WCDMA跨站址小区合并下掉话分析

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引言
       
        近年来，高速铁路的覆盖成为WCDMA无线网络部署的一大热点问题，利用小区合并也就是共小区来实现高速铁路的覆盖是其中的一种部署方式。但是，在部署过程中，我们发现会遇到跨站址小区合并的掉话现象，也就是高速铁路上的终端在通话过程中，如果处于合并小区的两个站址之间，可能会发生掉话。为此，在本文中笔者我们分析了可能引发这种现象的可能原因，并给出了具体的解决建议。
         
       
       
       
        图1多普勒效应对信号质量的影响
       
        2高速铁路覆盖的主要挑战
       
        对于高速铁路覆盖而言，由于列车运行的速度高，因此多普勒效应的影响将变得很显著，多普勒效应具有如下一些特点：
       
        （1）当用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大；完全垂直时，没有多普勒频移。
       
        （2）多普勒频移的大小和运动速度成正比，运动速度越快频偏越大。
       
        （3）假定移动速度不变，用户先朝向基站运动而后远离基站，多普勒频偏先正后负。
       
        多普勒频移将导致接收信号质量的下降。当信号的频率与基准频率发生偏差后，接收机如果基于基准频率进行解调，两者之间的相位差将导致接收机无法获得最佳的接收效果。
       
        图1展示了利用仿真获得的信号质量（Eb/No）与运动速度（km/h）之间的关系，从中可以看出Eb/No随运动速度提高而下降。在从3km/h~500km/h到500km/h的区间，从仿真结果中看到，最好情况是下降0.1dB，最差情况是下降3dB.图1中横坐标运行速度对应多普勒频移量，。可见多普勒频移越大，信号质量下降越大。信号质量下降的根本原因在于频偏造成Eb的下降，从而引发Eb/No的下降。
       
        3跨站址小区合并方案
       
        在开阔地等高速运动场景，通过多个RRU小区合并的方式，实现小区合并覆盖，可以增加单个小区覆盖范围，减少切换次数，详情参见如图2所示。：图2中展示了6个不同站址的小区合并后，组成一个小区。在两个不同站址小区的交界处，也就是在图3中跨站址相邻小区的重叠覆盖范围内，终端会接收到来自相反方向的小区的下行信号，对终端来说，这些下行信号分别具有正、负多普勒频移。当终端移动速度较快时，这样的正负多普勒频偏差较大的信号可能会造成部分型号的手机掉话。接下来，笔者将分析跨站址小区合并时终端掉话产生的主要原因。
         
       
       
       
        图2跨站址小区合并方案示意图
         
       
       
       
        图3正负多普勒频移对终端的影响
       
        4终端处理多普勒频移的方法
       
        首先我们来分析终端处理多普勒频移的方法。
         
       
       
       
        图4RAKE接收机示意图
       
        对于终端来说，并不知道多普勒频移值，只是根据本地振荡器（以下简称本振）与接收到的基站频率进行对比，获得频率的差值。终端在任何情况下都需要跟踪基站频率的变化，也就是与基站频率同步的过程，类似于GSM的频率同步，称为自动频率控制过程（AFC）。
       
       
       
       
        表1Eb的最大下降量
       
        AFC具体实现机制通常是基于锁相环PLL，利用压控振荡器VCO控制本振的工作频率，从而可以跟踪基站的频率，这种频率跟踪与同步的功能正好可以用在于对抗多普勒频移上。当然本振的工作频率可调范围是有限的，对应频率补偿范围，也就是终端能处理的多普勒频移量小于频率补偿范围。
         
       
       
       
        表2合并后Eb的最大下降量
         
        WCDMA终端的RAKE接收机由多个支路Finger组成，假定基站的频率为fNB，多普勒频移量为fd，参考信号源的频率为fNB+fd，那么各个支路的接收频率如图4所示。其中支路1与支路2对应图3中不同站址的小区信号。显然，当终端支路1与支路2都采用一个工作频率f1时，支路2将承受2倍的频偏fd.2倍的频偏对终端的影响超过1倍频偏，我们可以根据图1，列出不同运行速度下，两种频偏带来的Eb的最大下降量，详情参见如表1.所示：可见，随着运行速度的提高，支路2的Eb下降更为显著。RAKE接收机将合并同一扰码的信号，假定两个支路的接收信号强度相同（相当于终端处于两个站址的中间），则信号合并后，多普勒频移带来的总的信号强度下降，详情参见如表2.所示：因此，初步可以评估出，当运行速度达到300km/h时，如果不能补偿支路2的频偏，合并后的信号强度将最多下降超过2dB.
       
        5软切换与小区合并的差异
       
        很明显，只要是终端接收到跨站址的两个小区的信号，就会遇到正、负多普勒频移的现象。在路测过程中，我们观察到如果跨站址的小区不是合并的小区，也就是常见的软切换，这时很少会发生掉话，这又是什么原因呢？
       
        原来，软切换与小区合并的最大区别是图4中两个支路的扰码不一样。这样，终端在小区合并时是先合并相同扰码的信号，再进行解调解扰等信号处理工作；而进行软切换时，终端是先进行解调解扰等信号处理工作，再进行最大比合并工作。最大比合并与直接合并信号相比，有额外的处理增益。由于工作流程的差异，在进行软切换时，当采用最大比合并的处理方式时，信号强度的下降相对有限；而在小区合并时，某些终端机型若没有采用最大比合并，则信号强度的下降会相对显著。在干扰大致不变的情况下，信号强度的下降意味着信号质量的下降。显然，信号质量的下降大大提升了掉话的几率。因此，与软切换相比较，跨站址的小区合并容易造成掉话。
       
        6解决方案
       
        从以上分析中不难看出，这种现象与终端的RAKE接收机的处理机制密切相关，因此与终端的类型有关。要想解决这个问题，可以考虑如下一些解决方案。
       
        （1）终端
       
        终端接收机实现方案的不同，以及终端同步的能力等都可能会造成在使用跨站址小区合并方案时产生掉话问题。如果能调整终端的处理机制，采用跨站址小区合并的方案时掉话现象将会减少。但是，从运营商的角度出发，终端实现方案较难控制。但随着以后终端高级接收机应用的普及，将会有助于解决这个问题。
       
        （2）部署方案
       
        在实际部署时，目前可以考虑控制跨站址小区合并方案使用的范围，如首先考虑使用相同站址的小区合并方案，在其它特殊区域适度使用跨站址的小区合并方案。
       
        （3）网络规划
       
        如果确实需要采用跨站址小区合并，我们建议在WCDMA无线网络规划时引入一个额外的余量，用来补偿因为终端实现带来的信号强度的下降，例如该余量可以考虑为3dB.
       
        7结束语
       
        多普勒频移是高速铁路覆盖面临的问题，而正负多普勒频移可能会在跨站址小区合并方案中引发掉话问题。通过分析掉话现象，我们发现终端接收机的实现以及终端同步能力都有可能是产生掉话的原因。为此，我们可以考虑通过改进终端的处理机制、控制跨站址小区合并的部署范围以及在网络规划时引入一个额外的余量来进行解决。