隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和人民生活水平的日益提高，我國(guó)高速鐵路的建設(shè)全面展開。中國(guó)高速鐵路的發(fā)展不僅填補(bǔ)了中國(guó)運(yùn)輸體系中的缺失，而且在中國(guó)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中也具有非常重要的戰(zhàn)略意義。

“十一五”期間，中國(guó)通過(guò)建設(shè)高速鐵路客運(yùn)專線、發(fā)展城際客運(yùn)軌道交通和既有線提速改造，初步形成以高速鐵路客運(yùn)專線為骨干，連接全國(guó)主要大中城市的快速客運(yùn)網(wǎng)絡(luò)。高速鐵路作為越來(lái)越普及的交通工具，逐漸成為人們商務(wù)出差、旅游出行的首選。

為滿足快速增長(zhǎng)的旅客運(yùn)輸需求，建立省會(huì)城市及大中城市間的快速客運(yùn)通道，“十一五”規(guī)劃了“四縱四橫”鐵路快速客運(yùn)通道以及三個(gè)城際快速客運(yùn)系統(tǒng)，時(shí)速高達(dá)380Km/h。

“四縱”客運(yùn)專線：

（1）北京-上海；
　?。?）北京-武漢-廣州-深圳；
　　（3）北京-沈陽(yáng)-哈爾濱(大連)；
　　（4）杭州-寧波-福州-深圳。

“四橫”客運(yùn)專線：
　　（1）徐州-鄭州-蘭州；
　　（2）杭州-南昌-長(zhǎng)沙；
　　（3）青島-石家莊-太原；
　?。?）南京-武漢-重慶-成都。

三個(gè)城際客運(yùn)系統(tǒng)：

環(huán)渤海地區(qū)、長(zhǎng)江三角洲地區(qū)、珠江三角洲地區(qū)城際客運(yùn)系統(tǒng)。

由于高鐵主要的目標(biāo)客戶是商務(wù)出行或者旅游出行，這些人在列車上使用語(yǔ)音或高速數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的需求較為明確。因此，快速發(fā)展的高速鐵路已成為移動(dòng)話音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)的新熱點(diǎn)。在“十一五”規(guī)劃中，科技部、鐵道部將“雙高課題”——高速移動(dòng)下的高數(shù)數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)作為研究重點(diǎn)。

大唐移動(dòng)基于對(duì)TD-SCDMA系統(tǒng)的深刻理解和在上海磁懸浮成功的高速覆蓋經(jīng)驗(yàn)，率先提出基于車載直放站設(shè)備為基礎(chǔ)的TD-SCDMA高鐵覆蓋方案。

大唐移動(dòng)率先推出高速鐵路覆蓋方案

由于車輛技術(shù)的不斷發(fā)展，車廂密閉性越來(lái)越好，導(dǎo)致在無(wú)線傳輸?shù)能圀w穿透損耗越來(lái)越大，龐巴迪高速列車的損耗達(dá)到25dB，一般車體損耗都在10dB以上，當(dāng)損耗為30dB時(shí)，相當(dāng)于信號(hào)在透過(guò)車體時(shí)只有原來(lái)1/1000的信號(hào)強(qiáng)度，為了克服車體穿透損耗，要求室外的信號(hào)發(fā)射機(jī)功率增強(qiáng)，要求更高的基站接收機(jī)靈敏度，或者要求UE的發(fā)射信號(hào)增強(qiáng)。

大唐移動(dòng)的高鐵解決方案中，鐵路沿線采用BBU+RRU組網(wǎng)，采用小區(qū)分集和高速頻偏補(bǔ)償算法，在高速列車上裝在直放站克服穿透損耗。

1.? 鐵道沿線采用BBU+RRU進(jìn)行專網(wǎng)覆蓋：

業(yè)內(nèi)最早最成熟的小區(qū)分集算法

考慮到單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍相對(duì)較小，由于UE移動(dòng)速度非常快，造成手機(jī)終端駐留在單個(gè)小區(qū)的時(shí)間很短；另外因多普勒頻偏的影響使用戶讀系統(tǒng)廣播、起呼、切換的時(shí)延會(huì)更長(zhǎng)，高速移動(dòng)環(huán)境下，時(shí)延較大的重選、切換和接入等流程很可能無(wú)法在單個(gè)站點(diǎn)覆蓋范圍內(nèi)全部完成；同時(shí)頻繁的切換還會(huì)導(dǎo)致用戶體驗(yàn)變差、切換掉話的可能性變大。因此，需要擴(kuò)大單個(gè)小區(qū)的覆蓋范圍。

將小區(qū)分集算法技術(shù)應(yīng)用于高速移動(dòng)覆蓋場(chǎng)景可帶來(lái)如下好處：

（1）將同站點(diǎn)的多個(gè)扇區(qū)合并，避免切換，將多個(gè)站址合并為一個(gè)小區(qū)，減少切換；
?（2）有效增減單個(gè)小區(qū)覆蓋范圍，保證用戶的高接入成功率。

專利的物理層頻偏糾正算法和頻偏預(yù)矯正算法

在TD-SCDMA系統(tǒng)的接收機(jī)中，由多普勒頻移等引起的頻偏會(huì)對(duì)接收數(shù)據(jù)產(chǎn)生相位偏轉(zhuǎn)，頻偏越大，相位偏轉(zhuǎn)越嚴(yán)重，對(duì)系統(tǒng)的相干解調(diào)性能的影響就越明顯，即車速越高多普勒頻移對(duì)解調(diào)性能的影響越嚴(yán)重。

在TD-SCDMA系統(tǒng)中，終端通過(guò)自動(dòng)頻率控制（AFC：Automatic Frequency Control）技術(shù)進(jìn)行載波頻率跟蹤，而基站側(cè)采用固定頻點(diǎn)的載波頻率進(jìn)行信號(hào)接收，使得高速鐵路沿線的基站側(cè)最大多普勒頻偏可達(dá)1400Hz。為了保證數(shù)據(jù)的解調(diào)性能，需要對(duì)檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行頻率校正后再執(zhí)行判決，即接收端需要進(jìn)行頻偏估計(jì)（FOE：Frequency Offset Estimation）和頻偏校準(zhǔn)(FOC：Frequency Offset Calibration)操作。

在高速移動(dòng)業(yè)務(wù)情況下，基站需要采用兩次頻偏補(bǔ)償過(guò)程才能達(dá)到較好的性能。該方案的具體實(shí)施流程見(jiàn)下圖所示。我們首先根據(jù)信道估計(jì)得到的信道響應(yīng)來(lái)估計(jì)頻偏，得到初步頻偏值，然后利用此初步頻偏值對(duì)聯(lián)合檢測(cè)得到的檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步校正，得到初步校正數(shù)據(jù)；再根據(jù)初步校正數(shù)據(jù)利用數(shù)據(jù)符號(hào)頻偏估計(jì)方法計(jì)算頻偏值，得到二次頻偏值，并利用此二次頻偏值對(duì)初步校正數(shù)據(jù)進(jìn)行頻偏補(bǔ)償，得到二次校正數(shù)據(jù)，最后對(duì)二次校正數(shù)據(jù)進(jìn)行解調(diào)判決。

根據(jù)分析，第一次頻偏估計(jì)方案具有估計(jì)范圍大、估計(jì)精度差的特點(diǎn)，能估計(jì)出2000Hz以上的頻偏；而第二次頻偏估計(jì)方案具有估計(jì)范圍小、估計(jì)精度高的特點(diǎn)，能估計(jì)的頻偏范圍為800Hz左右。因此在高速移動(dòng)環(huán)境下采用這兩種頻偏估計(jì)算法的結(jié)合能夠有效地提高性能。

業(yè)內(nèi)領(lǐng)先的頻偏預(yù)矯正算法

下行方向，為了使終端平穩(wěn)的進(jìn)行切換，在基站側(cè)估計(jì)頻偏并進(jìn)行預(yù)矯正，使終端接收頻率穩(wěn)定在基站發(fā)射頻點(diǎn)上。

無(wú)線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境是由基站和終端組成的，即在高速移動(dòng)環(huán)境下也需要解決大頻偏對(duì)終端的解調(diào)性能影響。TD-SCDMA系統(tǒng)中，基站采用固定的頻點(diǎn)的頻率進(jìn)行信號(hào)的收發(fā)，而終端通過(guò)自動(dòng)頻率控制（AFC）方案使本振頻率自動(dòng)跟蹤接收信號(hào)的頻率變化。在高速移動(dòng)環(huán)境下（如車速為400Km/h），終端切換時(shí)相對(duì)于新舊兩個(gè)基站的運(yùn)動(dòng)方向相反，導(dǎo)致終端的多普勒頻移發(fā)生跳變，使得終端產(chǎn)生一個(gè)很大的頻偏，分析得出這個(gè)頻偏值最大可以達(dá)到兩倍的最大多普勒頻偏值。

此時(shí)采用現(xiàn)有的AFC控制方案則需要很長(zhǎng)的時(shí)間才能進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，使終端的性能惡化。為此提出了高速優(yōu)化頻偏估計(jì)方案，該方案采用了基站側(cè)高速頻偏估計(jì)的思想，同時(shí)修改了AFC的控制方案。

頻偏預(yù)校正基本思想就是基站根據(jù)目標(biāo)用戶上行信道頻偏估計(jì)，對(duì)下行發(fā)送信號(hào)頻率進(jìn)行預(yù)校正，使得發(fā)送信號(hào)到達(dá)UE之后的等效接收頻率為小區(qū)原始發(fā)送頻率。實(shí)現(xiàn)中在基站側(cè)增加DPCH的頻偏預(yù)矯正，即通過(guò)對(duì)比收發(fā)信號(hào)的頻偏，針對(duì)不同用戶在物理層數(shù)據(jù)上進(jìn)行頻偏補(bǔ)償。

對(duì)于終端用戶而言，在基站頻偏預(yù)矯正正常工作的情況下，基本穩(wěn)定在指定頻點(diǎn)上，幾乎感受不到多普勒頻偏存在，小區(qū)切換時(shí)刻不會(huì)產(chǎn)生大的多普勒頻偏正負(fù)跳變。

如上圖所示，終端以頻率f發(fā)送信號(hào)，基站以頻點(diǎn)f接收經(jīng)過(guò)上行高速信道的信號(hào)，該信號(hào)頻率為f+fd，基站可以估計(jì)出頻偏fd?；驹谙滦邪l(fā)送該用戶的數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)送頻率采用f-fd，這樣發(fā)送信號(hào)經(jīng)過(guò)下行高速信道后，終端接收信號(hào)的頻率為f。在終端切換前其工作頻率一直穩(wěn)定在基站頻點(diǎn)f附近，終端切換后以新的基站頻點(diǎn)工作，從而減小了終端的頻偏變化，提高了終端的解調(diào)性能。這種方案通過(guò)增加基站的復(fù)雜度，改善了網(wǎng)絡(luò)的性能。

2.? 高速列車上采用直放站克服穿透損耗

為了避免車輛技術(shù)的不斷發(fā)展而影響車體內(nèi)無(wú)線通信質(zhì)量，通過(guò)無(wú)線直放站加車內(nèi)分布系統(tǒng)的方式，可把車外信號(hào)饋入到車體內(nèi)（室內(nèi)），克服車體穿透損耗。

直放站產(chǎn)品具備AGC（自動(dòng)增益控制）功能

一般的傳統(tǒng)直放站是固定放置，施主信號(hào)的環(huán)境比較穩(wěn)定，放大倍數(shù)在開通時(shí)設(shè)置好就可以穩(wěn)定工作。ALC功能只在個(gè)別情況下對(duì)增益進(jìn)行小范圍調(diào)整。由于環(huán)境可控，可以通過(guò)站點(diǎn)設(shè)置選擇施主基站的信號(hào)強(qiáng)度在-80dBm以上。

直放站在高速列車上使用，與通常的應(yīng)用場(chǎng)景有個(gè)顯著的不同。對(duì)于列車這種高速移動(dòng)環(huán)境，外部信號(hào)的強(qiáng)度快速變化；為了保證直放站覆蓋區(qū)域的信號(hào)穩(wěn)定性，需要直放站具備自動(dòng)增益調(diào)整功能。

輸入信號(hào)電平范圍：-35~-85dBm；
　　輸出信號(hào)：10~20dBm；
　　放大器下行增益可調(diào)范圍：45~105dB。

輸入功率測(cè)量：
　　全頻段功率測(cè)量（射頻測(cè)量）；
　　服務(wù)基站功率測(cè)量（基于DwPTS功率）：需要快速切換施主基站；
　　上下行增益的同步調(diào)整；
　　直放站產(chǎn)品具備AFC（自動(dòng)頻偏控制）功能。

高速情況下由于多普勒頻移，上下行信號(hào)的載波會(huì)有較大偏移。直放站此時(shí)可起到頻率校正的作用，簡(jiǎn)化終端和網(wǎng)絡(luò)的實(shí)現(xiàn)，對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量有一定改善。
頻偏檢測(cè)算法：高穩(wěn)鐘產(chǎn)生參考頻率；

基帶處理算法：服務(wù)小區(qū)選定后，可采用與基站類似的算法；

模擬中頻處理方法：通過(guò)對(duì)本振的精細(xì)調(diào)整，實(shí)現(xiàn)頻率校準(zhǔn)?；驍?shù)字中頻處理：在中頻使用數(shù)字頻綜，采用數(shù)字變頻的方式。

結(jié)束語(yǔ)

2007年，中國(guó)首條高速鐵路京津城際軌道交通工程客運(yùn)專線完成鋪軌，2008年，中國(guó)高速鐵路建設(shè)步伐加快，不僅引人注目的京滬高速鐵路開始興建，廣深港高速鐵路、京石高速鐵路客運(yùn)專線、南寧至廣州高速鐵路等等一大批高速鐵路建設(shè)工程都開始動(dòng)工。

隨著中國(guó)高速鐵路建設(shè)的不斷發(fā)展，大唐移動(dòng)將致力于提高移動(dòng)用戶在高速移動(dòng)環(huán)境下的業(yè)務(wù)體驗(yàn)，為中國(guó)的移動(dòng)通信建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

作者：李同坡