高速铁路对GSM网络带来的影响及其解决方案

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摘要　铁路的提速和城际高速铁路的建设，对现有移动通信网络产生了一定的影响。本文从理论和实际工程上分析了高速铁路对GSM网络的影响，并给出了相关的解决方案。
1、概述
随着社会经济的发展，人们对移动通信的要求越来越高，在一些特殊场景下也需要很高的通信质量。高速铁路就是新出现的一种重要特殊场景。
中国已经在上海建设了磁悬浮火车，时速高达431 km/h，而环渤海、长三角、珠三角等各大城市间的城际铁路时速也将达到200～300 km/h。
在已开通的高速铁路上测试显示，部分路段出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象。如何在高速移动情况下提供良好的网络服务质量成为运营商和设备商当前的一个关注点。本文从多普勒效应、高速移动对呼叫和切换带来的影响等几个方面来讨论高速铁路对现有GSM网络的冲击以及相应的解决方案。
2、多普勒频移
当终端在运动中通信时，特别是在高速情况下，终端和基站都有直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移（Doppler shift），其计算公式如式（1）所示：

（1）

其中：
θ为终端移动方向和信号传播方向的角度；
υ是终端运动速度；
C为电磁波传播速度；
f为载波频率。
从公式（1）可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大；完全垂直时，没有多普勒频移。
图1展示了多普勒频移对移动通信系统的影响，其中fo是中心频率，fd为多普勒频移。

图1　多普勒频移的影响

表1为典型情况下的最大多普勒频移（即假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即θ=0）。

表1　典型情况下的最大多普勒频移

由于多普勒频移对移动通信系统的影响最大是2fd，因此当火车速度达到400 km/h，频移的最大影响是667/1333.4 Hz（中心频率为900 MHz/1800 MHz时）。
根据GSM系统移动台（MS）与基站收发信台（BTS）的调制性能，667/1333.4 Hz的频偏，对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低接收的灵敏度，但幅度会比较小。
因此，可以认为目前高速铁路给GSM网络带来的影响中，多普勒频移不是主要因素。

3、高速移动对呼叫和切换带来的影响
移动通信系统需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等，随着用户移动速度的加快，一项流程从发起到完成（如切换、呼叫等），无线环境往往已经发生了很大的变化，这将给网络业务的正常进行带来一些新的问题。
下面分析高速移动对空闲、呼叫、切换模式下的MS的影响。
3.1　对在空闲模式下的MS的影响
在空闲模式下，MS会连续监测BA（BCCH（广播控制信道）分配）表中所有载频的电平情况，对电平进行平均处理的时间是：Max{5，(5×N+6)div 7)×BS_PA_MFRMS/4}。
其中，N是BA表中载频的数量。按网络的通常设置，BA表中的载频就是邻区的BCCH频点，因此N的最大值是32。BS_PA_MFRMS表示小区中的寻呼信道被分配成的寻呼子信道数，取值范围为2～9，该值的大小取决于寻呼负载，本处取中间值6。可计算得出最大的平均处理时延为34.5 s。
按照小区选择和重选的规定，MS至少每隔5 s计算并判断一次服务小区和非服务小区的C1和C2参数，如果满足判决条件，马上启动小区重选。MS同步BCCH载频的最大时延是0.5 s，同步后解调BCCH数据的最大时延是1.9 s，即重选一次小区的最大时延是7.4 s。
BA表中频率电平更新一次的时间是34.5 s左右，那么在这期间，当火车速度为200 km/h时，火车通过的距离接近2 km，无线环境可能已经发生了很大的变化。如果场强信号急速衰落，则会造成手机脱网。基于这样的小区选择和重选，将影响手机的呼叫。
3.2　对MS发起呼叫的影响
作者对现网多个完整呼叫进行了统计，从占用上SDCCH（独立专用控制信道）到成功捕获TCH（业务信道），呼叫建立时长平均为2 s左右（从振铃到接听由于受用户行为影响，时间波动较大，这段时间不予考虑）。在此时间内，如果信号发生快速衰落，那么本次呼叫将失败。
如果火车速度为200 km/h，那么MS在2 s的时间内将移动111 m；如果速度达到400 km/h，那么MS在2 s的时间内将移动222 m。对于这样一段距离来说，发生信号快衰落的可能性是存在的。
在某列高速火车上进行测试，得到的数据如表2所示。可以看出，随着火车速度的上升，手机出现了脱网的现象，而呼叫的成功率也逐步下降。

表2　在某列高速火车上测试得到的数据

3.3　对MS切换的影响
GSM规范规定，通话模式下，MS每隔480 ms（1个SACCH（缓慢相关控制信道）信息时间），向BTS上报一次6个最佳邻小区，至少每隔10 s解调1次小区列表中的BSIC（基站识别码），如果是新出现在小区列表中的小区，则需在5 s内解调BSIC。对于无法解调BSIC的小区，其信号强度是不会上报的，这样就会出现一种情况：当服务小区信号强度快速衰落时，邻小区中虽然信号强度很好，但是由于无法及时解调出BSIC，造成无法切换而掉话。
当MS及时上报了6个最佳小区时，基站判断是否需要进行切换需要一定的时间，这个时间一般都大于4 s（该值和设置的切换类型、切换参数有关，4 s为快速切换时的一个均值）。
通过对100个切换消息的跟踪分析，从切换请求发起到切换完成释放源小区资源，跨MSC切换一般需要5 s，BSC内小区间切换时间为3 s。因此从测量、判决到完成切换，这段时间的典型值是BSC内小区间切换为7 s，对于跨MSC的切换，这个时间将达到9 s。表3列出了解调BSIC以及MS切换时间内火车移动的距离。

表3　解调BSIC以及MS切换时间内火车移动的距离

假设火车运行速度为200 km/h，那么一个小区从进入邻区列表、解调BSIC、测量、触发切换，到切换完成，至少需要5+4+3=12 s（对于BSC内切换），火车对应移动的距离是667 m，在这段距离内，服务小区必须保证信号不发生快速衰落导致掉话，则电平值需不低于-95 dBm，才能保证呼叫的正常进行。
  

  
还需要考虑MS发起呼叫的位置，如果MS在靠近切换带的区域发起呼叫，为保证呼叫后能顺利切换，小区存在一个覆盖的最小值，就是完成呼叫建立以及切换所需要的距离。对于速度为200 km/h的火车，BSC内/跨MSC的切换所对应的最小覆盖距离分别是667+111=778 m和778+111=889 m；对于速度为400 km/h的火车，BSC内/跨MSC的切换所对应的最小覆盖距离分别是1333+222=1556 m和1555+222=1777 m，如图2所示。

图2　呼叫建立+切换的情况下小区的最小覆盖范围

4、解决方案
从以上的分析来看，高速铁路对GSM网络的影响主要是由于速度过快，在GSM网络进行各种测量、判决、执行的时间里无线环境已发生很大变化，因此解决时可以从扩大小区的覆盖范围，延长小区的驻留时间，增大相邻小区的重叠覆盖范围入手，具体着手的方向如下。
4.1　网络选择
从公式（1）可以看到，频段越高，多普勒频移越大，而且高速铁路采用了全封闭式的火车，穿透损耗远超过普通的火车。从减小这两方面的影响考虑，应优先使用900 MHz网络进行覆盖，避免采用1 800 MHz网络覆盖。
4.2　工程优化参数
应首先调整功控、切换、天馈等参数，因为这些调整便于实施，而且也能起到一定的效果，具体措施如下：
●为加快小区重选的时间，小区的BA列表中的频点尽量少做，BS_PA_MFRMS设置在4以下较好；
●关闭高速铁路沿线基站功率控制功能，满功率发射来减少功率波动；
●为了使移动台可以更快地同步邻区BCCH，更加准确地获得邻区电平值，建议邻区关系不要做太多，20个以下为宜；
●打开拐角切换等快速切换功能，抑制信号快速衰落造成的影响，同时对切换参数进行调整，调整切换滑动窗口，加快切换时间，并打开SDCCH切换功能等；
●调整相邻小区天线的方向角和下倾角，保证有足够的重叠覆盖范围；
●调整沿线基站的频率规划，尽量选择一些干净的频点，避免BCCH邻频干扰造成的解调BSIC困难。
4.3　覆盖方式
从§3.3的分析可知道，应保证小区有足够的覆盖范围，对于200 km/h的高速铁路，建议小区覆盖范围应达到1 km，对于400 km/h的高速铁路，建议小区覆盖范围应达到2 km。具体覆盖方式如下：
●当基站远离铁路边时，可以采用宽波瓣天线，扩大覆盖范围，同时抑制覆盖边缘天线增益的快速下降；
●当基站位于铁路边时，可以将两个小区合并为一个小区，用功分器连接两副定向的高增益天线，以扩大覆盖范围，同时减少切换；
●使用功放、塔放或MCPA（多载波功率放大器）扩大小区的覆盖范围；
●使用数字光纤直放站，把射频信号拉远，延长小区的覆盖范围，减少切换，如图3所示。

图3　光纤拉远示意

图4　线速度和角速度转换示意

4.4　站点规划
（1）基站站址规划
由图4可以看到，基站离开铁路边进行覆盖时，可以将快速的直线运动转换成相对慢速的角度变化，以此来降低高速运动带来的影响。
另外，从公式（1）也可看到，当电波传播方向和物体运动方向垂直或有一定角度时，多普勒频移会更小。
因此站址规划时应离开火车轨道一定的距离，同时考虑过远的距离对覆盖不利，建议该距离为300～800 m。当有实际地形影响时，如铁路两边有较多的障碍物或山体时，还是应将基站建在铁路边，以保证基站的视线覆盖，同时可以将沿着铁路两个方向的扇区进行功分合并。
（2）BSC/MSC区域划分
从§3.3的分析可知道，跨MSC切换要比BSC内切换多花费2 s的时间，对应200 km/h的高速火车就是110 m的距离，因此需要合理规划沿线基站BSC和MSC的划分，尽量将沿线基站放在同一个BSC或MSC中，以减少MSC间、BSC间的切换，避免过长的切换时间对网络服务质量造成不利的影响。
5、　结束语
通过对已有移动通信网络的一些系统参数、天馈参数的调整以及引入一些新的覆盖手段，能较好地解决现有高速铁路带来的影响。但随着火车的进一步提速以及在高速火车上所发生的话务量的增加，带来的影响会越来越大，建议对沿线区域进行统一的站点规划和调整，包括BSC、MSC区域的划分，LAC区的划分等，以更好地解决这个问题。