高速移动场景下FemtoCell覆盖解决方案(2)

本文将FemtoCell技术应用到高速移动场景，该方案采用LTE网络作为无线宽带回传网络（称为Backhaul），在每个列车上部署FemtoCell(标准研究中通常称为HNB，Home Node B家庭基站)和FemtoGW（标准研究中通常称为HNB GW，HNB GateWay家庭基站网关），通过LTE回传网络将这些FemtoCell接入到核心网络。LTE回传设备在宏蜂窝网络中相当于一个高速移动的终端。

网络架构介绍

在介绍高速场景下FemtoCell覆盖解决方案之前，先对标准中的FemtoCell系统架构做简要介绍[2]，其网络架构如下图所示：

图4 Home Node B网络架构图

可以看出，在FemtoCell系统中引入的网元有HNB、HNB GW、SeGW（Security GateWay）、HMS（HNB Management System）。

其中，HNB集成了Node B和RNC的主要功能。HNB GW主要是为HNB和CN之间的连接提供汇聚/分发功能以及负责对HNB的注册管理等。SeGW安全网关提供HNB到HMS和HNB GW的安全接入、HNB鉴权等功能。HMS主要功能是为HNB提供管理和参数配置。

本文将要介绍的车载FemtoCell系统网络架构如图5 和图6 所示：

图6所示的FemtoCell系统网络架构在参考LTE-Advanced Relay的网络架构[3]设计的基础上，针对高速移动场景覆盖特点，进行针对性调整和扩展，具体见下面网元介绍。

需要特别说明的是：这里的TrainGW安装于车厢上，完成HNB数据的汇聚/分发、HNB注册管理等功能。部署在车厢上的主要原因有：

1）考虑到单个HNB覆盖范围有限、业务容量有限，一般列车都会放置多个HNB。若将HNB GW作为地面固定设备部署，车厢上同样需要一个替代设备对HNB数据进行汇聚/分发，逻辑功能重复。

2） 车内HNB随着列车运动而位置不断变化，如果HNB GW在地面固定部署，则HNB GW需要跟踪HNB的移动信息，不仅实现复杂，还会增加业务时延等。

因此将HNB GW部署于车内较为合适。 网元介绍

TrainGW

TrainGW相当于LTE-Advanced Relay架构中的Relay节点，包括了HNB（或HeNB GW）功能和eUE功能（又称为TrainGW eUE），HNB/HeNB GW功能为车内各个HNB（或HeNB）提供服务，负责对HNB（或HeNB）与CN之间的信令和数据进行汇聚和转发，eUE功能用于在回传链路上收发数据，eUE上的用户平面数据即为HNB与CN之间交互的信令和数据。

该网元通过Iuh接口与车厢内部署的HNB连接，为车厢内的终端用户提供接入。 Macro-eNB

Macro-eNB为LTE网络中的宏小区，实现与TrainGW eUE的空口连接，完成TrainGW eUE与LTE核心网之间的数据转发。

TrainGW eUE的MME

为了使TrainGW的eUE功能可以正常工作，这里引入了TrainGW eUE的MME和TrainGW eUE的SGW/PGW两个功能实体。TrainGW eUE的MME负责为TrainGW eUE建立S1接口和信令连接，与LTE网络中的MME功能一致。

Macro eNB需要与TrainGW的MME建立一个S1接口，并为其下辖的每个TrainGW维护一条S1连接。

TrainGW eUE的SGW/PGW

TrainGW eUE的SGW/PGW负责对HNB与CN之间以及HNB与HMS之间交互的信令和数据进行汇聚和转发，与LTE网络中的SGW/PGW功能一致。

与LTE-Advanced Relay架构的区别是，TrainGW SGW/PGW 和TrainGW MME 通过核心网间接口直接与3G CN核心网互联，支持3G HNB、3G用户终端设备对3G CN的访问。

HMS

相对于LTE-Advanced Relay网络架构，这里引入HNB系统中的HMS，HMS为网络管理设备，基于TR-069网络管理协议实现，负责为NNB提供配置参数，实现HNB的位置认证功能，并且为HNB分配合适的服务HNB GW，为HNB提供性能管理，告警管理。

SeGW

相对于LTE-Advanced Relay网络架构，这里引入HNB系统中的SeGW，主要为HNB与HMS之间的连接安全性提供保证，在地面固定部署。

车载系统HNB通过光纤或电缆连接HNB GW，一般为运营商或铁路部门专用网络部署，因此HNB到HNB GW之间可以保证安全接入。

可以看出，TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同构成了HNB 与3G 核心网CN间的Iu接口数据传输通道。

数据流向

User UE的控制平面和用户平面数据被映射到TrainGW-eUE的用户平面承载，经由Macro eNB和TrainGW SGW/PGW，透传给3G 核心网CN。

对关键接口的影响 Iuh接口

Iuh接口传输承载由运营商或铁路部门部署的光纤或电缆传输，对接口协议没有影响。 Iu接口

Iu接口数据传输通道由TrainGW eUE 、Macro-eNB、 TrainGW SGW/PGW、TrainGW MME共同构成，对接口协议没有影响。

HMS和HNB之间接口

FemtoCell固定网络中通过HNBIP网络SeGWHMS，实现HMS与HNB之间的数据传输，接口协议采用TR-069。高速铁路覆盖中，HMS与HNB之间的数据传输通过HNBTrainGWLTE Macro-eNBLTE核心网IP网络SeGWHMS实现，对接口协议没有影响。

业务需求可行性分析

本节将根据高速铁路业务需求和TDD LTE回传网络所能提供的系统容量，进行本方案支持用户业务需求的可行性分析。

根据2.2节统计结果，折算到Iu口容量，见下表：

其中，CS12.2k语音业务和数据业务转换为Iu口数据格式，需要增加各种头开销，传输速率计算时分别对应一个速率倍增系数，即2.871和1.322。

根据上述对比，可以看到TDD LTE网络20M带宽、时隙配比为D:S:U=4:2:4的配置（4个下行时隙：2个特殊时隙：4个上行时隙）下，能够满足传输容量的要求，相对于采用传统的车厢外TD-SCDMA宏小区覆盖的方案具有明显的优势。

关键技术问题分析 干扰

高速FemtoCell组网方式，主要的干扰场景为：

图7 干扰场景示意图

车内相邻FemtoCell之间的干扰 干扰场景如图7中（1）所示。

根据1.2节统计，列车每车厢业务量需求下行在1 Mbps左右，上行在0.04 M左右，因此每车厢部署1个单载波FemtoCell可以满足容量需求，即可以采用每个FemtoCell小区单频点覆盖，车内干扰可以通过频点规划规避同频干扰。在可用频点个数允许的情况下，尽量增大FemtoCell频点复用距离。比如，FemtoCell采用目前TD-SCDMA网络常用的3个室内覆盖频点进行覆盖，那么频点复用距离为车厢长度的三倍。

另外，车厢之间有车门阻隔可以屏蔽一定的干扰。 列车FemtoCell与室外宏小区之间的干扰

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