论GSM铁路覆盖的工程设计

zjol

三门峡移动通信企业  刘海涛 解奋一

    摘要本文结合三门峡铁路的实际情况，分析了铁路覆盖的特点和难点，指出在保证一定的网络服务质量前提下，如何降低工程成本是本设计成功与否的关键；在分析了网络控制参数和用户行为的基础上，提出了控制网络覆盖成本的设计思路，比较了各种覆盖方式的特点，提供了以直放站方式为主的覆盖方案。提出了天线、设备和网络参数的优化思路和方法。总之，本文为以铁路为代表的道路系统覆盖提供了有益的探索。

    随着移动通信市场竞争日趋激烈，对移动通信技术提出了更高的要求，通过各种通信技术的综合利用，不断优化网络，提高网络的投资效益，以获得领先的网络竞争优势。移动通信相对于固定网络的优势贼在于其特有的“移动性”，在所有移动条件下提供畅通的网络服务无疑使这种优势的体现和强化，交通干线覆盖正是用户的需求，也是网络提高网络竞争力的重要内容。因此交通干线的覆盖具有十分重要的意义。

    一、铁路覆盖的特点

    相对于其他网络覆盖，铁路覆盖有其特殊的传播环境和覆盖特点。陇海线是连接我国东西部的铁路运输大动脉，其中三门峡境内总长200余公里，全程电气化复线，沿途地形复杂，多峡谷、隧道，具有很强的代表性。具体有以下特点：

    1.地形复杂。该路段位于豫西山区，铁路所经路段均为丘陵峡谷，铁路在山谷蜿蜒前行，弯道多，弯曲度大。

    2.隧道多且长。具有双线和单线两种隧道。

    3.列车是密封的庞大车体高速运行，火车车厢对无线信号具有较强的屏蔽作用和反射作用，尤其是隧道内和较窄峡谷中庞大的火车车体使得网络辐射环境发生瞬间改变。因此移动台切换频繁快速，无线信号多径衰落严重。这一点也是铁路无线传播环境不同于其他道路的特有特点。

    4.工程施工条件差，安全性能要求高，尤其是在电气化铁路上，不宜使用大型辐射系统和信号源系统。电源接入、避雷接地难以解决。工程造价高。

    5.网络信号成带状分布。移动台切换（通话状态下）和小区重选（空闲模式下）快速频繁。

    6.用户单一，只服务于列车上的用户，因此必须使工程造价大幅度的降下来，否则工程效益难以体现。

    因此如何在保证用户不间断使用网络的前提下，最大限度的降低工程成本，使铁路覆盖工程设计成功的关键所在。

    二、GSM网络控制参数及用户行为分析

    在设计网络覆盖的重要依据是用户的感知，以用户的用户感知为基础进行网络设计，通过对网络控制参数和用户行为分析，可以得出网络设计的原则。 用户对网络的使用分为空闲情况下和通话状态下，以下分别进行分析：

    1）、空闲状态下：

    空闲状态下，网络需要解决的是如何保证用户及时的位置更新（locationupdate）和网络对用户的寻呼（Paging）不因网络覆盖中断而失败。

    位置登记（Locationregistration）是GSM网定位用户和有效寻呼用户的保证，GSM网络寻呼用户是在用户登记的经过唯一编码区域（LAC Location area code）进行的。位置更新（location update）为保证用户及时进行位置更新和在进行位置更新保证信令的连续交换，因此在不同的LAC边界区域有良好的覆盖和足够的交叉覆盖区域。

    寻呼（Paging）当网络呼叫用户是在用户登记所在的LAC区域中的所有基站（BTS）下进行寻呼的，交换机MSC控制寻呼的次数和间隔，即：

    Repagingattempts(AT)：定义了MSC发起寻呼的次数，范围：0---5。

    Repagingintervals(INT)：定义了MSC发起寻呼的间隔，范围：50---1000，每个值代表10ms。

    以80公里/小时行驶的列车为例，列车每秒行驶距离：80000/3600=22.2米。

    设MAXINT=1000 即：最长寻呼间隔为：1000×10ms=10S

    AT=5 则：最长寻呼时间为：10S×5=50S

    在此期间，列车行驶距离为：50×22.2=1110m

    从上述分析可以看出，在最远距离达1.1公里的情况下，网络没有覆盖的情况下，不影响用户的通话的接续。当然，这是在用户不发生位置更新的情况进行的。

    2）、用户通话状态下：

    在用户通话状态下，一方面确保用户通话不间断，一方面保证话音的清晰度，前者主要是网络信号连续覆盖和顺利流畅的切换，后者主要是将网络干扰。

    RLT(Radiolinktimeout)：该参数是一个计数器（Counter），其目的是监测无线接口(移动台MS和基站BS间)是否继续保持。该参数是以是否正确接收到SACCH(Slow Associated Control Channel)信令进行计数的，当正确收到SACCH时，计数器增1，否则，减1，当计数器为零时，通话即被释放。RLT范围为：4—64个SACCH间隔。

    当RLT设为最大值时，可以提供30秒左右的时间间隔。

    CallReestablishmentAllowed：当该开关值打开时，在RLT=0时，无线接口释放的情况下，MSC仍将等待一段时间（20秒），在此时间段内，无线信号达到接入要求时，即启动呼叫重建程序，则呼叫可以继续保持。

    从上述分析可知，在通话状态下，无线接口的不连续在一定的时间内（50秒）仍可以使通话得以保持，也可以提供1.1公里的覆盖盲区冗余。

    但是，从用户的行为上分析，无论是空闲模式下，还是通话状态下，用户不会在50秒内仍保持通话和呼叫，在如此长的时间内用可能早已结束通话。因此通常取20秒的时间。在距离上即为400~500米左右。

    从上述分析中可以得出覆盖原则：

    在信号强度小于－94dBm的路段进行深度覆盖，以保证火车上的移动手机用户能进行连续的通话。根据实际勘测以及铁路覆盖工程的实际经验，在能够提供顺利切换的条件下，长度在500米以下信号强度小于－90dBm的路段一般不会对手机用户的通话效果带来很大的影响，从铁路覆盖工程的整体性价比出发，对上述类似的路段（包括铁路隧道）可不考虑覆盖。特别对于隧道覆盖，部分长度较短的隧道（500米左右），在隧道两侧信号如为同LAC时，从工程成本考虑，不对其进行覆盖；但是当隧道两侧信号为不同LAC时，为保证火车在进出隧道时的正常切换，需对其进行覆盖。

    三、信号源及辐射方式的选择

    1）信号源的选择：

    GSM网络的覆盖可以采用宏蜂窝、微蜂窝、直放系统（无线和光纤）为信号源。

    各种信号源比较：

    虽然无线直放站的使用受到许多条件限制，但是铁路复杂的地理条件反而有利于直放系统的使用。复杂的地理环境对无线电磁波传播极为不利，但同时较好的隔离度对直放系统的使用极为有利。因此，为节约工程成本，大家采用以无线直放站为主，光纤直放站和微蜂窝为辅的信号源方式。

    在无线直放站无法满足的区域，考虑使用微蜂窝（Metrosite）作为信号源进行覆盖。但是微蜂窝覆盖距离不够长时，容易造成频繁的位置更新和切换，或者是频繁的位置更新和切换来不及完成已经超出覆盖区。

    2）辐射方式选择：

    【1】用角反射天线覆盖铁路

    对于铁路沿线露天峡谷的覆盖，由于角反射天线的方向性和隔离度非常好，增益也较大，故此种覆盖方式最为合理。

    由于无线电波信号衰耗与当前环境有很大的关系，比如铁路的拐弯、山体的阻挡和反射等，因此，在工程的施工中，在重发天线的位置选择上，应尽可能的避开阻挡，选择条件尽可能好的地方，使覆盖区范围内的信号尽可能的好。

    但角反射天线体积过大，不宜在隧道覆盖时使用。

    【2】八木天线覆盖隧道

    隧道内无线电波的传输特性相当复杂，同时火车车速、隧道宽度等影响也较大，同时隧道的特殊环境使得辐射天线不宜过大，而八木天线具有较好的物理特性，其辐射方向正好与物理方向平行，适合在隧道壁上挂附。但是其增益有限，根据隧道工程的实际开通经验，在八木天线口输出33dBm的情况下，最多可以覆盖300~400m的隧道，超过此长度，运行火车内的手机信号强度将低于-94dBm。基于此思路，隧道内八木天线一般最长覆盖的区域为400m左右。

    【3】用泄漏电缆覆盖隧道

    在长隧道内只能采取泄漏电缆覆盖的方式。在信号原输出功率33dBm计算，对于泄漏电缆的设计遵循一台信号源设备带泄漏电缆长度不超过600米的原则。否则应加装功放设备。

    以上三种辐射方式可与信号源进行任意的组合，根据实际情况灵活选择。

    三、其他附属系统设计

    由于铁路系统的施工条件极为恶劣，因此供电、防雷接地系统、监控系统以及建成后的维护成本等方面都是覆盖系统设计时必须注意的重要方面，这些方面都应予以充分考虑。

    电气化铁路使用的是十千伏的供电系统，因此所有设备尤其是传输系统应具有较好的屏蔽和接地系统，以降低静电感应的影响。

    由于铁路沿线有高压电网和高山阻挡，同时本身的避雷系统设计也比较好，对避雷系统可根据实际情况灵活设计，适当放宽。

    铁路覆盖设备种类多，位置条件复杂，因此要求各个网元必须具有可维护性，提供完善的监控手段，包括工作状态的监视、频率及增益的调整等。

    四、铁路覆盖系统网络优化

    铁路覆盖系统完成后，原有网络系统结构被破坏，因此需要对整个系统网络进行优化。系统网络优化是一个复杂的过程,网络优化的关键是进行网络分析与问题定位，现行GSM网络存在问题主要从干扰、掉话、话务分布的均衡与流向和切换等方面进行分析，分析依据是得到可靠的网络数据，依据网络数据分析工程问题。

    1、天线及设备性能优化

    天线系统优化主要包括天线的高度、天线下倾角度、方位角以及增益、极化方式波束宽度等的调整，通过这些参数的调整可以优化隔离度、辐射性能，以提高覆盖效果。

    由于大量使用了直放站系统，因此主要对直放站引起的上行干扰噪声、隔离度以及上下性平衡进行分析优化

    2、基站参数优化

    系统开通后，根据网络运行报告和DR测试结果，网络参数主要是针对切换进行了优化，主要是通过加快切换的速度提供切换成功率，以降低掉话率：

    切换优先级HOPriority（0—7）

    该参数为了解决重复切换造成切换失败率及掉话率高的问题，将邻区表中的一些较为理想的小区提高切换优先级，使之切换更具目的性。通过设定优先级，可以使MS在特定的运动方向形成一个链状的服务小区，避免过多的判断时间，缩短切换时间。

    HandoverPeriodPBudget(HPP)(0—63SACCH)

    启用PowerBudgetHandover可以确保MS用最小的路径衰落切换至信号较强的相邻小区，尽管此时信号质量（Quality）和电平（Level）并未超出门限。在Power Budget Handover使用时，BSC每隔HPP时间间隔计算一次相邻小区的无线链路优先级，如果比较值大于设定的门限，则发起切换。

    在DR测试报告中,大家发现有些主控小区的信号很弱却不向信号较好的相邻小区做切换,其原因是由于火车运行速度过快，致使还未做出切换判断就已掉。降低该参数可以缩短Powerbudget切换判决的间隔时间,从而加快切换速度

    HandoverThresholdLevelDL(LDR)和 HandoverThresholdLevelUL (LUR)

    通过提高电平切换门限(LDR=-92dBm,LUR=-90dBm),使得MS更易触发门限, 提早开始切换判别,从而MS能及时切换至最好小区。

    FastMovingMS Handing

    快速移动台处理主要是在双层网（Umbrella）中使用，当用户在穿越双层网时，使用宏小区（Macrocell），避免切换之内层小区（Microcell）,造成切换过于频繁。

    铁路覆盖启用MSSpeedDetection可以将某些由于覆盖距离过短的小区设为Microcell，避免出现移动台瞬间使用某些小区信号，切换过于频繁的现象发生，从而降低掉话率。

    特别强调一点，以上种种网络控制方法的利用必然会加大网络信令系统的流量，同时列车的快速移动也是的信令和测量数据大量增加，因此必须为网络提供足够的信令信道，保持信令畅通，避免信令拥塞至关重要。

    五、结论：

    铁路GSM网覆盖工程是一项复杂的系统工程，其特殊的无线传输环境决定了其网络的特殊性，覆盖手段的多样性；同时铁路安全运行及特殊的施工环境又对网络设备的选取提出了特殊的要求，这从另一个方面对网络设计提出了挑战。

    三门峡铁路覆盖工程设计，信号源以直放站系统为主，微蜂窝为辅的设计思路，辐射方式以泄漏电缆和八木天线为主，其同方式为辅的方式进行。在仔细分析网络呼叫流程的基础上，利用各种综合的分析手段，通过各种优化手段和覆盖方式的综合应用，在控制投资规模的基础上，网络覆盖率基本达到了设计目标，网络指标有一定的改善。

    铁路GSM覆盖工程设计可以为快速移动下带状分布系统提供了有益的经验。