高速列车环境下的GSM网络优化
日期：2009-7-16 23:49:26 来源：中国工控网
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0 前言
2007年4月18日铁道部在全国范围内实施第6次大提速后，我国开行了大量高速动车组（CRH）列车。为保证乘客的通信感受和服务质量，中国联通上海分公司针对动车组列车特征对现有GSM网络进行优化和改造。重点解决动车组列车环境下，手机用户通话过程中出现的频繁掉话、无法接通和话音断续等现象，并结合实际情况制定了相应的优化方案。方案通过对动车组列车（上海段）的大量理论分析，以及获得的测试数据总结出了总体优化策略，并针对不同环境形式，采用多样的优化手段，最终成功实现了高速铁路（上海段）沿线全程无掉话。
1 研究背景
1.1 铁路提速
随着城市经济的发展，铁路系统对客货流转效率和服务质量提出了越来越高的要求。铁路第6次大提速后，京沪、京广等干线列车时速提升至200 km以上，其中上海段（上海—江苏昆山）区间的最高时速达到260 km。
1.2 动车组列车
本次铁路提速中引入了大量动车组列车。我国开行的动车组列车主要有4个类型（见表1）。目前全国范围采用较为普遍的为CRH2型。
2 动车组列车引起的网络质量问题
2.1 高速运行引起的多普勒效应
多普勒效应是指，随着移动物体与基站距离的变化，合成频率与中心频率之间产生偏移的现象。
a） 当移动物体和基站越来越近时，频率增加，波长变短，频偏减小，频偏的变化增大。
b） 当移动物体和基站越来越远时，频率降低，波长变长，频偏增大，频偏的变化减小。
c ） 高速移动的用户频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重。
d） 运动速度越快影响越大。
多普勒效应显著，会影响无线通信质量（载干比），影响的程度与频偏的变化呈非线性关系，也就是说频偏的变化越大对无线质量的影响越大，所以当列车高速通过基站，经过与基站垂直距离最近的点时，多普勒效应最显著。多普勒频移的变化（见图2）由下式给出：
fd（f）=fmaxcos?兹（t）
式中：
fd——多普勒频移
fmax——fcv/c
f——载波频率（Hz）
v——火车速度（m/s）
c——光速（m/s）
?兹（f）由下式计算：
cos（?兹（t））＝■，0≤t≤2d■/v
多普勒效应广泛存在，普通低速度情况下效应不明显，但当列车速度超过200 km/h的临界速度时，多普勒效应愈显突出。高速运行状态下用户通话时会产生一定的频移，使相同信号强度情况下用户通话质量恶化（Rxquality下降），从而引发话音断续、掉话等。
2.2 动车沿线切换成功率低
在高速运动环境下，不同基站之间的正常切换演变为频繁切换、乒乓切换，产生切换失败率高和大量切换掉话问题。
2.3 高速频率干扰以及信号快衰落
GSM系统为频分复用系统，不同的频点在间隔一定复用距离后要重复使用。普通情况下，各小区主覆盖范围主控频点在安全复用距离内能正常使用，但是在高速运动环境下，主覆盖范围呈现扁平化特征，主覆盖范围沿铁路行驶方向明显扩大，从而引发了新的频率干扰现象。
此外高速运动环境下信号覆盖强度可能在短时间内发生迅速衰减，使用户手机无法顺利切出，从而引发掉话。
3 优化策略及优化方法
针对目前动车组列车用户通话过程中遇到的上述难点，从网络规划设计、覆盖优化、高速状态下切换、干扰及容量的角度入手实施优化。并且制定了“增强总体覆盖效果、密集城区鼓励合理切换、郊区旷野限制不必要切换”的总体优化策略。
3.1 高速铁路沿线网络规划设计
3.1.1 手机在单小区内的最低信号强度需求
根据GSM规范定义，手机能发起和建立呼叫，需要的最低信号强度为
SL=PM+MR+MI+Lr
式中：
SL——最低信号强度
PM——手机接收机灵敏度，取-104 dBm
MR——瑞利衰落（快衰落）余量（可忽略不计）
MI——干扰余量，取2 dB
Lr——人体损耗，取5 dB
因此，SL=-97 dBm。
3.1.2 考虑切换的最低信号强度
随着列车的运行，手机逐渐远离基站，服务小区的信号强度也在衰落。为了保证呼叫建立或者持续通话，手机要在接收的信号强度低于SL前切换到新的小区。也就是说动车组列车内用户侧的覆盖目标为
SN=SL+MH
式中：
SN——用户侧信号强度
MH——切换时间内的信号衰减余量，手机远离基站而产生的慢衰落
根据GSM规范定义，一次切换从测量报告开始需约2～3 s，结合动车组列车的时速（260 km，折合72.2 m/s）列车前进了216.7 m，用户向远离基站的方向移动216.7 m，信号衰减约在4~8 dB，取上限MH＝8 dB。则列车内用户侧信号强度为
SN=SL+MH=-97+8=-89（dBm）
而动车组列车车体外的设计信号强度SW为
SW=SN+MLN+LC
式中：
MLN——正态衰落余量，在市区、室内环境下取12 dB
LC——动车组列车穿透损耗，现场采样实测约为14～16 dB
因此，设计的动车组列车车体外线路旁的无线信号目标覆盖强度约为-64 dBm。
3.1.3 不同覆盖条件下的频偏（多普勒效应）对比
针对动车组列车高速状态下的多普勒效应，从网络规划设计的角度出发，应一定程度地从物理上减小多普勒效应的影响。
高速运行环境下的网络规划设计的要求与列车本身运行的速度一定时的要求不同，如基站距铁路线较近，列车与基站的相对位移速度变化较大（经过基站最近段角速度最大，频偏变化最大），如基站距铁路线合理且视距无阻挡，列车运行与基站相对位移速度变化较小（角速度变化的波动较小，频偏变化较小），因此为了减少多普勒频移对网络性能的影响，选择动车组专项覆盖网基站位置时尽量离铁路线一段距离（800～1 000 m）建站，且视距范围内无阻挡，从网络设计规划方面尽可能地减少速度引起的多普勒效应。
3.2 高速运行环境下特殊手段的覆盖优化
目前上海分公司对于沪宁线动车组的专项优化是基于现网运行基站站址条件下的，在现网局部路段已有基站分布位置不合理（不能达到前文提及理想的高速铁路覆盖条件），也针对这种情况对现网基站作了部分改造以适应高速铁路覆盖要求。
3.2.1 站距间隔较大造成的边缘覆盖盲区的优化
沪宁线南翔线路段原先由于先农基站的主覆盖范围有限且周边站距较大造成基站覆盖边缘部分区域弱覆盖以及无主控小区。
优化措施：针对该情况对先农基站面向铁路的第一扇区实施了天线分裂，将天线一分为二后扩大了其沿铁路方向上的覆盖能力。形成沿铁路线方向的椭圆形覆盖范围。
优化手段实施后，显著增强了先农基站沿铁路线方向的覆盖能力、扩大了原覆盖边缘的主控效果、延长主控时间以及切换的可靠性。
3.2.2 周边基站受阻挡造成的局部覆盖空洞的优化
图6是周边基站受阻挡造成的局部覆盖空洞的优化的案例。
该案例情况下，原先主覆盖铁路线的长征基站主瓣方向被3栋高层建筑阻挡造成阴影路段无主控信号（无法满足前文提及的－64 dBm的设计要求，优化前动车组列车经过此路段必掉话）。
优化措施：针对该情况仔细勘查了周边基站的覆盖条件，最后针对铁路线北侧的富平基站以及南侧的礼泉基站调整天线方向并改装高增益天线，从两侧建立相互交织的覆盖区以弥补原基站阻挡的影响，辅之切换参数的优化，形成了稳定的切换关系。
3.3 高速运行环境下切换优化
切换是高速运行环境下优化的重中之重，铁路提速后的大量掉话可能是以覆盖、频率干扰以及快衰落的形式表现出来的，当然背后深层次的原因，90％的掉话应该是由切换造成的。
针对切换问题，根据大量的动车组列车测试数据，结合不同地貌区域、不同列车速度以及不同环境下的基站分布情况，制定了“密集城区鼓励合理切换、郊区旷野限制不必要切换”的总体优化策略。
3.3.1 密集城区的优化
列车主要以中低速行驶，且城区基站分布相对密集，主要网络问题集中在同邻频干扰、越区覆盖等方面，故在该区域采取加强各基站主覆盖范围的强度和质量、严格控制覆盖范围、减少网内干扰。
3.3.2 郊区旷野的优化
由于列车车速较高，基站分布相对稀疏，主要网络问题集中在扇区边缘弱覆盖、局部区域无主控信号等方面，故在该区域采取扩大周边基站沿铁路线方向的主控范围，增加重叠覆盖区域，加强切换的可靠性。
3.3.3 900M/1800M双频网切换策略的优化
沪宁动车组切换优化过程中，有一段区域内只有铁路线北侧的方泰、方伟基站为1800M频段，其余均基站为900M频段。由于联通900M、1800M频段的频点宽度不同、无线传输特性也有差别，故以往对900M基站和1800M基站采取不同的占用优先级和不同的切换策略。
在动车组特殊的使用环境下，时常发生用户长期滞留或者错误的回切至优先级更高1800M基站上，最终造成用户的频繁掉话。
优化措施：通过优先级的设置禁止动车组线路周边900M基站向1800M基站的切换，优化后动车组用户将只占用信号更好的900M网络（普通本地用户仍可占用1800M网络），从而实现不同用户的按需分配。
3.4 针对干扰以及快衰落的优化
3.4.1 “高速干扰”的优化
由于动车组车速高，加之切换过程中一定的滞后性，出现沿线基站顺列车前进方向的覆盖范围明显扁平化。此外为提高切换的可靠性、扩大主控范围，可对部分郊区线路段基站实施扇区分裂的优化措施。然而扩大覆盖范围后基站的覆盖边缘易受到周边复用频点基站的网内干扰（称之为“高速干扰”）。
优化措施：针对该种情况对动车组沿线采用了更为宽松的频率复用方案，特殊情况下优先动车组的频率使用，最大限度地保障高端用户的使用感受。
3.4.2 其他针对干扰以及快衰落的优化措施
针对动车组环境特性，开启部分系统增强性的优化功能性参数。
a） 开启电平快衰落切换功能。
b） 关闭功率控制功能。
c） 关闭半速率功能。
d） 使用跳频频点优先功能。
3.5 动车组沿线容量的优化
为保障快速行进列车前进方向的切换路径有足够的容量冗余、降低意外因素，对动车组沿线占用基站组成的列表单独维护、重点监控，动态地对其话务负荷较高的基站迅速扩容并保证较大的冗余，提高整个系统的可复制性和可靠性。
4 结束语
上海联通对动车组沪宁、沪杭线实施了高强度优化（24个工作日，实施了42组/次优化测试、验证，总测试里程达到18 000多km），实施了以上的一系列创新性的优化手段，成功的消除了动车组沿线G、C网掉话点和质量隐患。
优化实施后组织了市场部门、新闻媒体、普通用户的动车组联合验收，验收成果最终确认动车组上海段成功实现了全程无掉话。
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2007年4月18日铁道部在全国范围内实施第6次大提速后，我国开行了大量高速动车组（CRH）列车。为保证乘客的通信感受和服务质量，中国联通上海分公司针对动车组列车特征对现有GSM网络进行优化和改造。重点解决动车组列车环境下，手机用户通话过程中出现的频繁掉话、无法接通和话音断续等现象，并结合实际情况制定了相应的优化方案。方案通过对动车组列车（上海段）的大量理论分析，以及获得的测试数据总结出了总体优化策略，并针对不同环境形式，采用多样的优化手段，最终成功实现了高速铁路（上海段）沿线全程无掉话。
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1.1 铁路提速
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1.2 动车组列车
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2 动车组列车引起的网络质量问题
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2.1 高速运行引起的多普勒效应
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多普勒效应是指，随着移动物体与基站距离的变化，合成频率与中心频率之间产生偏移的现象。
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a） 当移动物体和基站越来越近时，频率增加，波长变短，频偏减小，频偏的变化增大。
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b） 当移动物体和基站越来越远时，频率降低，波长变长，频偏增大，频偏的变化减小。
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c ） 高速移动的用户频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重。
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d） 运动速度越快影响越大。
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多普勒效应显著，会影响无线通信质量（载干比），影响的程度与频偏的变化呈非线性关系，也就是说频偏的变化越大对无线质量的影响越大，所以当列车高速通过基站，经过与基站垂直距离最近的点时，多普勒效应最显著。多普勒频移的变化（见图2）由下式给出：
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多普勒效应广泛存在，普通低速度情况下效应不明显，但当列车速度超过200 km/h的临界速度时，多普勒效应愈显突出。高速运行状态下用户通话时会产生一定的频移，使相同信号强度情况下用户通话质量恶化（Rxquality下降），从而引发话音断续、掉话等。
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3 优化策略及优化方法
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针对目前动车组列车用户通话过程中遇到的上述难点，从网络规划设计、覆盖优化、高速状态下切换、干扰及容量的角度入手实施优化。并且制定了“增强总体覆盖效果、密集城区鼓励合理切换、郊区旷野限制不必要切换”的总体优化策略。
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3.1.1 手机在单小区内的最低信号强度需求
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PM——手机接收机灵敏度，取-104 dBm
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MI——干扰余量，取2 dB
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因此，SL=-97 dBm。
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3.1.2 考虑切换的最低信号强度
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随着列车的运行，手机逐渐远离基站，服务小区的信号强度也在衰落。为了保证呼叫建立或者持续通话，手机要在接收的信号强度低于SL前切换到新的小区。也就是说动车组列车内用户侧的覆盖目标为
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SN=SL+MH
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MH——切换时间内的信号衰减余量，手机远离基站而产生的慢衰落
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SN=SL+MH=-97+8=-89（dBm）
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MLN——正态衰落余量，在市区、室内环境下取12 dB
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LC——动车组列车穿透损耗，现场采样实测约为14～16 dB
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因此，设计的动车组列车车体外线路旁的无线信号目标覆盖强度约为-64 dBm。
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针对动车组列车高速状态下的多普勒效应，从网络规划设计的角度出发，应一定程度地从物理上减小多普勒效应的影响。
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3.2 高速运行环境下特殊手段的覆盖优化
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3.2.1 站距间隔较大造成的边缘覆盖盲区的优化
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沪宁线南翔线路段原先由于先农基站的主覆盖范围有限且周边站距较大造成基站覆盖边缘部分区域弱覆盖以及无主控小区。
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优化手段实施后，显著增强了先农基站沿铁路线方向的覆盖能力、扩大了原覆盖边缘的主控效果、延长主控时间以及切换的可靠性。
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3.2.2 周边基站受阻挡造成的局部覆盖空洞的优化
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图6是周边基站受阻挡造成的局部覆盖空洞的优化的案例。
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3.3 高速运行环境下切换优化
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3.3.1 密集城区的优化
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列车主要以中低速行驶，且城区基站分布相对密集，主要网络问题集中在同邻频干扰、越区覆盖等方面，故在该区域采取加强各基站主覆盖范围的强度和质量、严格控制覆盖范围、减少网内干扰。
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3.3.2 郊区旷野的优化
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由于列车车速较高，基站分布相对稀疏，主要网络问题集中在扇区边缘弱覆盖、局部区域无主控信号等方面，故在该区域采取扩大周边基站沿铁路线方向的主控范围，增加重叠覆盖区域，加强切换的可靠性。
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3.3.3 900M/1800M双频网切换策略的优化
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3.4.2 其他针对干扰以及快衰落的优化措施
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a） 开启电平快衰落切换功能。
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b） 关闭功率控制功能。
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c） 关闭半速率功能。
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d） 使用跳频频点优先功能。
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3.5 动车组沿线容量的优化
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为保障快速行进列车前进方向的切换路径有足够的容量冗余、降低意外因素，对动车组沿线占用基站组成的列表单独维护、重点监控，动态地对其话务负荷较高的基站迅速扩容并保证较大的冗余，提高整个系统的可复制性和可靠性。
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4 结束语
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上海联通对动车组沪宁、沪杭线实施了高强度优化（24个工作日，实施了42组/次优化测试、验证，总测试里程达到18 000多km），实施了以上的一系列创新性的优化手段，成功的消除了动车组沿线G、C网掉话点和质量隐患。
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优化实施后组织了市场部门、新闻媒体、普通用户的动车组联合验收，验收成果最终确认动车组上海段成功实现了全程无掉话。
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