GSM—R高速移动环境下的覆盖问题.pdf

通信与广播电视 2010年第2期 GSM—R高速移动环境下的覆盖问题 严纬华 摘 要 随着铁路的提速，高铁时代的来到，如何提供良好的移动终端及网络服务质量 成为迫切需要本文从多普勒效应、高速移动对呼叫和切换的影响等几个方面，来 讨论高速铁路对现有GSM网络及终端的影响，以及相应的解决方案 关键词：多普勒BER小区重选小区切换 Coverage Problem in GSM—R High Speed Mobile Environment Yan Weihua Abstract With the railway speed—up and the coming of high—speed rail era，it is in urgent need to provide good mobile terminals and high quality network service．This paper discusses the effect of high—speed rail to the current GSM network and the terminals，the corresponding solutions from different aspects，such as Doppler effect，the effect of high speed mobility to calling and switching． Key words：Doppler BER cell re—selection cell handover 概 述 随着铁路的提速，一些干线的时速已经达到了200～250公里／小时，已经建设中的高 铁，时速将达到了300~400公里／小时，城际铁路时速也将达到200～300 km／h。

在高速铁路时代，如何提供良好的移动终端及网络服务质量，成为设备商和运营商关注 点本文作者在前期刊物中，撰写了《基于模块化GSM．R设计》，介绍基于GSM平台 的、专门为铁路应用而开发的一种数字式无线通信终端设计本文则从多普勒效应、高速移 动对呼叫和切换的影响等几个方面来讨论高速铁路对现有GSM网络及终端的影响，以及相 应的解决方案 作者系南京联慧通信技术有限公司工程师 2010年第2期 通信与广播电视 二、分 析 移动速度的提高对于GSM网络而言存在的影响，可从以下几个方面进行分析： (1)速度的提高带来的多普勒频移，对终端接收灵敏度的影响 (2)速度的提高对网络小区重选的影响 (3)速度的提高对GSM网络切换的影响 1． 速度提高对GSM终端接收性能的影响 TA值 高速运动情况下保持基站和移动台之间的同步问题，主要体现在GSM时间提前量TA 这个参数的解码能力上TA的信息由网络侧通过SACCH消息(PS域是通过PTCCH消息) 发给MS，其发送的频率为每480ms一次在协议TS145．010 V6．7．0的5．6．1节规定：当网 络侧测算MS的TA改变超过一个符号周期时，新的TA调整值将发送给MS。

也就是说GSM 系统TA的最快的调整为每480ms调整一次，即调整一个码元(3．7us)，可以推导出其可支 持的最大速率为：3．7x10一x300000000／480msx3600s=8325km／h故在高速下目前TA机制 完全能够支持250km／h 多普勒频移 当终端在运动中通信时，特别是在高速情况下，终端和基站接收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： Fd=f／c V％cos0 (1) 其中： 0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； e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，即0=0，多普勒频 移最大 图1展示了多普勒频移对移动通信系统的影响，其中f0是中心频率，fd为多普勒频移 +一f0．fd—— ——f0一fd———一 ——MS移动方『 — 图1 多普勒频移 +一F0+fd—一 ——F0+ lr—— 通信与广播电视 2010年第2期 表1为典型情况下的最大多普勒频移(假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同) 表1典型情况下的最大多普勒频移 速度(km／h) 速度(m／s) af0(Hz)对内900M △ (Hz)对f0 1800M 200 55．6 166．7 333．3 30o 83．3 250．0 50o．O 4oo 111．1 333．3 666．7 下面通过实验，用综合测试仪对一标准GSM建立模拟测试环境，测试频偏对灵敏 度的影响。

设GSM工作频率点参考为 ，其接收信号功率参考为P0，此时对应误码率为BER (block error rate)，BER一般不超过2．4％为参考值参考频率点10的中心频偏改变为af0， 改变af0，则可测量到对应的BER值变化 对应GSM900，假设Po设为-109dbm，测量到BER值如表2，并可以得到对应的图2 表2 BER—GSM900 BER △ (Hz) Ch1 Ch62 Ch124 O 2．2％ 2％ 2．2％ 一165 2．2％ 2．2％ 2．3％ +165 2．1％ 2％ 2％ -330 2．2％ 2％ 2．1％ +330 2％ 2．2％ 2％ 注：功率参考一109dbm 图2 BER—GSM900 2010年第2期 通信与广播电视 27 对应DCS1800，假设P0设为一107．5dbm，测量到BER值如表3，那么并可以得到对应 的图3 表3 BER-DCS1800 BER △ (Hz) Ch5l2 Ch699 Ch885 0 2％ 1．5％ 1．8％ -330 1．8％ 1．5％ 2％ +330 1．8％ 2％ 2％ 一66o 1．8％ 1．8％ 1．8％ +66o 2％ 2％ 2％ 注：功率参考一107．5dbm 图3 BER．DCS1800 从表2、表3及图2、图3的直观图分析得到，模拟200km／h时速产生的多普勒频偏， 对终端的GSM900及DCS1800的接收灵敏度影响几乎没有影响，即使从表中看有接收灵敏 度波动，也可以认为是随机波动，而非必然。

通信与广播电视 2010年第2期 实际测试，当有兴趣再进一步探寻灵敏度一△幻影响边缘值，当GSM900频偏模拟达到 800Hz以上，DCS1800频偏模拟达到1800Hz以上，Af0会明显影响接收灵敏度，并致终端 出现易掉线 2． 高速移动对呼叫和切换带来的影响 移动通信系统随时对无线信道资源进行测量、评估、判决、执行等，并需要历经一定的 时间，从而完成如切换、呼叫等一些功能随着高速移动，那么一项流程如切换、呼叫等从 发起到完成，无线环境往往会发生很大的变化，此时有多种因素会产生影响 (1)网络小区重选的影响 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 MS中检测的所有载频电平更新一次的时间是34．5 s左右 那么在34．5 s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，影响小区选择和重选，则会造成手 机脱网。

(2)对Ms网络切换的影响 按GSM规范规定，通话模式下，MS每隔480 ms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)如果出现新小区，则需在5 s内解 调其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 通过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3 s，跨MSC切换一般需要5 S因此切换完成整个过程，典型值是BSC内小区 间切换为7 s，对于跨MSC的切换，时间将达到9 s 如果火车运行速度为200 km／h，那么对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，需要5+7=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，服务小区保证信号不发生快速衰落，且接收电平值不低于-95 dBm，才 能保证呼叫的正常进行对于MSC内切换，需要5+9=14 s，对应的距离是778 m 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内及跨MSC的切换所对应的最小覆盖距离分别是667+I 1 I =778 m和778+111=889 m；对于速度为400 km／h的火车，BSC内及跨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如果小区覆盖小，小区切 换失调，也会造成脱网呼叫建立+切换的情况下小区的最小覆盖范围如图4 2010年第2期 通信与广播电视 29 小区1覆盖范围(778m或889) 呼叫建立(1】lm) 重叠覆盖范围 检测点 解调BSIC+切换(667或778m) 切换点 小区2覆盖范围(778m或889) 图4呼叫建立+切换的情况下小区的最小覆盖范围 三、措 施 因此高速环境下，对网络质量要求也越来越高根据本文分析可知，在250km／h的速 度下，高速移动产生的多普勒频偏，对终端的解调性能影响不大重点可以从覆盖问题和切 换优化方面进行深入解决 机车采用了全封闭式设计，为了减少穿透损耗，故优先使用900 MHz网络进行覆盖， 避免采用1 800 MHz网络覆盖 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 简单邻区数量少。

扩大小区的覆盖范围，延长小区的驻留时间对于200 km／h的高速铁路，小区覆盖范 围应达到1 km，对于400 km／h的高速铁路，小区覆盖范围应达到2 km扩大小区的覆盖可 结合使用功放、直放站、射频拉远等措施 参考文献 1． ETSI TS 145 010 v6．7．0“Digital cellular telecommunications system(phase 2+)Radio Sub— system synchronization” 2． UIC project EIRENE System Requirements Specification 3． 王文博等编．移动通信原理与系统．北京邮电大学出版 。