高速鐵路對GSM網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的影響及其解決方案

　　1、概述

　　隨著(zhù)社會(huì )經(jīng)濟的發(fā)展，人們對移動(dòng)通信的要求越來(lái)越高，在一些特殊場(chǎng)景下也需要很高的通信質(zhì)量。高速鐵路就是新出現的一種重要特殊場(chǎng)景。

　　中國已經(jīng)在上海建設了磁懸浮火車(chē)，時(shí)速高達431 km/h，而環(huán)渤海、長(cháng)三角、珠三角等各大城市間的城際鐵路時(shí)速也將達到200～300 km/h。

　　在已開(kāi)通的高速鐵路上測試顯示，部分路段出現了脫網(wǎng)、不能正常呼叫和切換以及掉話(huà)等現象。如何在高速移動(dòng)情況下提供良好的網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量成為運營(yíng)商和設備商當前的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。本文從多普勒效應、高速移動(dòng)對呼叫和切換帶來(lái)的影響等幾個(gè)方面來(lái)討論高速鐵路對現有GSM網(wǎng)絡(luò )的沖擊以及相應的解決方案。

　　2、多普勒頻移

　　當終端在運動(dòng)中通信時(shí)，特別是在高速情況下，終端和基站都有直視信號，接收端的信號頻率會(huì )發(fā)生變化，稱(chēng)為多普勒效應。多普勒效應所引起的頻移稱(chēng)為多普勒頻移(Doppler shift)，其計算公式如式(1)所示：

　　其中：

　　θ為終端移動(dòng)方向和信號傳播方向的角度;

　　υ是終端運動(dòng)速度;

　　C為電磁波傳播速度;

　　f為載波頻率。

　　從公式(1)可以看出，用戶(hù)移動(dòng)方向和電磁波傳播的方向相同時(shí)，多普勒頻移最大;完全垂直時(shí)，沒(méi)有多普勒頻移。

　　圖1展示了多普勒頻移對移動(dòng)通信系統的影響，其中fo是中心頻率，fd為多普勒頻移。

　　圖1　多普勒頻移的影響

　　表1為典型情況下的最大多普勒頻移(即假設用戶(hù)移動(dòng)方向和電磁波傳播的方向相同，即θ=0)。

　　表1　典型情況下的最大多普勒頻移

　　由于多普勒頻移對移動(dòng)通信系統的影響最大是2fd，因此當火車(chē)速度達到400 km/h，頻移的最大影響是667/1333.4 Hz(中心頻率為900 MHz/1800 MHz時(shí))。

　　根據GSM系統移動(dòng)臺(MS)與基站收發(fā)信臺(BTS)的調制性能，667/1333.4 Hz的頻偏，對于接收機接收性能有一定的影響，主要是降低接收的靈敏度，但幅度會(huì )比較小。

　　因此，可以認為目前高速鐵路給GSM網(wǎng)絡(luò )帶來(lái)的影響中，多普勒頻移不是主要因素。

　　3、高速移動(dòng)對呼叫和切換帶來(lái)的影響

　　移動(dòng)通信系統需要一定的時(shí)間對無(wú)線(xiàn)信道資源進(jìn)行測量、平均、判決、執行等，隨著(zhù)用戶(hù)移動(dòng)速度的加快，一項流程從發(fā)起到完成(如切換、呼叫等)，無(wú)線(xiàn)環(huán)境往往已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，這將給網(wǎng)絡(luò )業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行帶來(lái)一些新的問(wèn)題。

　　下面分析高速移動(dòng)對空閑、呼叫、切換模式下的MS的影響。

　　3.1　對在空閑模式下的MS的影響

　　在空閑模式下，MS會(huì )連續監測BA(BCCH(廣播控制信道)分配)表中所有載頻的電平情況，對電平進(jìn)行平均處理的時(shí)間是：Max{5，(5×N+6)div 7)×BS_PA_MFRMS/4}。

　　其中，N是BA表中載頻的數量。按網(wǎng)絡(luò )的通常設置，BA表中的載頻就是鄰區的BCCH頻點(diǎn)，因此N的最大值是32。BS_PA_MFRMS表示小區中的尋呼信道被分配成的尋呼子信道數，取值范圍為2～9，該值的大小取決于尋呼負載，本處取中間值6?？捎嬎愕贸鲎畲蟮钠骄幚頃r(shí)延為34.5 s。

　　按照小區選擇和重選的規定，MS至少每隔5 s計算并判斷一次服務(wù)小區和非服務(wù)小區的C1和C2參數，如果滿(mǎn)足判決條件，馬上啟動(dòng)小區重選。MS同步BCCH載頻的最大時(shí)延是0.5 s，同步后解調BCCH數據的最大時(shí)延是1.9 s，即重選一次小區的最大時(shí)延是7.4 s。

　　BA表中頻率電平更新一次的時(shí)間是34.5 s左右，那么在這期間，當火車(chē)速度為200 km/h時(shí)，火車(chē)通過(guò)的距離接近2 km，無(wú)線(xiàn)環(huán)境可能已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。如果場(chǎng)強信號急速衰落，則會(huì )造成手機脫網(wǎng)?；谶@樣的小區選擇和重選，將影響手機的呼叫。

　　3.2　對MS發(fā)起呼叫的影響

　　作者對現網(wǎng)多個(gè)完整呼叫進(jìn)行了統計，從占用上SDCCH(獨立專(zhuān)用控制信道)到成功捕獲TCH(業(yè)務(wù)信道)，呼叫建立時(shí)長(cháng)平均為2 s左右(從振鈴到接聽(tīng)由于受用戶(hù)行為影響，時(shí)間波動(dòng)較大，這段時(shí)間不予考慮)。在此時(shí)間內，如果信號發(fā)生快速衰落，那么本次呼叫將失敗。

　　如果火車(chē)速度為200 km/h，那么MS在2 s的時(shí)間內將移動(dòng)111 m;如果速度達到400 km/h，那么MS在2 s的時(shí)間內將移動(dòng)222 m。對于這樣一段距離來(lái)說(shuō)，發(fā)生信號快衰落的可能性是存在的。

　　在某列高速火車(chē)上進(jìn)行測試，得到的數據如表2所示?？梢钥闯?，隨著(zhù)火車(chē)速度的上升，手機出現了脫網(wǎng)的現象，而呼叫的成功率也逐步下降。

　　表2　在某列高速火車(chē)上測試得到的數據

　　3.3　對MS切換的影響

　　GSM規范規定，通話(huà)模式下，MS每隔480 ms(1個(gè)SACCH(緩慢相關(guān)控制信道)信息時(shí)間)，向BTS上報一次6個(gè)最佳鄰小區，至少 每隔10 s解調1次小區列表中的BSIC(基站識別碼)，如果是新出現在小區列表中的小區，則需在5 s內解調BSIC。對于無(wú)法解調BSIC的小區，其信號強度是不會(huì )上報的，這樣就會(huì )出現一種情況：當服務(wù)小區信號強度快速衰落時(shí)，鄰小區中雖然信號強度很好，但是由于無(wú)法及時(shí)解調出BSIC，造成無(wú)法切換而掉話(huà)。

　　當MS及時(shí)上報了6個(gè)最佳小區時(shí)，基站判斷是否需要進(jìn)行切換需要一定的時(shí)間，這個(gè)時(shí)間一般都大于4 s(該值和設置的切換類(lèi)型、切換參數有關(guān)，4 s為快速切換時(shí)的一個(gè)均值)。

　　通過(guò)對100個(gè)切換消息的跟蹤分析，從切換請求發(fā)起到切換完成釋放源小區資源，跨MSC切換一般需要5 s，BSC內小區間切換時(shí)間為3 s。因此從測量、判決到完成切換，這段時(shí)間的典型值是BSC內小區間切換為7 s，對于跨MSC的切換，這個(gè)時(shí)間將達到9 s。表3列出了解調BSIC以及MS切換時(shí)間內火車(chē)移動(dòng)的距離。

　　表3　解調BSIC以及MS切換時(shí)間內火車(chē)移動(dòng)的距離

　　假設火車(chē)運行速度為200 km/h，那么一個(gè)小區從進(jìn)入鄰區列表、解調BSIC、測量、觸發(fā)切換，到切換完成，至少需要5+4+3=12 s(對于BSC內切換)，火車(chē)對應移動(dòng)的距離是667 m，在這段距離內，服務(wù)小區必須保證信號不發(fā)生快速衰落導致掉話(huà)，則電平值需不低于-95 dBm，才能保證呼叫的正常進(jìn)行。

　　還需要考慮MS發(fā)起呼叫的位置，如果MS在靠近切換帶的區域發(fā)起呼叫，為保證呼叫后能順利切換，小區存在一個(gè)覆蓋的最小值，就是完成呼叫建立以及切換所需要的距離。對于速度為200 km/h的火車(chē)，BSC內/跨MSC的切換所對應的最小覆蓋距離分別是667+111=778 m和778+111=889 m;對于速度為400 km/h的火車(chē)，BSC內/跨MSC的切換所對應的最小覆蓋距離分別是1333+222=1556 m和1555+222=1777 m，如圖2所示。

　　圖2　呼叫建立+切換的情況下小區的最小覆蓋范圍

　　4、解決方案

　　從以上的分析來(lái)看，高速鐵路對GSM網(wǎng)絡(luò )的影響主要是由于速度過(guò)快，在GSM網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行各種測量、判決、執行的時(shí)間里無(wú)線(xiàn)環(huán)境已發(fā)生很大變化，因此解決時(shí)可以從擴大小區的覆蓋范圍，延長(cháng)小區的駐留時(shí)間，增大相鄰小區的重疊覆蓋范圍入手，具體著(zhù)手的方向如下。

　　4.1　網(wǎng)絡(luò )選擇

　　從公式(1)可以看到，頻段越高，多普勒頻移越大，而且高速鐵路采用了全封閉式的火車(chē)，穿透損耗遠超過(guò)普通的火車(chē)。從減小這兩方面的影響考慮，應優(yōu)先使用900 MHz網(wǎng)絡(luò )進(jìn)行覆蓋，避免采用1 800 MHz網(wǎng)絡(luò )覆蓋。

　　4.2　工程優(yōu)化參數

　　應首先調整功控、切換、天饋等參數，因為這些調整便于實(shí)施，而且也能起到一定的效果，具體措施如下：

　　●為加快小區重選的時(shí)間，小區的BA列表中的頻點(diǎn)盡量少做，BS_PA_MFRMS設置在4以下較好;

　　●關(guān)閉高速鐵路沿線(xiàn)基站功率控制功能，滿(mǎn)功率發(fā)射來(lái)減少功率波動(dòng);

　　●為了使移動(dòng)臺可以更快地同步鄰區BCCH，更加準確地獲得鄰區電平值，建議鄰區關(guān)系不要做太多，20個(gè)以下為宜;

　　●打開(kāi)拐角切換等快速切換功能，抑制信號快速衰落造成的影響，同時(shí)對切換參數進(jìn)行調整，調整切換滑動(dòng)窗口，加快切換時(shí)間，并打開(kāi)SDCCH切換功能等;

　　●調整相鄰小區天線(xiàn)的方向角和下傾角，保證有足夠的重疊覆蓋范圍;

　　●調整沿線(xiàn)基站的頻率規劃，盡量選擇一些干凈的頻點(diǎn)，避免BCCH鄰頻干擾造成的解調BSIC困難。

　　4.3　覆蓋方式

　　從§3.3的分析可知道，應保證小區有足夠的覆蓋范圍，對于200 km/h的高速鐵路，建議小區覆蓋范圍應達到1 km，對于400 km/h的高速鐵路，建議小區覆蓋范圍應達到2 km。具體覆蓋方式如下：

　　●當基站遠離鐵路邊時(shí)，可以采用寬波瓣天線(xiàn)，擴大覆蓋范圍，同時(shí)抑制覆蓋邊緣天線(xiàn)增益的快速下降;

　　●當基站位于鐵路邊時(shí)，可以將兩個(gè)小區合并為一個(gè)小區，用功分器連接兩副定向的高增益天線(xiàn)，以擴大覆蓋范圍，同時(shí)減少切換;

　　●使用功放、塔放或MCPA(多載波功率放大器)擴大小區的覆蓋范圍;

　　●使用數字光纖直放站，把射頻信號拉遠，延長(cháng)小區的覆蓋范圍，減少切換，如圖3所示。

　　圖3　光纖拉遠示意

　　圖4　線(xiàn)速度和角速度轉換示意

　　4.4　站點(diǎn)規劃

　　(1)基站站址規劃

　　由圖4可以看到，基站離開(kāi)鐵路邊進(jìn)行覆蓋時(shí)，可以將快速的直線(xiàn)運動(dòng)轉換成相對慢速的角度變化，以此來(lái)降低高速運動(dòng)帶來(lái)的影響。

　　另外，從公式(1)也可看到，當電波傳播方向和物體運動(dòng)方向垂直或有一定角度時(shí)，多普勒頻移會(huì )更小。

　　因此站址規劃時(shí)應離開(kāi)火車(chē)軌道一定的距離，同時(shí)考慮過(guò)遠的距離對覆蓋不利，建議該距離為300～800 m。當有實(shí)際地形影 響時(shí)，如鐵路兩邊有較多的障礙物或山體時(shí)，還是應將基站建在鐵路邊，以保證基站的視線(xiàn)覆蓋，同時(shí)可以將沿著(zhù)鐵路兩個(gè)方向的扇區進(jìn)行功分合并。

　　(2)BSC/MSC區域劃分

　　從§3.3的分析可知道，跨MSC切換要比BSC內切換多花費2 s的時(shí)間，對應200 km/h的高速火車(chē)就是110 m的距離，因此需要合理規劃沿線(xiàn)基站BSC和MSC的劃分，盡量將沿線(xiàn)基站放在同一個(gè)BSC或MSC中，以減少MSC間、BSC間的切換，避免過(guò)長(cháng)的切換時(shí)間對網(wǎng)絡(luò )服務(wù)質(zhì)量造成不利的影響。

　　5、　結束語(yǔ)

　　通過(guò)對已有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò )的一些系統參數、天饋參數的調整以及引入一些新的覆蓋手段，能較好地解決現有高速鐵路帶來(lái)的影響。但隨著(zhù)火車(chē)的進(jìn)一步提速以及在高速火車(chē)上所發(fā)生的話(huà)務(wù)量的增加，帶來(lái)的影響會(huì )越來(lái)越大，建議對沿線(xiàn)區域進(jìn)行統一的站點(diǎn)規劃和調整，包括BSC、MSC區域的劃分，LAC區的劃分等，以更好地解決這個(gè)問(wèn)題。