高速鐵路對GSM網(wǎng)絡帶來的影響及其解決方案

　　1、概述

　　隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，人們對移動通信的要求越來越高，在一些特殊場景下也需要很高的通信質量。高速鐵路就是新出現(xiàn)的一種重要特殊場景。

　　中國已經(jīng)在上海建設了磁懸浮火車，時速高達431 km/h，而環(huán)渤海、長三角、珠三角等各大城市間的城際鐵路時速也將達到200～300 km/h。

　　在已開通的高速鐵路上測試顯示，部分路段出現(xiàn)了脫網(wǎng)、不能正常呼叫和切換以及掉話等現(xiàn)象。如何在高速移動情況下提供良好的網(wǎng)絡服務質量成為運營商和設備商當前的一個關注點。本文從多普勒效應、高速移動對呼叫和切換帶來的影響等幾個方面來討論高速鐵路對現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡的沖擊以及相應的解決方案。

　　2、多普勒頻移

　　當終端在運動中通信時，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發(fā)生變化，稱為多普勒效應。多普勒效應所引起的頻移稱為多普勒頻移(Doppler shift)，其計算公式如式(1)所示：

　　其中：

　　θ為終端移動方向和信號傳播方向的角度;

　　υ是終端運動速度;

　　C為電磁波傳播速度;

　　f為載波頻率。

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

　　圖1展示了多普勒頻移對移動通信系統(tǒng)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(即假設用戶移動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通信系統(tǒng)的影響最大是2fd，因此當火車速度達到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)。

　　根據(jù)GSM系統(tǒng)移動臺(MS)與基站收發(fā)信臺(BTS)的調(diào)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，但幅度會比較小。

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

　　3、高速移動對呼叫和切換帶來的影響

　　移動通信系統(tǒng)需要一定的時間對無線信道資源進行測量、平均、判決、執(zhí)行等，隨著用戶移動速度的加快，一項流程從發(fā)起到完成(如切換、呼叫等)，無線環(huán)境往往已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，這將給網(wǎng)絡業(yè)務的正常進行帶來一些新的問題。

　　下面分析高速移動對空閑、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會連續(xù)監(jiān)測BA(BCCH(廣播控制信道)分配)表中所有載頻的電平情況，對電平進行平均處理的時間是：Max{5，(5×N+6)div 7)×BS_PA_MFRMS/4}。

　　其中，N是BA表中載頻的數(shù)量。按網(wǎng)絡的通常設置，BA表中的載頻就是鄰區(qū)的BCCH頻點，因此N的最大值是32。BS_PA_MFRMS表示小區(qū)中的尋呼信道被分配成的尋呼子信道數(shù)，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延為34.5 s。

　　按照小區(qū)選擇和重選的規(guī)定，MS至少每隔5 s計算并判斷一次服務小區(qū)和非服務小區(qū)的C1和C2參數(shù)，如果滿足判決條件，馬上啟動小區(qū)重選。MS同步BCCH載頻的最大時延是0.5 s，同步后解調(diào)BCCH數(shù)據(jù)的最大時延是1.9 s，即重選一次小區(qū)的最大時延是7.4 s。

　　BA表中頻率電平更新一次的時間是34.5 s左右，那么在這期間，當火車速度為200 km/h時，火車通過的距離接近2 km，無線環(huán)境可能已經(jīng)發(fā)生了很大的變化。如果場強信號急速衰落，則會造成手機脫網(wǎng)?；谶@樣的小區(qū)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(xiàn)網(wǎng)多個完整呼叫進行了統(tǒng)計，從占用上SDCCH(獨立專用控制信道)到成功捕獲TCH(業(yè)務信道)，呼叫建立時長平均為2 s左右(從振鈴到接聽由于受用戶行為影響，時間波動較大，這段時間不予考慮)。在此時間內(nèi)，如果信號發(fā)生快速衰落，那么本次呼叫將失敗。

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

　　在某列高速火車上進行測試，得到的數(shù)據(jù)如表2所示?？梢钥闯?，隨著火車速度的上升，手機出現(xiàn)了脫網(wǎng)的現(xiàn)象，而呼叫的成功率也逐步下降。

　　表2　在某列高速火車上測試得到的數(shù)據(jù)

　　3.3　對MS切換的影響

　　GSM規(guī)范規(guī)定，通話模式下，MS每隔480 ms(1個SACCH(緩慢相關控制信道)信息時間)，向BTS上報一次6個最佳鄰小區(qū)，至少 每隔10 s解調(diào)1次小區(qū)列表中的BSIC(基站識別碼)，如果是新出現(xiàn)在小區(qū)列表中的小區(qū)，則需在5 s內(nèi)解調(diào)BSIC。對于無法解調(diào)BSIC的小區(qū)，其信號強度是不會上報的，這樣就會出現(xiàn)一種情況：當服務小區(qū)信號強度快速衰落時，鄰小區(qū)中雖然信號強度很好，但是由于無法及時解調(diào)出BSIC，造成無法切換而掉話。

　　當MS及時上報了6個最佳小區(qū)時，基站判斷是否需要進行切換需要一定的時間，這個時間一般都大于4 s(該值和設置的切換類型、切換參數(shù)有關，4 s為快速切換時的一個均值)。

　　通過對100個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(qū)資源，跨MSC切換一般需要5 s，BSC內(nèi)小區(qū)間切換時間為3 s。因此從測量、判決到完成切換，這段時間的典型值是BSC內(nèi)小區(qū)間切換為7 s，對于跨MSC的切換，這個時間將達到9 s。表3列出了解調(diào)BSIC以及MS切換時間內(nèi)火車移動的距離。

　　表3　解調(diào)BSIC以及MS切換時間內(nèi)火車移動的距離

　　假設火車運行速度為200 km/h，那么一個小區(qū)從進入鄰區(qū)列表、解調(diào)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(nèi)切換)，火車對應移動的距離是667 m，在這段距離內(nèi)，服務小區(qū)必須保證信號不發(fā)生快速衰落導致掉話，則電平值需不低于-95 dBm，才能保證呼叫的正常進行。

　　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(qū)域發(fā)起呼叫，為保證呼叫后能順利切換，小區(qū)存在一個覆蓋的最小值，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，BSC內(nèi)/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，BSC內(nèi)/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(qū)的最小覆蓋范圍

　　4、解決方案

　　從以上的分析來看，高速鐵路對GSM網(wǎng)絡的影響主要是由于速度過快，在GSM網(wǎng)絡進行各種測量、判決、執(zhí)行的時間里無線環(huán)境已發(fā)生很大變化，因此解決時可以從擴大小區(qū)的覆蓋范圍，延長小區(qū)的駐留時間，增大相鄰小區(qū)的重疊覆蓋范圍入手，具體著手的方向如下。

　　4.1　網(wǎng)絡選擇

　　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，穿透損耗遠超過普通的火車。從減小這兩方面的影響考慮，應優(yōu)先使用900 MHz網(wǎng)絡進行覆蓋，避免采用1 800 MHz網(wǎng)絡覆蓋。

　　4.2　工程優(yōu)化參數(shù)

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

　　●為加快小區(qū)重選的時間，小區(qū)的BA列表中的頻點盡量少做，BS_PA_MFRMS設置在4以下較好;

　　●關閉高速鐵路沿線基站功率控制功能，滿功率發(fā)射來減少功率波動;

　　●為了使移動臺可以更快地同步鄰區(qū)BCCH，更加準確地獲得鄰區(qū)電平值，建議鄰區(qū)關系不要做太多，20個以下為宜;

　　●打開拐角切換等快速切換功能，抑制信號快速衰落造成的影響，同時對切換參數(shù)進行調(diào)整，調(diào)整切換滑動窗口，加快切換時間，并打開SDCCH切換功能等;

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

　　●調(diào)整沿線基站的頻率規(guī)劃，盡量選擇一些干凈的頻點，避免BCCH鄰頻干擾造成的解調(diào)BSIC困難。

　　4.3　覆蓋方式

　　從§3.3的分析可知道，應保證小區(qū)有足夠的覆蓋范圍，對于200 km/h的高速鐵路，建議小區(qū)覆蓋范圍應達到1 km，對于400 km/h的高速鐵路，建議小區(qū)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，可以采用寬波瓣天線，擴大覆蓋范圍，同時抑制覆蓋邊緣天線增益的快速下降;

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

　　●使用功放、塔放或MCPA(多載波功率放大器)擴大小區(qū)的覆蓋范圍;

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

　　圖3　光纖拉遠示意

　　圖4　線速度和角速度轉換示意

　　4.4　站點規(guī)劃

　　(1)基站站址規(guī)劃

　　由圖4可以看到，基站離開鐵路邊進行覆蓋時，可以將快速的直線運動轉換成相對慢速的角度變化，以此來降低高速運動帶來的影響。

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

　　因此站址規(guī)劃時應離開火車軌道一定的距離，同時考慮過遠的距離對覆蓋不利，建議該距離為300～800 m。當有實際地形影 響時，如鐵路兩邊有較多的障礙物或山體時，還是應將基站建在鐵路邊，以保證基站的視線覆蓋，同時可以將沿著鐵路兩個方向的扇區(qū)進行功分合并。

　　(2)BSC/MSC區(qū)域劃分

　　從§3.3的分析可知道，跨MSC切換要比BSC內(nèi)切換多花費2 s的時間，對應200 km/h的高速火車就是110 m的距離，因此需要合理規(guī)劃沿線基站BSC和MSC的劃分，盡量將沿線基站放在同一個BSC或MSC中，以減少MSC間、BSC間的切換，避免過長的切換時間對網(wǎng)絡服務質量造成不利的影響。

　　5、　結束語

　　通過對已有移動通信網(wǎng)絡的一些系統(tǒng)參數(shù)、天饋參數(shù)的調(diào)整以及引入一些新的覆蓋手段，能較好地解決現(xiàn)有高速鐵路帶來的影響。但隨著火車的進一步提速以及在高速火車上所發(fā)生的話務量的增加，帶來的影響會越來越大，建議對沿線區(qū)域進行統(tǒng)一的站點規(guī)劃和調(diào)整，包括BSC、MSC區(qū)域的劃分，LAC區(qū)的劃分等，以更好地解決這個問題。