高铁覆盖设计分析.docx
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高铁覆盖设计分析
1话务量预测及分区
列车用户对专网小区产生的话务不同于普通宏站，由于同一铁路上一段时间内行驶的列车数量是有限的。
列车用户带来的话务量为每班列车话务量乘以一小时内通过的列车班次数。
为了保证专网小区的话音不溢出，就需要保证每班列车在某一专网小区下通话而不产生溢出。
武广高铁湖北段全长173公里，按设计规划每个专网小区长约10公里，在此范围内预计同时有2列客车通行，以此来进行运行区间话务量的预测。
普通16节客车，硬座单车满员108人，硬卧满员单节60人，软卧单节满员36人，通常一列火车硬卧不少于2节，软卧不少于1节，基于此，每列普通客车的满员人数约1600人，则总客流量估计不少于3200人。
按超员20%计算，则总客流量不少于3840人。
根据目前移动的发展状况，参照各地经验，我们按移动手机持有率95%计算，其中移动用户占有率70%。
人均忙时话务量按0.0125Erl计；
最大话务量（Erl）=总人数*手机持有率*移动用户占有率*人均忙时话务量
移动用户预测最大话务量=3840*95%*70%*0.0125=31.92Erl。
查ERLB表（2%呼损）可得需要44个TCH，即6载频的配置可满足话音业务的需求。
2GSM系统时延分析
2.1．时延参数
通常普通光纤直放站时延：
5μs；数字光纤直放站时延：
10μs，
光缆时延：
1/（c×2/3）×1000（s/km）=4.76μs/Km
空间时延：
1/c×1000（s/km）=3.33μs/Km
2.2．数字光纤直放站时延
基站最大覆盖距离为：
35km，时延为35×3.33=116.6μs
数字光纤直放站在开通时，如果光缆长度在20Km时，
时延为：
10＋20×4.76＝115.2μs
因此数字GSM光纤直放站的覆盖距离可以在20km以内。
还需要考虑数字光纤直放站时延的引入对系统造成的影响。
可能存在覆盖区与施主扇区覆盖区重叠的可能，如果两重叠信号时延差小于4TA则不会造成任何问题，这是GSM规范规定的。
当两信号时延差大于4TA且信号强度相当（差值小于10dB）则将导致手机掉话；因此，这时需要考虑选取背向光纤直放站覆盖区的施主扇区，这样基站重叠区和直放站重叠区就不会产生多径引起的掉话了，而是两个扇区信号的切换。
在光纤直放站安装过程中会遇到信源基站和光纤直放站信号重叠的问题，就是由于多径传播引起的时间色散产生同频干扰。
对于上图所示，我们假设基站到户用之间的信号质量较好，能够接收到正常的基站信号，但是此时如果引入一个数字光纤直放站，此时的时延差为delayB-delayA＝（5Km的空间时延＋10Km光缆时延＋设备时延）-5Km的空间时延＝10Km光缆时延＋设备时延＝2Km×4.76us/Km＋10μs＝19.52us>15μs（4TA）。
此时直放站的信号就只能判断为同频干扰信号，必须小于同频干扰保护比9dB。
3系统设计分析
3.1小区间重选及切换分析
3.1.1事件及重叠区设置
动力机车运动速度快，最高时速为350km/h，所以对网络的切换重叠区域要求高，其切换重叠区域计算如下：
1）GSM事件对时间的要求
GSM事件对时间的要求表
2）重叠距离的设置
列车运行在两小区重叠覆盖区时，从A小区——>B小区，A小区的信号将会变得越来越弱，B小区的信号越来越强，为了保证通信的不间断，必须保证两小区的正常切换。
行人行进方向
切换区
非切换区
非切换区
覆盖场强
-97dBm
列车行进方向
切换过程示意图
如上图所示，当列车从将要A小区进入B小区时，同时要保证两个相邻小区边缘场强为－97dBm，列车运行速度为350km/h，根据上节给出的不同GSM事件中估算时间分别分析：
●小区重选事件
由于小区重选事件条件为C2（邻）＞C2（服务）且时间达到5s，则此时切换时间为5s，那么事件完成时间内列车行驶距离d=5秒×97.2米/秒＝486米，即只要保证重叠覆盖区域大于2d=972米时，列车在穿越不同小区时可以完成小区重选。
●位置更新事件
由于小区重选事件条件为C2（邻）＞C2（服务）+CRH（服务）且时间达到5s，则此时切换时间为5s，那么事件完成时间内列车行驶距离d=5s×97.2m/s＝486米，即只要保证重叠覆盖区域大于2d=972米时，列车在穿越不同小区时可以完成位置更新。
由于位置更新发生在高速铁路运行区间，列车移动速度达到350km/h，故此时可建议将小区重选滞后参数CRH设置在2～6dB之间。
●BSC内切换事件
由于是高速铁路移动环境，我方建议测量报告长度设置为2，即1s；
解码BSIC的时间，平均1-2秒，这里取2s估算；
切换执行时间，100ms级别，可以忽略不计。
则此时切换事件时间按平均3s计算，事件完成时间内列车行驶距离d=3s×97.2m/s＝486米，即只要保证重叠覆盖区域大于2d=972米时，列车在穿越不同小区时可以完成BSC内切换。
●跨MSC切换事件
通过对多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，BSC内小区间切换时间为3s，跨MSC切换一般需要6s。
则此时跨MSC切换事件时间按6s计算，事件完成时间内列车行驶距离d=6s×97.2m/s＝583.2米，即只要保证重叠覆盖区域大于2d=1166.4米时，列车在穿越不同小区时可以完成跨MSC切换。
3.1.2BSC归属和LAC设置原则
铁路专网建设不但要解决铁路沿线手机覆盖盲区，同时要考虑到优化专网位置区设置，从而减少专网网内位置更新量，减少对BSC负荷，提高无线接通率。
专网组网在设计中采取同外部大网分离的覆盖思路，即使专网组网采用不同厂商的BSC，但在混合组网的条件下，也可以将各专网BSC挂载于同一MSC下，从而可以为各不同的BSC设置统一的LAC参数。
通常，铁路专网的位置区边界设置有以下4种情况：
1）火车站与大网的边界
铁路专网组网中，火车站与周围大网必然要出现位置区边界。
因此，在工程施工上，必须严格控制火车站室内布线系统的覆盖，避免频繁的位置更新而过度占用专网与大网的SDCCH信道资源。
2）跨省市边界
同样，在铁路跨省市的边界处，也必然会出现位置区交叠，此时位置更新的解决方法只能通过增加边界处小区配置的载频数量，以此增加更多的SDCCH信道来应对位置更新产生的信道开销。
故我方建议跨省市的边界小区载频配置为6载频。
3）省市内铁路专网内部边界
省市内铁路专网划分位置区主要涉及一些幅员辽阔的城市，如果采用一个LAC区进行组网，则全线专网的寻呼总量将可能达到或超过BSC的寻呼门限，此时必须进行LAC区分裂。
以下给出部分厂家BSC承载能力：
表15：
各厂商BSC承载能力
厂商设备
BSC
载频数
基站数
ABIS
安全寻呼门限
阿尔卡特
G2
448
/
84
18万
阿尔卡特
MX
600
/
176
25万
西门子
BSC72
500
250
72
18万
西门子
BSC120
900
400
120
18万
爱立信
AX810
1020
512
512
18万
爱立信
BYB510
1020
512
512
18万
诺基亚
2I
512
248
144
26万
诺基亚
3I
660
504
256
26万
3.2车站覆盖分析
高速铁路专网覆盖独立于外网，相邻专网小区间建立邻区关系，而不与外网发生重选与切换，专网与外网的衔接点为火车站。
高速铁路专网与大网的衔接示意图如下：
切换关系设置示意图
按图中切换关系设置原则，火车站候车室充当与大网之间的缓冲区角色，火车站站台充当与铁路专网之间的缓冲区角色，从而可以有效解决手机在大网与铁路专网之间的错误切换和重选问题。
在火车站区域，由于站台也采用专网信号覆盖，为了使旅客在出入火车站过程中能够正常的通话，火车站室内必须通过建设室内分布系统进行切换过渡。
火车站专网LAC区应与站外公网LAC区保持一致，以避免大量的位置更新出现。
方式一：
火车站新建室内分布专网Ⅱ对候车厅、售票厅进行覆盖，站台采用高铁专网Ⅰ信号覆盖，专网Ⅰ和Ⅱ之间做双向切换设置，室内专网Ⅱ和室外公网做双向切换设置。
站台话务全部通过高铁专网Ⅰ进行吸收。
如下图：
车站分区方式一
方式二：
在方式一的基础上，室内专网Ⅱ对站台区域延伸覆盖，合理吸收站台话务，降低高铁专网载频配置压力。
如下图：
车站分区方式二
车站切换分析
候车大厅由于整体人流较大，室内分布专网小区既要保证与外网小区的切换正常，又要保证旅客进入站台后，手机能顺利切换到高铁专网小区。
在覆盖方式一中，高铁专网和室内专网的切换区在候车厅的各站台入口和连接各站台与候车厅、出站口的地道口处。
离各站台入口处最近的室内分布天线功率需进行严格控制，防止室内专网信号泄漏到站台，站台上每个地道口台阶处可加装一副定向天线引高铁专网信号进行切换过渡覆盖。
室内专网和室外公网的切换区域为火车站的进站口和出站口。
在覆盖方式二中，连接站台与候车厅、出站口的地下通道采用室内专网信号覆盖，室内专网和室外公网的切换区域为火车站的进站口和出站口。
需考虑覆盖站台的室内专网信号对不停靠列车上手机用户的影响，建议合理设置基站参数，如惩罚时间的设置，确保不停靠的列车用户经过时不会切入室内专网信号。
3.3系统上行噪声干扰分析
空间的噪声和直放站的噪声通过直放站的上行链路放大以后将输出到BTS端，如果UNF（UNFUplinkNoiseFloor）过大将会影响或干扰施主基站，导致与其它基站数据交换故障，MS无法在基站之间顺利切换。
一般地，基站接收上行手机信号的最小接收绝对场强为-110dBm；为了保证其载噪比克服同频干扰（C/IC），要求上行噪声底部电平比最小接收绝对场强小9dB；另外在实际工程中为保证基站正常接收手机信号，一般还要预留6dB余量；因此基站接收到的上行噪声电平应小于－110dBm－9dB－6dB=-125dBm。
在实际应用中通常通过判断上行空闲信道干扰电平指标（IOI-InterferenceOnIdleTS）是否大于－120dBm来判定是否产生上行干扰。
根据下行输入信号电平设计系统上行噪声电平及增益。
LNt——系统上行噪声电平
LNr——到达信源基站口的噪声电平
L——系统主机到信源基站口的路径损耗
LRx——系统主机下行输入信号电平
Gup——系统理论上行增益
GUP——系统上行增益
NF——系统上行噪声系数
PC——信源基站输出功率（假设38dBm/单载波，20W基站，按6载波计算）
Gdown——系统下行增益
Po——系统下行输出功率（假设32dBm/单载波，10W设备，按6载波计算预留）
∵LNr≤-120dBm，LNr=LNt-L
∴LNt-L≤-120dBm
∴LNt≤-120dBm+L
∵LNt=-121dBm+NF+Gup，L=PC-LRx
∴Gup≤1dB-NF+PC-LRx
≤1dB-5dB+38dBm-（-3dBm）
≤37dB
由上下行平衡原则，取GUP=Min（Gup，Gdown-5dB）
=Min（37,（32-5））
=27dB
得：
LNt=-121dBm+NF+GUP=-121+5+27=-89dBm
LNr=LNt-L=-89-（38-（-3））=-130dBm≤-120dBm
3.4高铁覆盖技术风险及可行性分析
3.4.1多普勒频移对高速列车覆盖的影响
多普勒效应是当发射源与接收体之间存在相对运动时，接收体接收的发射源发射信息的频率与发射源发射信息频率不相同，这种现象称为多普勒效应，接收频率与发射频率之差称为多普勒频移。
根据多普勒频移公式 Fd=f*V*COSθ/c
其中：
θ为终端移动方向和信号传播方向的角度；
V是终端运动速度；
C为电磁波传播速度；
f为载波频率。
图7：
多普勒频移示意图
从公式可以看出，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。
以下分两种情况进行讨论。
（1）移动台向BTS方向移动，速度为V，以GSM900MHz为例，BTS信号频率为f1，由于多普勒效应移动台收到的频率为f2，移动台以f2-45MHz向基站发射信号，由于多普勒效应基站收到的频率为f3，则可得到：
f2=f1（1+V/C）
f3=（f2-45MHz）*（1+V/C）
（2）对于移动台远离BTS方向移动，同理可以得到：
f2=f1（1-V/C）
f3=（f2-45）*（1-V/C）
根据上面两种情况，可以得到相对频率变化和移动台速度的关系。
表3：
终端移动速度与多普勒频移之间的关系（频率按照954MHz计算）
由以上公式理论结果可见，多普勒频移的影响取决于基站对频移的承受能力以及手机对频移的承受能力，下面分别进行分析：
（1）基站性能
在3GPPTS45.005（原GSM05.05）中规定，由于多普勒效应，GSM850/900可以承受得最大径向时速为250km/h；GSM1800可以承受的最大径向时速为130km/h。
但该速度的受限还和基站和手机设备有关。
在上行，大多数BTS端接收到的GSM900信号可以承受移动手机高达500km/h的时速。
（2）移动台克服多普勒效应方面的性能
前面讨论了在上行。
GSM850/900BTS设备是可以支持最大的径向速度为350km/h,因此说可以满足目前大部分铁路最高时速350km/h的要求。
在下行，即手机端接收到的GSM900信号通过手机的处理算法，因此最高承受移动手机的时速受不同手机供应商的内部算法限制，指标各不相同。
我们按照上诉所阐述的，GSM移动通信系统的影响程度主要取决于移动终端对它的抑制能力。
以下为一份关于移动终端对于各类手机对多普勒频移的抑制能力数据。
各类手机对多普勒频移的抑制能力
手机产商
手机型号
可测试、解码邻频最大频率偏移量（Hz）
Motorola
CD928
678
T689
684
L2000
756
A6288
761
V60
1300Hz频偏仍可解码邻区-
Nokia
6510
682
8210
756
6500
765
松下
GD93
1300Hz频偏仍可解码邻区-
GD88
1300Hz频偏仍可解码邻区-
Ericsson
T66
751
Siemens
3518
901
按照上述测试结果，终端移动速度达到350km/h时，各种终端是可以支持的。
3.4.2系统同步对高速列车覆盖的影响
对于在高速运动情况下保持基站和移动台之间的同步问题，根据GSM规范的描述，MS以时速500km/h运动时，时延误差小于1/4bit周期，此时是可以通过TA调整来达到同步的。
所以符合规范的设备是可以通过TA调整来达到与时速500KM/Hm/h的MS同步的。
目前武广高铁湖北段动车组的设计最高时速为350公里，低于上述500km/h上限，故只要相关设备按照GSM规范设计，则可以克服由于高速运动环境带来的同步困难。
3.5网络优化建议
3.5.1专网频率规划原则
铁路专网属于封闭型连续覆盖专网，为了保证专网的独立性，在频率规划方面需要注意以下两点：
Ø不规则频率分配方式
通常情况下，在做网络频率规划的时候，BCCH频点与TCH频点有严格的界定。
但在GSM通信事件，我们知道SystemInfomation2中会下发IDLEBA表的邻区测量频点，如果专网频率与周围大网采用相同的BCCH规划，则不能够保证手机由专网附近邻区的小区重选至专网小区内。
在手机关机再开机时，同样由于BCCH的记忆效应，手机会首先扫描关机前所占用的频点。
这样可能会存在这样一种情况，即使手机关机前占用服务小区的频点与专网频点相同，那么在专网附近开机可能也会误选至专网小区上。
因此，在铁路专网频率规划时，BCCH采用大网的TCH频点做规划，另外，专网的NCC的设置也与大网不同，从而在规划上确保了专网的独立性。
Ø不使用EGSM频点
由于EGSM频点即将被无委会回收，因此在做专网频率规划时，频点不考虑采用EGSM频点。
Ø周围宏站的频率规划
在专网小区吸收大网话务测试中，我们已发现吸收话务比例约为5%，这意味着专网建设完成后周围宏站的话务会略有转移，为了降低频率规划的难道，建议对专网周围的高配置宏站作负扩容1到2个TRX，同时开启半速率来弥补TCH信道的减少。
3.5.2专网信道配置原则
专网信道配置方面涉及到TCH、SDCCH和PDCH的配置，以专网内小区的TRX载频是4，位置区边界小区的载频数是6为例，专网小区各项参数设置建议如下：
铁路专网小区信道配置
专网小区
TCH
SDCCH
PDCH
半速率
专网小区内
ALCATEL
25
32
2+2
1TRX（上门限60%,下门限50%）
SIEMENS
25
32
2+2
门限定义60%
ERICSSON
25
32
2+2
门限定义60%
NOKIA
25
32
2+2
1TRX（上门限60%,下门限50%）
LAC边界
ALCATEL
31
88
6+2
1TRX（上门限60%,下门限50%）
SIEMENS
30
96
6+2
门限定义60%
ERICSSON
30
96
6+2
门限定义60%
NOKIA
30
96
6+2
1TRX（上门限60%,下门限50%）
边界小区增加SDCCH和PDCH数目是为了给手机有足够的信道资源完成位置更新和路由区更新，而增开半速率是为了确保足够的TCH信道资源。
3.5.3空闲模式参数设置原则
手机空闲模式下主要完成信号监测、服务小区和相邻小区的广播消息监听、寻呼监听、小区重选等任务。
为适应高速铁路的信号快速变化的特点，应加快小区重选的流程，使手机能尽量驻留在最强的信号上。
空闲模式的参数优化主要包括以下几方面：
1、空闲BA表的简化
简化空闲BA表，减少需要监听的邻区BCCH数量。
BA表越长，则手机对单个邻区的测量时间越短，越少时间去监听邻区的BSIC，造成小区重选的滞后，因此必须减少BA表，建议降低到12个以下。
2、BS_PA_MFRMS的优化
手机在空闲状态使用不连续接收（DRX）来降低手机耗电（见下图），但如果DRX周期过长，则手机监测网络的时间就越短（如下图），测量的准确性和及时时就会下降，因此在铁路线上应尽量缩短DRX周期。
DRX周期由寻呼的多帧结构长度（BS_PA_MFRMS）决定，以200km/h的时速计算，当BS_PA_MFRMS=2时，对邻区的测量时间间隔为为0.47秒，列车运行了26米，而如果BS_PA_MFRMS设为9，则测量间隔达到2.12秒，列车运行了118米，可见当BS_PA_MFRMS设置过大时，对邻区的测量不能及时追踪信号的变化情况。
因此减小铁路沿途小区的BS_PA_MFRMS值，可以提高手机在空闲状态下信号测试数量和准确性，建议统一设BS_PA_MFRMS为2。
图：
DRX周期
BS_PA_MFRMS和列车运行里程对应表
BS_PA_MFRMS
信号监测周期
列车运行里程（速度200km/h）
2
0.47秒
26米
5
1.18秒
65米
7
1.65秒
92米
9
2.12秒
118米
3、ACCMIN、CRO的优化
ACCMIN直接影响C1值的计算，CRO则影响C2的计算，如果铁路线上相邻小区的ACCMIN和CRO不相等，则必然造成列车一个运行方向上的重选滞后，因此建议铁路线上的主覆盖小区的ACCMIN取相同值（-102dBm），CRO值取0。
为提高铁路线上主覆盖小区的重选优先权，可以提高周边小区的ACCMIN值（设为-100dBm），使其C1、C2值减小。
4、PT与TO的设置
PT与TO参数配合可以实现对邻区C2值计算的临时惩罚，在普通环境下可以减少小区重选，但对于高速列车的环境，延迟小区重选只能造成起呼无法占用主覆盖信号，加大起呼失败的机会，因此建议PT与TO设置为0。
5、CBQ的设置
设置CBQ参数可以调整小区选择时的优先级别，一般现网小区该参数均为HIGH。
在专网配置时可以考虑将铁路专网小区CBQ设为LOW，以避免铁路周边用户错误进入专网小区，在现网调整方案中考虑到铁路线较长而且存在部分区域的信号覆盖不足，客户可能在列车运行期间开关机或换电池，又或者通信中断，此时将CBQ设为LOW，将导致列车上的用户无法选用铁路线的主覆盖小区，因此建议在现网优化方案中CBQ保持与大网一致，设为HIGH。
6、小区参数CRH（CellReselectionHysteria的优化
为了保证在高速列车上的小区重选性能，应当对参数CRH进行重新评估。
在GPRSREADY状态，参数CRH对小区重选有影响，邻区信号强度必须比驻留小区高出CRH（dB），手机才能重选到新的小区去；另外在位置区边界，小区重选也必须满足以上条件才能发生，因此为避免CRH对小区重选的滞后作用，所有铁路沿线的小区如果没有特殊原因，CRH的值应当默认为4或更小。
防止CRH过大，导致手机迟迟不重选，影响接收电平和接收质量。
7、READYTIMER（T3314）的优化
过大的ReadyTimer会导致手机经常处于GPRSReady状态。
而在Ready状态下，手机在计算相邻小区的C2值时，无论是LA内部小区还是LA外部小区，额外要加CRH的迟滞，为了减少手机处于Ready状态的时间，建议将覆盖铁路沿线的SGSN中的ReadyTimer相应调小，具体数值需要结合SGSN覆盖区的业务特点和GPRS寻呼指标进行调整，调整范围建议为5~20秒。
3.5.4切换参数设置原则
切换对于通信的保持性非常重要，高速列车也容易产生切换混乱或切换不及时问题。
切换算法属于厂家私有算法，因此涉及的参数均为厂家私有参数，对于不同的基站厂家应采用不同的切换策略。
但大多数切换参数都符合以下原则：
1、简化切换邻区关系
切换相邻关系越多，则需要测量的邻区信号越多，测量精度和测量及时率都会下降，在一定程度上会影响切换的准确性和及时性。
因此应尽量简化切换相邻关系。
2、切换算法的滤波参数
手机上报的测量报告要在BSS中经过平滑滤波后在送切换决策，这样做的目的是为了防止个别测量导致切换频繁发生。
各厂家的滤波算法差异较大，种类也较多，为适应高速列车的信号变化快的特点，应选择响应较快的滤波器类型，并且设置较短的滤波器长度。
3、切换边界偏移量的调整
在现网中为了话务均衡，有时会调整切换边界偏移量来控制相邻小区的话务分担。
在高速铁路线上不适宜采用这种话务调整方法，因为这样会造成单方向的切换滞后。
因此建议切换边界偏移量都应归零。
4、二次切换时间惩罚值
在铁路专网设计中，由于各相邻小区之间均有一定的重叠覆盖距离，而手机在发起切换后，同样可能由于信号衰弱等影响，造成回切，一旦发生，掉话机率必将大增。
在结合考虑列车行驶的速度，我们建议将惩罚值设为10秒，保证手机在发起切换后，在进入下一个邻区时才会发起第二次切换。
5、紧急切换参数
铁路专网的封闭性决定了相邻切换关系均是一级接一级，为了减少切换算法的复杂度，我们建议关闭质量紧急切换和电平紧急切换功能，仅留下功率切换预算
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