高速鐵路對(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)帶來的影響及其解決方案

　　1、概述

　　隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)移動(dòng)通信的要求越來越高，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(xiàn)的一種重要特殊場(chǎng)景。

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

　　在已開通的高速鐵路上測(cè)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(dòng)情況下提供良好的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量成為運(yùn)營商和設(shè)備商當(dāng)前的一個(gè)關(guān)注點(diǎn)。本文從多普勒效應(yīng)、高速移動(dòng)對(duì)呼叫和切換帶來的影響等幾個(gè)方面來討論高速鐵路對(duì)現(xiàn)有GSM網(wǎng)絡(luò)的沖擊以及相應(yīng)的解決方案。

　　2、多普勒頻移

　　當(dāng)終端在運(yùn)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(hào)，接收端的信號(hào)頻率會(huì)發(fā)生變化，稱為多普勒效應(yīng)。多普勒效應(yīng)所引起的頻移稱為多普勒頻移(Doppler shift)，其計(jì)算公式如式(1)所示：

　　其中：

　　θ為終端移動(dòng)方向和信號(hào)傳播方向的角度;

　　υ是終端運(yùn)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)，沒有多普勒頻移。

　　圖1展示了多普勒頻移對(duì)移動(dòng)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(shè)用戶移動(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(duì)移動(dòng)通信系統(tǒng)的影響最大是2fd，因此當(dāng)火車速度達(dá)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(jù)GSM系統(tǒng)移動(dòng)臺(tái)(MS)與基站收發(fā)信臺(tái)(BTS)的調(diào)制性能，667/1333.4 Hz的頻偏，對(duì)于接收機(jī)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(rèn)為目前高速鐵路給GSM網(wǎng)絡(luò)帶來的影響中，多普勒頻移不是主要因素。

　　3、高速移動(dòng)對(duì)呼叫和切換帶來的影響

　　移動(dòng)通信系統(tǒng)需要一定的時(shí)間對(duì)無線信道資源進(jìn)行測(cè)量、平均、判決、執(zhí)行等，隨著用戶移動(dòng)速度的加快，一項(xiàng)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(luò)業(yè)務(wù)的正常進(jìn)行帶來一些新的問題。

　　下面分析高速移動(dòng)對(duì)空閑、呼叫、切換模式下的MS的影響。

　　3.1　對(duì)在空閑模式下的MS的影響

　　在空閑模式下，MS會(huì)連續(xù)監(jiān)測(cè)BA(BCCH(廣播控制信道)分配)表中所有載頻的電平情況，對(duì)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(shù)量。按網(wǎng)絡(luò)的通常設(shè)置，BA表中的載頻就是鄰區(qū)的BCCH頻點(diǎn)，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(fù)載，本處取中間值6?？捎?jì)算得出最大的平均處理時(shí)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(jì)算并判斷一次服務(wù)小區(qū)和非服務(wù)小區(qū)的C1和C2參數(shù)，如果滿足判決條件，馬上啟動(dòng)小區(qū)重選。MS同步BCCH載頻的最大時(shí)延是0.5 s，同步后解調(diào)BCCH數(shù)據(jù)的最大時(shí)延是1.9 s，即重選一次小區(qū)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(dāng)火車速度為200 km/h時(shí)，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(chǎng)強(qiáng)信號(hào)急速衰落，則會(huì)造成手機(jī)脫網(wǎng)?；谶@樣的小區(qū)選擇和重選，將影響手機(jī)的呼叫。

　　3.2　對(duì)MS發(fā)起呼叫的影響

　　作者對(duì)現(xiàn)網(wǎng)多個(gè)完整呼叫進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，從占用上SDCCH(獨(dú)立專用控制信道)到成功捕獲TCH(業(yè)務(wù)信道)，呼叫建立時(shí)長(zhǎng)平均為2 s左右(從振鈴到接聽由于受用戶行為影響，時(shí)間波動(dòng)較大，這段時(shí)間不予考慮)。在此時(shí)間內(nèi)，如果信號(hào)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(shí)間內(nèi)將移動(dòng)111 m;如果速度達(dá)到400 km/h，那么MS在2 s的時(shí)間內(nèi)將移動(dòng)222 m。對(duì)于這樣一段距離來說，發(fā)生信號(hào)快衰落的可能性是存在的。

　　在某列高速火車上進(jìn)行測(cè)試，得到的數(shù)據(jù)如表2所示。可以看出，隨著火車速度的上升，手機(jī)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(cè)試得到的數(shù)據(jù)

　　3.3　對(duì)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(gè)SACCH(緩慢相關(guān)控制信道)信息時(shí)間)，向BTS上報(bào)一次6個(gè)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(shí)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(duì)于無法解調(diào)BSIC的小區(qū)，其信號(hào)強(qiáng)度是不會(huì)上報(bào)的，這樣就會(huì)出現(xiàn)一種情況：當(dāng)服務(wù)小區(qū)信號(hào)強(qiáng)度快速衰落時(shí)，鄰小區(qū)中雖然信號(hào)強(qiáng)度很好，但是由于無法及時(shí)解調(diào)出BSIC，造成無法切換而掉話。

　　當(dāng)MS及時(shí)上報(bào)了6個(gè)最佳小區(qū)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(shè)置的切換類型、切換參數(shù)有關(guān)，4 s為快速切換時(shí)的一個(gè)均值)。

　　通過對(duì)100個(gè)切換消息的跟蹤分析，從切換請(qǐng)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(shí)間為3 s。因此從測(cè)量、判決到完成切換，這段時(shí)間的典型值是BSC內(nèi)小區(qū)間切換為7 s，對(duì)于跨MSC的切換，這個(gè)時(shí)間將達(dá)到9 s。表3列出了解調(diào)BSIC以及MS切換時(shí)間內(nèi)火車移動(dòng)的距離。

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

　　假設(shè)火車運(yùn)行速度為200 km/h，那么一個(gè)小區(qū)從進(jìn)入鄰區(qū)列表、解調(diào)BSIC、測(cè)量、觸發(fā)切換，到切換完成，至少需要5+4+3=12 s(對(duì)于BSC內(nèi)切換)，火車對(duì)應(yīng)移動(dòng)的距離是667 m，在這段距離內(nèi)，服務(wù)小區(qū)必須保證信號(hào)不發(fā)生快速衰落導(dǎo)致掉話，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(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(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(duì)于速度為200 km/h的火車，BSC內(nèi)/跨MSC的切換所對(duì)應(yīng)的最小覆蓋距離分別是667+111=778 m和778+111=889 m;對(duì)于速度為400 km/h的火車，BSC內(nèi)/跨MSC的切換所對(duì)應(yīng)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(duì)GSM網(wǎng)絡(luò)的影響主要是由于速度過快，在GSM網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行各種測(cè)量、判決、執(zhí)行的時(shí)間里無線環(huán)境已發(fā)生很大變化，因此解決時(shí)可以從擴(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍，延長(zhǎng)小區(qū)的駐留時(shí)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(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，穿透損耗遠(yuǎn)超過普通的火車。從減小這兩方面的影響考慮，應(yīng)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(shù)

　　應(yīng)首先調(diào)整功控、切換、天饋等參數(shù)，因?yàn)檫@些調(diào)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(qū)重選的時(shí)間，小區(qū)的BA列表中的頻點(diǎn)盡量少做，BS_PA_MFRMS設(shè)置在4以下較好;

　　●關(guān)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(dòng);

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

　　●打開拐角切換等快速切換功能，抑制信號(hào)快速衰落造成的影響，同時(shí)對(duì)切換參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整切換滑動(dòng)窗口，加快切換時(shí)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(diǎn)，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(yīng)保證小區(qū)有足夠的覆蓋范圍，對(duì)于200 km/h的高速鐵路，建議小區(qū)覆蓋范圍應(yīng)達(dá)到1 km，對(duì)于400 km/h的高速鐵路，建議小區(qū)覆蓋范圍應(yīng)達(dá)到2 km。具體覆蓋方式如下：

　　●當(dāng)基站遠(yuǎn)離鐵路邊時(shí)，可以采用寬波瓣天線，擴(kuò)大覆蓋范圍，同時(shí)抑制覆蓋邊緣天線增益的快速下降;

　　●當(dāng)基站位于鐵路邊時(shí)，可以將兩個(gè)小區(qū)合并為一個(gè)小區(qū)，用功分器連接兩副定向的高增益天線，以擴(kuò)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(kuò)大小區(qū)的覆蓋范圍;

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

　　圖3　光纖拉遠(yuǎn)示意

　　圖4　線速度和角速度轉(zhuǎn)換示意

　　4.4　站點(diǎn)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(jìn)行覆蓋時(shí)，可以將快速的直線運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成相對(duì)慢速的角度變化，以此來降低高速運(yùn)動(dòng)帶來的影響。

　　另外，從公式(1)也可看到，當(dāng)電波傳播方向和物體運(yùn)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(guī)劃時(shí)應(yīng)離開火車軌道一定的距離，同時(shí)考慮過遠(yuǎn)的距離對(duì)覆蓋不利，建議該距離為300～800 m。當(dāng)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(yīng)將基站建在鐵路邊，以保證基站的視線覆蓋，同時(shí)可以將沿著鐵路兩個(gè)方向的扇區(qū)進(jìn)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(fèi)2 s的時(shí)間，對(duì)應(yīng)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(gè)BSC或MSC中，以減少M(fèi)SC間、BSC間的切換，避免過長(zhǎng)的切換時(shí)間對(duì)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量造成不利的影響。

　　5、　結(jié)束語

　　通過對(duì)已有移動(dòng)通信網(wǎng)絡(luò)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(jìn)一步提速以及在高速火車上所發(fā)生的話務(wù)量的增加，帶來的影響會(huì)越來越大，建議對(duì)沿線區(qū)域進(jìn)行統(tǒng)一的站點(diǎn)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(gè)問題。