研讨探析基于TD—LTE回传多模Femto地铁覆盖解决案例探析
最后更新时间：2024-02-28
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论文导读：新的源于：普通论文格式范文www.7ctime.comPOI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，
【摘 要】在分析传统室内覆盖系统方案优劣的基础上，深入探讨了在地铁场景中引入基于TD-LTE回传的多模Femto组网覆盖解决方案，从而实现宽带无线数据通信的可行性，提出了一种基于Femto实现大型场所覆盖的新思路。
【关键词】TD-LTE POI Femto 地铁覆盖
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，对器件本身的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。各种方式的对比如表1所示：
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。具体结构如图1所示。
由图1可知，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，只能通过新的源于：普通论文格式范文www.7ctime.com
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地铁覆盖
方案
构成（见图2）。FAP通过TD-LTE空口或者公共IP网络连接到Femto GW，Femto GW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80m，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。
无线回传带宽B应满足以下条件：
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。
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。
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：一是能对地铁出论文导读：
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、升级演进能力和扩展性不强的问题。本文提出的基于TD-LTE回传的多模Femto宽带无线覆盖解决方案以单一的TD-LTE分布系统作为地下回传网络，以Femto覆盖群替代现有的分布系统，实现多制式地下网络覆盖系统的快速、低成本源于：职称论文www.7ctime.com
部署。该方案对空间需求不高，同时具有安装维护方便、可扩展性和升级演进快捷的特点，为地铁等封闭、高业务密度场景下的网络覆盖提供了一种新思路。
参考文献：
3GPP TS 25.367. Mobility Procedures for Home NodeB； Overall Description Stage 2（Release 11）[S]. 2011.
李平，申艳秋，王雪. Femtocell技术及网络结构分析[J]. 黑龙江科技信息， 2011（16）： 95.
[3] 赵龙，余丹娟. 多网络室内分布系统的设计[A]. 2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.
[4] 方勇，彭斌. 多系统合路时的地铁覆盖解决方案及切换分析[J]. 移动通信， 2008（21）： 42-47.
[5] 刘建华，李新，沈寒冰，等. TD-LTE室内分布系统关键技术研究[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会2011年年会论文集（下册）[C]. 2011.★
【摘 要】在分析传统室内覆盖系统方案优劣的基础上，深入探讨了在地铁场景中引入基于TD-LTE回传的多模Femto组网覆盖解决方案，从而实现宽带无线数据通信的可行性，提出了一种基于Femto实现大型场所覆盖的新思路。
【关键词】TD-LTE POI Femto 地铁覆盖
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，对器件本身的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。各种方式的对比如表1所示：
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。具体结构如图1所示。
由图1可知，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，只能通过新的源于：普通论文格式范文www.7ctime.com
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论文导读：构成（见图2）。FAP通过TD-LTE空口或者公共IP网络连接到Femto GW，Femto GW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80m，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Iuh接口带宽。无线回传带宽B应满足以下条件：
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。
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：一是能对地铁出论文导读：
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、升级演进能力和扩展性不强的问题。本文提出的基于TD-LTE回传的多模Femto宽带无线覆盖解决方案以单一的TD-LTE分布系统作为地下回传网络，以Femto覆盖群替代现有的分布系统，实现多制式地下网络覆盖系统的快速、低成本源于：职称论文www.7ctime.com
部署。该方案对空间需求不高，同时具有安装维护方便、可扩展性和升级演进快捷的特点，为地铁等封闭、高业务密度场景下的网络覆盖提供了一种新思路。
参考文献：
3GPP TS 25.367. Mobility Procedures for Home NodeB； Overall Description Stage 2（Release 11）[S]. 2011.
李平，申艳秋，王雪. Femtocell技术及网络结构分析[J]. 黑龙江科技信息， 2011（16）： 95.
[3] 赵龙，余丹娟. 多网络室内分布系统的设计[A]. 2011全国无线及移动通信学术大会论文集[C]. 北京： 人民邮电出版社， 2011.
[4] 方勇，彭斌. 多系统合路时的地铁覆盖解决方案及切换分析[J]. 移动通信， 2008（21）： 42-47.
[5] 刘建华，李新，沈寒冰，等. TD-LTE室内分布系统关键技术研究[A]. 中国通信学会信息通信网络技术委员会2011年年会论文集（下册）[C]. 2011.★