高速鐵路對GSM網絡帶來的影響及其解決方案

　　1、概述

　　隨著社會經濟的發展，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的一種重要特殊場景。

　　中國已經在上海建設了磁懸浮火車，時速高達431 km/h，而環渤海、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，部分路段出現了脫網、不能正常呼叫和切換以及掉話等現象。如何在高速移動情況下提供良好的網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有GSM網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GSM系統移動臺(MS)與基站收發信臺(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，但幅度會比較小。

　　因此，可以認為目前高速鐵路給GSM網絡帶來的影響中，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

　　移動通信系統需要一定的時間對無線信道資源進行測量、平均、判決、執行等，隨著用戶移動速度的加快，一項流程從發起到完成(如切換、呼叫等)，無線環境往往已經發生了很大的變化，這將給網絡業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表中載頻的數量。按網絡的通常設置，BA表中的載頻就是鄰區的BCCH頻點，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小區和非服務小區的C1和C2參數，如果滿足判決條件，馬上啟動小區重選。MS同步BCCH載頻的最大時延是0.5 s，同步后解調BCCH數據的最大時延是1.9 s，即重選一次小區的最大時延是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，無線環境可能已經發生了很大的變化。如果場強信號急速衰落，則會造成手機脫網?；谶@樣的小區選擇和重選，將影響手機的呼叫。

　　3.2　對MS發起呼叫的影響

　　作者對現網多個完整呼叫進行了統計，從占用上SDCCH(獨立專用控制信道)到成功捕獲TCH(業務信道)，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，如果信號發生快速衰落，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的時間內將移動111 m;如果速度達到400 km/h，那么MS在2 s的時間內將移動222 m。對于這樣一段距離來說，發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，得到的數據如表2所示?？梢钥闯觯S著火車速度的上升，手機出現了脫網的現象，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據

　　3.3　對MS切換的影響

　　GSM規范規定，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，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。對于無法解調BSIC的小區，其信號強度是不會上報的，這樣就會出現一種情況：當服務小區信號強度快速衰落時，鄰小區中雖然信號強度很好，但是由于無法及時解調出BSIC，造成無法切換而掉話。

　　當MS及時上報了6個最佳小區時，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內小區間切換為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BSIC以及MS切換時間內火車移動的距離。

　　表3　解調BSIC以及MS切換時間內火車移動的距離

　　假設火車運行速度為200 km/h，那么一個小區從進入鄰區列表、解調BSIC、測量、觸發切換，到切換完成，至少需要5+4+3=12 s(對于BSC內切換)，火車對應移動的距離是667 m，在這段距離內，服務小區必須保證信號不發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發起呼叫的位置，如果MS在靠近切換帶的區域發起呼叫，為保證呼叫后能順利切換，小區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/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/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

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

　　4.1　網絡選擇

　　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，應優先使用900 MHz網絡進行覆蓋，避免采用1 800 MHz網絡覆蓋。

　　4.2　工程優化參數

　　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間，小區的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，滿功率發射來減少功率波動;

　　●為了使移動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，同時對切換參數進行調整，調整切換滑動窗口，加快切換時間，并打開SDCCH切換功能等;

　　●調整相鄰小區天線的方向角和下傾角，保證有足夠的重疊覆蓋范圍;

　　●調整沿線基站的頻率規劃，盡量選擇一些干凈的頻點，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，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，可以將兩個小區合并為一個小區，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)擴大小區的覆蓋范圍;

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

　　圖3　光纖拉遠示意

　　圖4　線速度和角速度轉換示意

　　4.4　站點規劃

　　(1)基站站址規劃

　　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進行功分合并。

　　(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絡的一些系統參數、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的影響。但隨著火車的進一步提速以及在高速火車上所發生的話務量的增加，帶來的影響會越來越大，建議對沿線區域進行統一的站點規劃和調整，包括BSC、MSC區域的劃分，LAC區的劃分等，以更好地解決這個問題。