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京津城际高速铁路GSM网无线网络覆盖专题报告李宁（中国联通天津分公司）摘要：文章针对时速高达350公里/小时的京津城际高铁提出了GSM无线网络建设的背景及其意义；介绍了三种建设组网方案模式；针对天津联通GSM网现网覆盖情况提出了规划方案。关键词：高速铁路GSM网络规划1.项目建设背景1.1京津高铁简介北京、天津是我国的直辖市和特大城市，随着京津铁路客运量剧增，年客流量已达到2555万人次，预测2008年客流量将达到3200万人次，2015年将达到5400万人次。京津之间交通已成为制约两地经济社会协调发展的瓶颈，为此，按照国家中长期铁路网规划，国务院批准建设京津城际铁路客运专线。目前京津城际铁路已进入运营阶段，时速高达350公里/小时。京津高铁目前全天开通47对、发车间隔15分钟，客流量非常大。1.2移动通信情况在高速情况下手机用户进行通信时，由于受到高速移动过程中的快衰落、多普勒效应、列车材质对无线信号衰减以及无主力覆盖小区等影响，往往容易发生切换混乱、无法接通及掉话等现象。另外，铁路沿线涉及的位置区过多，在LAC边界处又会由于大量位置更新而造成SDCCH溢出。因此，必须通过在京津高铁沿线新建小区，加强京津城际高速铁路沿线覆盖来解决上述问题，提高通信质量。1.3高铁车体介绍CRH全称为“中国高速铁路列车”，CRH是（ChinaRailwayHigh-speed）英文字母的缩写。该列车分为CRH1、CRH2、CRH3和CRH5这4个种类，其中CRH1、2、5均为200公里级别（营运速度200KM/h，最高速度250KM/h）。CRH3为300公里级别（营运速度330KM/h，最高速度380KM/h）。而CRH2具有提升至300KM/h级别的能力。CRH列车采用密闭式厢体设计，增大了车体损耗。各种类型的CRH列车具有不同的穿透损耗，目前京津高铁采用的是CRH3型列车，车体损耗约10dB。各车型穿透损耗对照表车型普通车厢（dB）卧铺车厢（dB）综合考虑的衰减值T型列车12－12K型列车131414CRH1列车（庞巴迪列车）24－24CRH2列车12－12CRH3列车10102.无线覆盖主要问题2.1.多普勒效应当电磁波发射源与接收器发生相对运动的时候，会导致所接收到的传播频率发生改变。当运动速度达到一定阀值时，将会引起传输频率的明显改变，这称之为多普勒频移。公式如下所示：fd=△Φ/(2π*△t)=(υ/λ)*cosθ上述公式将多普勒频移与移动速度以及移动方向角和电波到达空间夹角联系起来。如果移动方向为与电波到达方向相同，多普勒频移为正，则接收的频率明显增大；反之则会频移为负。2.2.多经衰落根据信道特性变化率相对于信道传输率变化快慢，信道可以划分为快速衰落以及慢速衰落，这里我们将主要讨论快速衰落。随着MS的快速移动，不同相位和幅度的信号的叠加而导致的接收信号波动将更大。该快速衰落有时可以使信号强度在半个波长的周期里下降达30dB。在移动环境中的快速衰落统计可以参考瑞利分布。在快衰落信道中，信道脉冲响在传输信号周期里快速变化。这样便导致了多普勒传播引起的频散（也称为时间选择性衰减），使得信号失真。在GSM里，为了保证一个良好的话音质量，我们需要保证处理的多径信号最好是在15us之内，否则将会被系统处理成干扰信号。对于多径衰落和多普勒效应并不能孤立的分开分析，在GSM规范中，均衡补偿只涉及了250公里/小时下农村、城市地区和丘陵地形的衰减。但随着速度的增快，对于信号的处理提出了更高的要求。下图显示了多径衰落和多普勒效应所造成信号电平的急剧变化。信号的解码处理需要通过增强的信号处理、高性能的解调来完成，其中的关键部件是高性能均衡器。在GSM-R规范中通过改进的均衡算法以及硬件指标提升，基站可以处理到500km/h的高速情况。对于MS而言，由于与基站同步的原因，所以系统能否支持高速运动MS，主要取决于基站系统。2.3.时间提前量根据GSM规范定义，对于高速运动的MS，评估信号的延迟滞后值时误差必须小于一个symbol周期，即1/4比特，通过计算可以得出，目前的高速情况所引起的TA测量误差值在标准的允许值范围内。2.4.切换问题对于高速移动物体而言，高速的移动会造成小区之间的快速切换。350公里/小时的最大列车运行速度就是每秒移动97米，以目前天津的小区密度来说，这样磁悬浮列车经过沿途几百米覆盖范围的小区就只有短短数秒。原有的切换区域，小区距离就不适合了，所以切换区域的长度需要仔细地规划，否则会对通信造成难以预计的困难，具体表现为切换容易失败，同时由于原小区信号快速衰落，造成信号急剧恶化，引起掉话。在高速铁路场景下，双频小区之间的相对移动使双频之间的相对频偏更大，直接影响双频小区间的切换性能，所以，要尽量避免高速场景下双频网间的切换。相邻小区间必须有足够的重叠长度保证高速条件下切换的安全进行。信号检测时间，测量值平均时间、切换执行时间和安全冗余量都必须考虑，希望在自由空间传播条件下重叠区域的设置能够确保切换成功；允许第一次切换失败后，系统有充足的时间尝试第二次切换。需要注意在重叠区域内两个小区的电平都应该比所需的最小接收电平大。切换用小区所需重叠区域和最大速度以及成功切换处理所需时间有关。homin=Vmax×Tho=350km/h×7s=680mOverlap2xhomin所以必须保证高速路段的站间理想重叠覆盖区域至少为1400米，由于实际的电平衰减传播并不理想，所以实际要求的重叠区域更大，相应的站间距也有要求2.5.Idle模式分析小区选择/重选：高速移动物体同样对小区选择/重选提出了较高的要求。MS要对每一个邻近小区的BCCH载频的信号强度进行连续测量。当发现新的小区发出的BCCH载频信号强度优于原小区时，MS将锁定于这个新的小区，并继续接收广播消息及可能发给它的寻呼消息，直到它移向另一小区。由于MS要不断监听周围的邻小区，邻小区的电平值随MS位置的变化快速变动，杂乱的小区覆盖，电平值的急剧变化会使手机在尚未搜索到正确的相邻小区时，已经连续经过几个小区，造成暂时脱网，有时候的表现将是连续不断重选。位置区更新：高速铁路如果经过多个LAC区域，当手机经过边界时，所有的车内移动用户将发生位置区更新。根据以前的地铁经验，如果许多用户同时跨越LAC区的边界，那么将出现SDCCH的拥塞，造成位置更新失败，造成的现象就是用户脱网并进入“搜索网络”状态。3.建设组网方案模式针对上述无线覆盖主要问题，有以下几种模式解决网络覆盖问题。3.1.宏基站专网覆盖模式考虑到350公里/小时的列车最大速度对应的是每秒97米的移动速度，只有通过合理的小区规划才能得到满意的覆盖效果。网络规划期间，切换参数、切换重叠区域的长度，沿途传播都需要仔细规划。此外，由于对同一基站不同方向的小区而言，彼此的重叠区域只是依靠尾瓣覆盖的小块区域，所以我们并不希望切换发生在基站处。另外，我们还应该在沿线尽可能减少切换数以保证系统的最好性能。所以，在专网覆盖中我们提出复合小区概念。该概念是每个基站使用两个定向天线，每个天线分别指向不同覆盖方向。两个天线由一个功分器连接并且连到基站内同一个发射机上，这样一个基站的两个天线统属同一个小区。该方案减少了沿线的切换次数，并且避免了切换在基站位置的切换。专网覆盖沿途分层覆盖，LAC不同，独立BSC。方案如下：沿途高速铁路小区和周围小区不做切换关系，不做相邻关系。沿途高速铁路小区只和相邻TR小区做切换及相邻关系。沿途高速铁路小区CBQ设为1（低优先级）。通过车站小区确保旅客进出分层网络。沿途过程中，车内手机开机并不能切入专网覆盖小区，只能通过普通沿途小区覆盖。3.2.射频拉远专网覆盖模式1）采用沿铁路线专门组网的覆盖思路，将铁路列车考虑为一个话务流动用户群，为其提供一条服务质量良好的专用覆盖通道，用户群从车站出发，直至抵达目的站，用户都附着在专用覆盖网络上，发生的话务/数据流也都为专用通道吸纳，到达火车站后，重选/切换至车站或周边小区，实现为用户提供优质铁路覆盖服务。2）对于GSM网络，不仅仅要解决列车内的弱信号覆盖问题，还要解决覆盖高铁的小区间的切换问题，必须保证两相邻小区之间有足够的重叠覆盖区域完成两小区间的切换；减少铁路沿线小区位置更新的数量3）减少高速运行列车上的小区切换，尽可能延长单小区的覆盖距离，采用基站+射频拉远单元的组网方式；4）射频拉远系统简介GSM网络的基站覆盖距离取决于时间提前量TA，基站TA数值：0～631个TA＝3.69µsGSM规范中最大时延为233µs，单向允许最大时延为233/2=116.5us又因为光纤传输时延约为无线空间时延的1.5倍，因此，可允许最大传输光程为116.5*300/1.5=23.3Km。由于信号在通过射频拉远设备时，会产生14µs的时延。拉远设备允许传输光程为（116.5-14）*300/1.5=20.5Km拉远设备覆盖半径计算公式：……射频拉远基站2………………射频拉远基站1射频拉远基站2基站1基站3基站4…………拉远设备最大覆盖半径＝(116.5-14-(光纤实际传输距离*1.5)/300)*300m覆盖范围数据表：传输距离覆盖半径范围20公里0.75公里19公里2.25公里18公里3.75公里17公里5.25公里16公里6.75公里15公里8.25公里14公里9.75公里由此可见，基站单向最大传输拉远距离可达19公里，双向可达38Km。单小区拉远距离除了TA限制外，还受到话务容量、频率规划、光纤资源及网络设备可靠性等因素的限制。3.3.微功率直放站列车内覆盖模式微功率直放站高铁覆盖解决方案在整个列车的每节列车车厢内建一套室内分布系统，在车厢顶部安装一面全向天线，然后通过微功率直放站中继放大后送入车厢内的室内分布天线。车厢外采用10cm高的脊状全向天线，这种天线体积小、风阻小、便于安装；微功率直放站和功分器安装在车顶夹层内，车厢外的全向天线通过馈线与微功率直放站输入端相连，直放站输出端通过二功分与两面室内天线相连。CRH车厢长25m，两面天线分别安装在距离车体两端6m左右的位置。微功率直放站从车厢外收到较强的信号（－35～－75dBm），放大后输出15dBm的信号，然后通过功分器最终到达车厢内天线口的功率为9dBm，这样车厢内手机信号接收电平可以控制在－50～－70dBm之间，接收信号强且稳定。4.基站规划方案本章主要针对天津联通GSM网做出的宏蜂窝基站规划，涉及基站数据来自天津联通网络优化中心。4.1.规划建议及覆盖目标4.1.1规划建议建议采用1个LAC区的专网覆盖模式，专网不能造成对公网的网络指标造成负面影响。尽量利用现有网络资源建设专网，并尽可能少的占用网络资源，包括频率资源、传输资源等。尽量减少高铁上的小区切换，尽可能延长单小区的覆盖距离。例如采用射频拉远模式、小区复合模式或其它技术。规划时尽量考虑到3G覆盖的共利用问题。4.1.2网络覆盖目标边缘覆盖场强应达到95%区域大于-90dBm。覆盖区内的95％位置，99％的时间移动台可接入网络。CRH列车上应达到95%区域通话质量优于3级。覆盖CRH列车的基站平均掉话率应小于1%，里程掉话率小于50KM/1次。4.2.现网分析4.2.1测试条件路测设备：TEMS联通测试方法：短呼号码10011时常40秒间隔5秒（天津至北京）联通测试方法：长呼、随机呼叫，测试通话质量（北京至天津）联通测试号码：130022900324.2.2测试情况汇总路线试呼次数接通次数掉话次数接通率掉话率覆盖率话音质量天津至北京3329287.90%6.90%97.40%84.60%北京至天津75071.40%089.30%69.40%天津至北京切换统计情况：HANDOVERSTATISTICS:HANDOVERattempts:40HANDOVERsuccesses:33HANDOVERfailures:7UnknownHANDOVER:0北京至天津切换统计情况：HANDOVERSTATISTICS:HANDOVERattempts:34