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华为破解高速移动环境下的WCDMA覆盖难题
2006年7月13日 14:14  来源:通信产业报
  在欧洲、日本等发达国家,高速铁路ICE、新干线的时速均在200-300公里/小时,上海磁悬浮列车时速更高达431公里/小时。如何在这种高速环境中提供良好的网络覆盖质量,是移动运营商和移动设备提供商共同面对的难题。

  影响高速移动通信的因素

  高速移动状态下的通信相比静止状态或低速状态下的通信面临更多的问题,多普勒效应和快速切换带来的影响是高速移动环境下不得不解决的两大难题,速度越高,影响越大,解决难度也越大,对技术的要求也越高。

  多普勒频移

  当终端在运动中通信,特别是高速移动的情况下,终端和基站都有直视信号,接收端的信号频率会发生变化,这种现象称为多普勒效应,由多普勒效应引起的频移称为多普勒频移。多普勒频移对基站和终端均产生影响,如果不采取措施,通信质量将严重恶化,甚至掉线。

  对基站的影响:WCDMA基站采用相干解调检测方式工作,接收端的本地解调载波必须与接收信号的载波同频同相,载波频率的抖动会对接收机的解调性能产生明显的影响。受多普勒效应影响,上行信号频移最大可达750Hz,严重影响上行接入、容量和覆盖等性能,这对基站解调性能来说,无疑是一个挑战。

  对终端的影响:为了对抗由多普勒效应而产生的频率抖动,用户终端通过自动频率补偿AFC(Automatic Frequency Correction)技术来自动锁定最佳服务小区的接收信号频率,并将锁定的频率作为参考基准发送上行信号。不难看出,AFC算法对于减小多普勒频移产生的影响,提高解调性能,起到至关重要的作用。

  快速切换的影响

  假设切换区大小不变,那么移动速度越高终端穿越切换区的时间越短。当终端移动速度足够快,以至于穿越切换区的时间小于系统处理软切换的最小时延,则软切换流程无法完成,导致掉话。

  一般情况下,软切换时延为200-600ms,假设终端的测量时间为200ms,则软切换最大时延为800ms。根据速度与距离的关系,很容易算出用户终端运动速度与所需最小切换区大小的对应关系。

  难题不难

  2006年1月,来自全球顶级移动运营商的专家们参加了上海磁悬浮列车WCDMA业务演示活动。列车穿越了0-431公里/小时的区域,路线涵盖到8个小区,在移动视频电话一直保持的情况下,承载在分组域的高速流媒体视频点播业务的图像流畅、色彩艳丽,平均下载速率保持在350kbps以上,网页浏览业务同样非常流畅。在每一个车厢,网络的覆盖性能都很正常,呼叫建立成功率达到100%,视频电话业务和流媒体业务的软切换成功率分别达到99%、100%。在场的专家们享受了一趟惬意的移动体验旅程。

  西班牙的Sevilla—Cordoba城际铁路相距150公里,华为在此段铁路建设了AVE(高速铁路)试验网络,整个网络括7个基站,覆盖两个城市大约50公里的区域。列车经过华为试验网络时,速度稳定在250公里/小时左右,2005年11月中旬开展的测试活动明,语音业务、VP业务、PS384K业务的呼叫建立成功率、切换成功率均达到99%以上,旅客感受不到列车内外通信品质的差别。

  破解之密

  为了解决高速覆盖问题,华为在提高基站接收机性能、提高切换成功率、改善覆盖效果等方面,提出了诸多行之有效的解决方案。

  改善基站接收机性能

  为了对抗多普勒效应,基站接收机必须采用AFC技术进行频率纠偏。AFC功能对系统性能影响极大:未采用AFC技术,600Hz频偏的性能损失达到4dB,750Hz频偏的性能损失超过20dB,更高的频偏将导致接入信号无法正确解调;采用AFC技术,1000Hz频偏损失仅0.2dB。

  华为基站采用专有的接入信道AFC和专用信道AFC算法,使接收机前导检测性能、消息解调性能和专用信道解调性能得到极大改善,接收机支持的最大频偏达到1800Hz,在基站信号传播方向与终端运动方向夹角为0或180度的情况下,可以支持488公里/小时的移动速度,完全满足现有高速铁路的覆盖需求。

  提供丰富的切换方案

  高速移动和多普勒效应均会对切换产生影响,华为针对不同类型的环境问题,分别提出了相应的解决方案。

  软切换方案:高速移动对软切换的影响主要表现在,它对切换区大小提出了要求,切换区过小就会导致软切换流程无法完成;多普勒效应对软切换的影响表现在,它会影响到终端的同频邻区测量性能,随着频偏的增加用户终端的测量性能也随之下降,当频偏超过某一门限后,软切换流程将无法触发。华为提出的解决措施包括:扩大软切换区,以满足最小软切换时延的要求;提高信号质量,减小频偏对终端测量性能的影响。

  小区分裂方案:对于同一NodeB的两个小区,天线位置比较靠近,甚至在同一个铁塔或抱杆上。当两个小区分别覆盖铁路上两个相反方向的时候,两个小区天线夹角近似180度,小区间的交迭区处于两个天线的后瓣或旁瓣。由于天线方向图的前后比较大,天线后瓣或旁瓣方向的信号衰减很快,导致这两个小区间的软切换区域非常小,在这种情况下,即使采用扩大软切换区的方法,效果也不一定理想。

  华为在实践中摸索出一套小区分裂方法,能够很好地解决这一问题。所谓小区分裂,就是为NodeB仅配置一个小区,通过功分器引入两幅天线,分别覆盖铁路两个相反的方向,将一个小区分裂为两个扇区。由于只有一个小区,因此基站天线下面不存在软切换,规避了软切换区过小的问题。这种小区分裂的方法非常适用于基站距离铁路近,两个扇区交迭区域小,且位于基站下方的场合。

  异频硬切换方案:在超高速移动的情况下,当多普勒效应引发的同频邻区相对频偏大于一定门限时,连接态下的用户终端测量不到同频邻区,无法触发软切换,导致软切换无用武之地。此时,采用异频硬切换方案来对抗多普勒频偏效应,比软切换方案更能保证连续覆盖。异频测量性能取决于终端的AFC算法、压缩模式配置等环节,实测结果显示,华为U626手机在两个异频邻区间相对频偏达到1700Hz时,仍可成功完成切换。

  随着社会经济的进一步发展和科技水平的不断提高,越来越多的高速交通工具开始渗透到人们的日常生活。相应地,人们在高速移动环境下使用通信工具的机会也越来越多,因此对高速环境下通信质量的要求也越来越高。华为提供的高速环境下的覆盖解决方案,完全可以满足这种日益增长的需求,为人们的旅行生活带来更舒适的通信体验。 
 
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