基于TD-LTE回传的多模Femto地铁覆盖解决方案探析

1、基于TD-LTE回传的多模Femto地铁覆盖解决方案探析1 地铁覆盖场景分析地下轨道交通设施一般由隧道、站台、站厅、换乘通道和出入站口五部分组成，根据各区域在空间上的分布特点，可以引申出以下五种覆盖场景：(1)地铁隧道地铁隧道是连接两个地铁站的一段封闭管道，由于空间受限及特殊的覆盖环境，通常以泄漏电缆进行有线覆盖。(2)站台和站厅站台和站厅位置相邻而设，两者通过观光梯、扶梯或楼梯进行相互连通。因此，站台和站厅通常划为一个小区进行覆盖，用户在它们之间移动不会发生小区重选或切换。(3)换乘通道换乘通道是供乘客换乘其他线路而设置的通道，其两端一般会由不同小区覆盖，因此用户在经过换乘通道时通常会发生小

2、区重选或切换。(4)地铁车厢传统的解决方法是通过宏蜂窝或拉远站对地铁车厢做穿透覆盖，需要同时解决高穿透损耗、多普勒频移和切换时延这三大问题。但如果能通过车载系统直接对车厢进行覆盖，那么上述问题将在相当程度上得到缓解。(5)出入站口出入站口是乘客出入地铁站的必经之路，通常地铁站会设有多个出入站口。它是地面覆盖系统与地下覆盖系统的临界点，用户在进出过程中会发生小区重选或切换。根据无线传播环境的不同，通常将覆盖场景分为隧道覆盖和站台覆盖两种类型。隧道通常采用泄漏电缆覆盖；站台覆盖采用常规的分布系统覆盖。2 基于POI的分布式覆盖方案分析目前国内处于运营期的无线网络制式多达十余种，由于地下空间受限，各

3、运营商自建分布系统的可能性极低，通常采用基于POI(Point Of Interface，多系统接入平台)的多运营商共建方式进行地下覆盖。它使用宽频技术，将多种制式的移动信号合路后再馈入同一套分布系统中，从而达到节省投资、现场布局美观、降低多制式网络空间需求的目的。POI的原理是将功分器、耦合器、3dB电桥、选频合路器和双工器等众多器件进行整合，最后通过系统联调实现特定的技术指标。与普通合路器相比，POI在端口隔离度、干扰抑制度、插入损耗以及驻波比等方面进行了专门的优化设计，KPI(Key Performance Indicator，关键绩效指标)优于普通合路器。POI重视深度定制，对器件本身

4、的KPI指标要求非常高，可扩展能力低下，属于室分设计中针对性很强的一类器件。基于POI的多系统合路方式在系统复杂度、空间占用、维护难度、综合造价等方面具有明显劣势，尤其是扩展性低使得基于POI的覆盖方式限制了地下通信覆盖系统的升级演进。以深圳地铁2号线室分覆盖方案为例，该方案采用POI前端合路方式分别完成上下行信号的合路，然后再进行收发分缆，使上下行信号分别馈入对应的分布系统。POI在前端已经完成了上下行信号的分离，因此每套分布系统上只有上行或者下行信号。然而在LTE多天线技术应用中，要求根据UE的位置和接收状态进行模式间自适应，必要时可以通过调度虚拟的天线端口来实现下行的空分复用，即需要两套

5、分布系统同时传输下行信号。由于原来的上行POI端口无法扩展，只能通过定制新的POI来实现双流改造，这样就会影响到其他运营商的网络，并且短期内也很难完成POI的定制与送检，因此扩展性差是POI应用的一块短板。POI无论是采用分缆还是共缆，其复杂度都超过了普通合路方式，而且从成本控制和升级维护角度出发，在地铁覆盖场景中普通合路方式是一种理想的选择，但是这种合路方式无法回避对物业资源的需求问题。随着TD-LTE的大规模部署以及Femto技术的逐步成熟，结合两者优势实现地下宽带无线通信覆盖的时机逐步成熟，因此提出了基于TD-LTE回传的Femto地下覆盖解决方案。3 基于TD-LTE回传的Femto地

6、铁覆盖方案3.1 系统架构Femto接入网主要由Femto AP(简称FAP)、Femto GW、SeGW和FMS构成(见图2)。FAP通过TD-LTE空口或者公共IP网络连接到Femto GW，FemtoGW再通过Iu接口连接到核心网。在接入控制方面，Femto通过设置封闭、开放和混合三种模式来实现不同的接入策略。就实际应用来说，闭合模式适合部署在家庭场景；开放模式适合部署在公共场所；混合模式适合部署在商业场所。图2所示为在现有(e)UTRAN中引入Femto网元的网络拓扑。其中，红色、蓝色曲线分别代表CS域和PS域的数据流向。目前企业级FAP标称的发射功率通常为100mW，覆盖半径可达80

7、m，远远超过目前分布系统吸顶天线的覆盖半径，并且可以通过自适应算法来动态调整发射功率。TD-LTE的高带宽和扩展性也为多运营商回传系统共建打下了良好基础，基于这两点，本文提出了基于TD-LTE回传的多模Femto地下宽带无线覆盖解决方案。该方案基于多模FAP和TD-LTE回传系统，实现多运营商的分布系统快速部署，简化分布系统覆盖复杂度，降低分布系统建设成本和维护成本，提高多运营商共建分布系统的扩展性和升级演进能力。多模Femto地下宽带无线覆盖系统由TD-LTE回传网络和FAP覆盖群两部分构成，其中TD-LTE回传网络包括基站、站台分布系统和隧道漏缆，实现地下TD-LTE无线信号的无缝覆盖，作

8、为整个系统的传输承载网络，承担数据汇聚、回传等工作。FAP具备多运营商多模接入能力，由站台FAP覆盖群和车载FAP共同组成无线覆盖网络，提供地下覆盖区域的多制式无线网络接入服务，实现用户接入控制、移动性管理和功率控制等功能。系统架构如图3所示。3.2 回传需求分析在多模共建模式下，所有制式的业务数据均通过TD-LTE回传系统承载，回传网络系统应满足多系统汇聚数据的峰值带宽、时延需求。在多模FAP覆盖场景中，由于Iuh接口是通过无线回传方式来承载的，因此TD-LTE回传系统的空口带宽以及地面有线传输的带宽将共同决定FAP系统的luh接口带宽。无线回传带宽B应满足以下条件：BBAbis(GSM)+

9、BIub(WCDMA+CDMA 1xEV-DO+TD-SCDMA)每套系统所占用的带宽应该等于用户面的带宽(用户实际发生的和业务量)加上控制面的带宽(传输和信令控制实际开销)，相当于将有线传输的数据通过无线方式来承载。由于TD-LTE空口可以通过载波聚合、MIMO(Multiple-Input Multiple-Output，多输入多输出)技术实现传输带宽倍增，因此理论上可以满足各系统对传输带宽的承载需求。3.3 CSG切换控制地铁切换区域大致可分为五种场景：车厢和站台层切换(场景1)、地铁隧道内切换(场景2)、换乘通道切换(场景3)、地铁车内切换(场景4)以及地面出入站口切换(场景5)。各场

10、景所处的位置如图4所示。3GPP根据FAP的特点制定了三种切换类型：FAP到FAP的切换、宏基站到FAP的Inbound切换和FAP到宏基站Outbound切换。覆盖场景与切换类型的对应关系如表2所示。表2 覆盖场景与切换类型的对应关系切换类型位置切换类型场景类型一换乘区间(不同SAC间)小区重选场景3类型二站台/站厅FAP间切换场景1、2、4类型三出入口Inbound/Outbound切换场景5切换类型一：由于两侧小区处在不同的业务区，对应不同的CSG组，因此UE做切换时需要向核心网发送测量报告，告知目标业务区内即将切入的FAP/DAS小区的信道状态，资源可用时将启动RRC连接重配过程。切换

11、类型二：此时车厢小区和站台小区会共同指向同一个CSG_ID。R8和R9标准指出FAP可以通过自配置网络功能在自己的邻区列表中建立与其他FAP的相邻切换关系，并且可以通过S1接口完成同类设备间的切换。由于未来的网络中可能部署大量的FAP，而基于S1接口的切换需要与MME交换大量信令，所以单纯依靠S1接口的切换将对MME带来较大冲击。基于上述考虑，3GPP在R10标准中提出X2接口切换的概念。CSG用户组内的小区可以直接通过X2接口实现小区间的双向快速切换。切换类型三：此时需要将特定的室外宏站纳入到地铁站的CSG组内。宏基站需要满足两个条件：一是能对地铁出入站口实现主导覆盖；二是宏基站在与地铁站的切换优先级需标识为高优先级。该切换属于Inbound与Outbound切换，因此主要是通过S1接口来实现FAP与(e)NB的双向切换。4 结束语随着TD-LTE技术的大规模部署和Femto技术的成熟，在地铁场景下结合这两种技术进行网络覆盖，将有效缓解传统POI覆盖方式所面临的空间资源不足、维护难度高、建设成本大