸速率受信道條件，網絡負荷等因素的影響，會引入數據回傳的時延。因此需要對車載用戶終端的業務質量保證策略進一步研究和優化。
5、總結
高速移動場景已經成為3G移動通信重要的組網場景，FemtoCell由于其靈活的組網方式，已經在室內場景組網中得到了廣泛的應用。本文結合高速移動場景的特點，提出了一種利用FemtoCell基站對高速鐵路車廂進行覆蓋的組網方式，并給出實現的網絡架構，及干擾、移動性管理、同步、QoS保證等關鍵技術問題分析。根據初步的研究分析，該方案結合現有的高速移動場景覆蓋技術，可以解決高速移動場景下移動性管理、網絡容量受限及車廂穿透損耗等問題，可以明顯提升終端用戶的業務體驗。同時，方案中還存在一些細節需要進一步研究和優化，需要后續關注。
參考文獻：
1、3GPP TR 25.820, “3G Home Node B Study Item Technical Report”, Sep 2008.
2、CCSA TC5-WG9-2009-553B, TD-SCDMA Home Node B研究報告v3.0.
3、3GPP TR 36.806, “Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced)”, 2010.3.
4、王映民，孫韶輝，TD-LTE技術原理與系統設計，北京，人民郵電出版，2010.6
5、3GPP TR 25.367, “Mobility procedures for Home Node B”, July 2010.
作者簡介：
朱向前，碩士，大唐移動通信設備有限公司信號處理研究部副經理，主要從事TD-SCDMA系統方案研究和算法設計工作。
吳央，碩士，主要研究方向TD-SCDMA組網研究。
羅斐瓊，碩士，主要研究方向為TD-SCDMA家庭基站組網和應用。
康紹莉，博士，大唐移動通信設備有限公司TD-SCDMA產品線副總工，主要從事TD-SCDMA系統研究和解決方案設計工作。
高速移動場景已經成為3G移動通信重要的組網場景，FemtoCell由于其靈活的組網方式，已經在室內場景組網中得到了廣泛的應用。本文結合高速移動場景的特點，提出了一種利用FemtoCell基站對高速鐵路車廂進行覆蓋的組網方式，并給出實現的網絡架構，及干擾、移動性管理、同步、QoS保證等關鍵技術問題分析。根據初步的研究分析，該方案結合現有的高速移動場景覆蓋技術，可以解決高速移動場景下移動性管理、網絡容量受限及車廂穿透損耗等問題，可以明顯提升終端用戶的業務體驗。同時，方案中還存在一些細節需要進一步研究和優化，需要后續關注。
參考文獻：
1、3GPP TR 25.820, “3G Home Node B Study Item Technical Report”, Sep 2008.
2、CCSA TC5-WG9-2009-553B, TD-SCDMA Home Node B研究報告v3.0.
3、3GPP TR 36.806, “Relay architectures for E-UTRA (LTE-Advanced)”, 2010.3.
4、王映民，孫韶輝，TD-LTE技術原理與系統設計，北京，人民郵電出版，2010.6
5、3GPP TR 25.367, “Mobility procedures for Home Node B”, July 2010.
作者簡介：
朱向前，碩士，大唐移動通信設備有限公司信號處理研究部副經理，主要從事TD-SCDMA系統方案研究和算法設計工作。
吳央，碩士，主要研究方向TD-SCDMA組網研究。
羅斐瓊，碩士，主要研究方向為TD-SCDMA家庭基站組網和應用。
康紹莉，博士，大唐移動通信設備有限公司TD-SCDMA產品線副總工，主要從事TD-SCDMA系統研究和解決方案設計工作。
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