CRH动车组高速列车环境下的GSM网络优化

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1、CRHCRH 动车组高速列车环境下的动车组高速列车环境下的GSMGSM 网络优化网络优化李智旻李智旻 侯文军侯文军 韦巍韦巍 刘占强刘占强中国联通上海分公司中国联通上海分公司 200080摘摘 要要本文主要是中国联通上海分公司对动车组上海段沿线 GSM 网络采用了诸多创新性的优化手段，分别从实地测试、理论分析、网络规划、基站改造、后期优化调整等角度入手，最终成功的实现了动车组上海段全程无掉话。关键词：关键词： GSM 动车组 高铁 优化 网络规划 无掉话 改造ABSTRACTThe thesis is mayor in innovative opitimizational method in

2、GSM Network on High-Speed CRH train by shanghai Unicom. We took academic analysis, network planning, base station optimization & driving test. In the end we have achieved none drop call in shanghai Unicom GSM network on High-Speed CRH train. KEY WORDS:GSM, CRH train, High-Speed railway, optimization

3、, GSM network planning, none drop call目目 录录摘 要2ABSTRACT.21概述概述.32研究背景研究背景.3铁路提速.3CRH 列车 .33目前动车组列车网络质量的难点目前动车组列车网络质量的难点.3运行速度凸现的多普勒效应.3动车沿线切换成功率低.3高速频率干扰以及信号快衰落.34动车组优化策略及优化方法动车组优化策略及优化方法.3动车组沿线网络规划设计.3不同覆盖条件下的频偏多普勒效应比照.3针对高速环境下特殊手段的覆盖优化.3站距间隔较大造成的边缘覆盖盲区的优化.3周边基站受阻挡造成的局部覆盖空洞的优化.3高速环境下切换优化.3密集城区的优化.3

4、郊区旷野的优化.3动车组环境下900M/1800M双频网切换策略的优化.3针对干扰和以及快衰落的优化.3“高速干扰的优化.3其他针对干扰以及快衰落的优化措施.3动车组沿线容量的优化.35结论结论.36参考文献参考文献.3附：作者简介.31概述概述07 年 4 月 18 日铁路第六次大提速后在全国范围开行了大量高速动车组列车，为保证乘客的通信感受和效劳质量，中国联通上海分公司基于现有网络针对高速列车特征进行优化和改造专题技术方案。重点解决高速列车环境下260Km/小时 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。方案通过对动车组上海段的大量理论分析

5、、测试数据总结出了总体优化策略以及针对不同环境形式多样的优化手段，最终成功的实现了动车组上海段沿线全程无掉话。2研究背景研究背景2.1铁路提速铁路提速随着城市经济的开展，铁路系统对客货流转效率和效劳质量提出了越来越高的要求。自 2007 年 4 月 18 日起，中国铁道部在全国范围内实施了第 6 次大提速。提速后京沪、京广等干线列车时速将提升至 200Km 以上，其中上海段上海江苏昆山区间的最高时速到达 260Km。2.2CRH 列车列车在本次铁路提速的同时引入了 CRH 这一新型列车动车组：动力分布式列车。该列车分为 CRH1、CRH2、CRH3 和 CRH5 这 4 个种类，具体情况如下：

6、动车型号动车型号外方合作制造商外方合作制造商运营速度运营速度最高速度最高速度载客人数载客人数CRH1加拿大庞巴迪BSP200KM/h250KM/h670CRH2日本川琦重工200KM/h300KM/h610CRH3德国西门子330KM/h380KM/h380CRH5法国阿尔斯通200KM/h250KM/h604 目前全国范围较为普遍的为 CRH2 型日本川琦重工合作生产车型，图中所示3目前动车组列车网络质量的难点目前动车组列车网络质量的难点3.1运行速度凸现的多普勒效应运行速度凸现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远近，合成频率会在中心频率上下偏移的现象：当移动物体和基站越来越

7、近时，频率增加，波长变短，频偏减小，频偏的变化增大；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；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；运动速度越快影响越大；多普勒效应显著，进而影响无线通信质量多普勒效应显著，进而影响无线通信质量载干比载干比主要是与频偏的变化主要是与频偏的变化程度呈非线性关系，也就是说频偏的变化越大对无线质量的影响越大，所以当程度呈非线性关系，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的过程中，经过与基站垂直距离最近的点时多普勒效应最显列车高速通过基站的过程中，经过与基站垂直距离最近的点时多普勒效应最显著

8、。著。BTSBd0dv)(tTrain0dO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200Km/s 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。3.2动车沿线切换成功率低动车沿线切换成功率低动车组列车最高时速到达 260Km，普通环境下用户在不同基站之间的正常切换在高速运动环境演变为频繁切换、乒乓切换、切换失败率高以及大量的切换掉话问题。3.3高速频率干扰以及信号快衰落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

9、重复使用。普通情况下各小区主覆盖范围主控频点在平安复用距离的正常使用，但是在高速环境下主覆盖范围呈现扁平化特征，主覆盖范围沿铁路行径方向明显扩大从而引发了新的的频率干扰现象。此外高速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 无法顺利切出从而引发掉话。 4动车组优化策略及优化方法动车组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。4.1动车组沿

10、线网络规划设计动车组沿线网络规划设计 在单小区内的最低信号强度需求在单小区内的最低信号强度需求根据规 GSM 标准定义， 能发起和建立呼叫，需要的最低信号强度为：SSreq=MSsens+RFmarg+IFmarg+BL其中：MSsens ： 接收机灵敏度、为-104dBmRFmarg ：瑞利衰落快衰落余量可忽略不计IFmarg ：干扰余量2dBBL ：人体损耗5dB因此，SSreq =-97dBm考虑切换的最低信号强度考虑切换的最低信号强度随着列车的运行、 逐渐远离基站，效劳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， 要在接收的信号强度低于 SSreq 前切换到新的小区。也就是说

11、动车组列车内用户侧的覆盖目标为：SSdesire= SSreq+ HOmargin其中：SSreq ：-97dBmHOmargin：切换时间内的信号衰减余量， 远离基站而产生的慢衰落。根据 GSM 标准定义一次切换从测量报告开始需约 2-3 秒，结合动车组列车的时速260Km/小时、折合每秒列车前进了 21m，用户向远离基站的方向移动 21 米，信号衰减约在 48dB 左右，取上限 HOmargin8dB；列车内用户侧 SSdesire = SSreq +Homargin=-97dBm +8dB=-89dBm。而动车组车体外的设计信号强度 SSdesign 为：SSdesign= SSdesi

12、re +LNFmargin(o+i)+动车组列车穿透损耗其中：LNFmargin(o+i)：正态衰落余量，在市区、室内环境下取值，为12dB；动车组列车穿透损耗，现场采样实测约为1416dB因此，我们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因此，我们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SSdesign-64dBm不同覆盖条件下的不同覆盖条件下的频频偏偏 多普勒效多普勒效应应 比照比照针对动车组高速状态下的多普勒效应，从网络规划设计的角度一定程度的从物理上减小多普勒效应的影响。动车组条件下的网络规划设计的要求不同于当列车本身运行的速度一定时，如建设基站距铁路线较近时，列车

13、与基站的相对位移速度变化较大而在经过基站最近段角速度最大，频偏变化最大 ；如建设基站距铁路线合理且视距无阻挡时，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建站8001000m建站且视距范围内无阻挡，从网络设计规划角度一定程度的减少速度引起的多普勒效应。绿环基站天线侧对沪宁铁路覆盖角度绿环基站天线侧对沪宁铁路覆盖角度4.2针对高速环境下特殊手段的覆盖优化针对高速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

14、分布位置不合理不能到达前文提及理想的高铁覆盖条件 ，我们也针对这种情况对现网基站作了局部改造以适应高铁覆盖要求：站距站距间间隔隔较较大造成的大造成的边缘边缘覆盖盲区的覆盖盲区的优优化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局部区域弱覆盖以及无主控小区的情况。优化措施：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。周周边边基站受阻基站受阻挡

15、挡造成的局部覆盖空洞的造成的局部覆盖空洞的优优化化 该案例情况下，原先主覆盖铁路线的“长征基站主瓣方向被三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64dBm 的设计要求，优化前高速动车组列车必掉话 。优化措施优化措施：针对该情况我们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“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一一稳定的切换关系。4.3高速环境下切换优化高速环境下切换优化切换是动车组优化的重中之重，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

16、次的原因 90的切换造成的。针对切换问题，我们根据大量的动车组测试数据，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、密集城区鼓励合理切换、郊区旷野限制不必要切换郊区旷野限制不必要切换的总体优化策略。密集城区的密集城区的优优化化 密集城区列车车速主要以中低速行驶且城区基站分布也相对密集，主要网络问题也集中在同邻频干扰、越区覆盖等，故我们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。郊区郊区旷旷野的野的优优化化由于列车车速较高基站分布也相对稀疏，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等，故我们在该区域采取

17、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。动车组环动车组环境下境下 900M/1800M 双双频频网切网切换换策略的策略的优优化化在沪宁动车组切换优化过程中有一段区域如以下图所示 ，其中只有铁路线北侧的方泰、方伟基站图中圈出为 1800M 频段，其余均基站为中低速区域中低速区域0150Km高速区域高速区域150270Km900M 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异，故我们以往对 900M 基站和 1800M 基站的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

18、 1800M 基站上，最终造成用户的频繁掉话。优化措施优化措施：我们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，优化后高速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。4.4针对干扰和以及快衰落的优化针对干扰和以及快衰落的优化“高速干高速干扰扰的的优优化化由于动车组车速大幅度提高后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，我们也对局部郊区线路段基站实施了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

19、站的网内干扰，我们称之为“高速干扰高速干扰。优化措施优化措施：针对该种情况我们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，以最大限度的保障高端用户的使用感受。其他其他针对针对干干扰扰以及快衰落的以及快衰落的优优化措施化措施针对动车组环境特性，我们开启局部系统增强性的优化功能性参数：开启电平快衰落切换功能，关闭功率控制功能；关闭半速率功能；使用跳频频点优先功能；4.5动车组沿线容量的优化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，我们对动车组沿线占用基站组成的列表单独维护、重点监控，动态的对其话务负荷较高的基站迅速扩容并保

20、证较大的冗余，提高整个系统的可复制性和可靠性。5结论结论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，总测试里程到达 18000 多公里 ，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。 6参考文献参考文献1、华为技术公司 ?GSM 无线网络规划与优化? 人民邮电出版社2、韩斌杰 ?GSM 原理及其网络优化? 机械工业出版社3、张威, 汤炳富, 李忠明, 杨国珍 ?GSM 交换网络维护与优化?

21、人民邮电出版社4、William C.Y. Lee ?移动通信工程理论与应用? 人民邮电出版社5、Theodore S.Rappaport ?Wireless Communications Principles and Practice, Second Edition? 电子工业出版社6、Heine Gunnar. ?GSM networks : protocols, terminology, and implementation?7、Mehrotra , Asha. ?GSM system engineering?8、胡捍英、杨峰义 ?第三代移动通信系统? 人民邮电出版社附：作者简介附：作者简介李智旻 北京邮电大学 硕士 现工作于中国联通上海分公司 技术支持与网优中心联系方式：上海市虹口区西安路 78 号中国联通上海分公司北外滩局 邮政编码：200080 联系 ：XXXXXEmail：XXXXXX