高速鐵路質量提升技術方案-高速鐵路專網(wǎng)設計與優(yōu)化方案

1、高速鐵路專網(wǎng)設計與優(yōu)化中國移動通信集團上海有限公司2007年6月 目錄一、摘要 (4關健字: (4二、課題研究背景 (42.1 鐵路提速 (42.2 CRH簡介 (4三、高鐵專網(wǎng)設計方案 (53.1專網(wǎng)設計目標 (53.2列車穿透損耗測試 (53.3重疊覆蓋距離估算 (83.4傳播模型采用 (93.5話務模型分析 (173.6天線選擇 (233.7站臺與大網(wǎng)的銜接 (24四、高鐵專網(wǎng)組網(wǎng)方案 (244.1專網(wǎng)小區(qū)組成 (244.2專網(wǎng)吸收周圍大網(wǎng)話務預估 (274.3各廠商BSC承載能力 (274.4 BSC歸屬和LAC設置原則 (284.5切換關系設置原則 (30五、高鐵專網(wǎng)優(yōu)化方案 (31

2、5.1專網(wǎng)頻率規(guī)劃原則 (315.2專網(wǎng)信道配置原則 (315.3小區(qū)參數(shù)設置原則 (325.4切換參數(shù)設置原則 (33六、技術方案總結 (33一、摘要鐵路大提速后,為保證乘客的通信暢通和通信質量,特制定高速鐵路專網(wǎng)建設與優(yōu)化技術方案。本方案立足于鐵路專網(wǎng)設計總體目標,重點解決鐵路提速后手機用戶通信時發(fā)生的切換混亂、接通率低和掉話等現(xiàn)象,為此提出了高速鐵路組網(wǎng)方案,包括位置區(qū)劃分、基站配置和BSC歸屬等,并結合實際情況制定了相應的優(yōu)化方案,包括專網(wǎng)頻率規(guī)劃和專網(wǎng)小區(qū)無線參數(shù)設置原則等。方案特別關注鐵路提速后引入的動車組列車,對各種列車的穿透損耗進行了測試與分析,通過引入標準傳播模型以及對地貌因

3、子的校正,為基站位置和天線放置位置的正確選擇提供了依據(jù);同時通過建立行駛列車中乘客的話務模型和數(shù)據(jù)業(yè)務模型,提出了各專網(wǎng)小區(qū)的載頻配置原則。方案所提及關鍵技術和指導原則均在滬寧鐵路(上海段專網(wǎng)覆蓋建設中得到應用,效果明顯,表明此方案對于鐵路專網(wǎng)建設具有指導性、實用性和有效性。關健字:高速鐵路、穿透損耗、傳播模型、話務模型、網(wǎng)絡規(guī)劃、網(wǎng)絡優(yōu)化二、課題研究背景2.1 鐵路提速隨著城市經(jīng)濟的發(fā)展,鐵路運輸系統(tǒng)承擔起越來越多的客流運送任務。自2007年4月18日起,中國鐵道部將進行第6次列車提速。屆時,列車時速將提升至200公里,而京哈、京滬、京廣、膠濟等提速干線部分區(qū)段可達到時速250公里。2.2

4、CRH簡介在本次鐵路提速的同時,鐵道部引入了CRH這一 新型列車,該列車全稱為“中國高速鐵路列車”,CRH是(China Railway High-speed英文字母的縮寫。該列車分為CRH1、CRH2、CRH3和CRH5這4個種類,其中,CRH1、2、5均為200公里級別(營運速度200KM/h,最高速度250KM/h。CRH3為300公里級別(營運速度330KM/h,最高速度380KM/h。而CRH2具有提升至300KM級別的能力。表1:CRH列車基本信息表列車類型運營速度最高速度載客人數(shù)列車長度列車材質CRH1 200KM/h 250KM/h 670 213.5M 不銹鋼CRH2 200

5、KM/h 250KM/h 610 201.3M 中空鋁合金車體CRH3 330KM/h 380KM/h 暫無200.0M 暫無CRH5 200KM/h 250KM/h 604 205.2M 中空鋁合金車體三、高鐵專網(wǎng)設計方案3.1專網(wǎng)設計目標列車中的用手機用戶進行通信時,由于受到高速移動過程中的快衰弱影響,列車材質對無線信號衰減的影響,往往會發(fā)生切換混亂,無法接通,掉話等現(xiàn)象。另外,由于組網(wǎng)過種中涉及的位置區(qū)過多,在LAC邊界處又會由于大量位置更新而造成SDCCH溢出。因此,鐵路專網(wǎng)設計的目的就是在克服上述影響的情況下,提高通信質量,從而提高用戶感知度。因此,本次專網(wǎng)設計的目標值為列車內電平強

6、度達到(-85dBm-80dBm,DT指標盡量達到集團要求的城市DT測試標準。3.2列車穿透損耗測試 高鐵專網(wǎng)設計中,首先要對各列車類型做相關的穿透損耗測試,以穿透損耗最大的車種作為設計基礎,來確保用戶在各種車型中都可以獲得正常的通話電平值。為此,我們對鐵路上海段行駛的T型列車、K型列車、龐巴迪列車和子彈頭CRH2型列車逐一做了相關測試工作。其中測試發(fā)信工具采用愛立信發(fā)設設備、定向天線支架和衰減器,該設備安裝在列車外空地上;測試收信設備采用SAGEM OT290,該設備將在車廂外及車廂內多點處進行接收采樣,從而比較出車廂內外的電平值差異。 圖1:T型列車測試平面圖表2:T型列車測試結果車廂類型

7、位置接收電平(dBm 衰耗值(dB硬座車廂a點-60 0 a1點-75 15 b點-60 0 b1點-61 1 b2點-72 12 c點-61 0 c1點-61 0 c2點-74 13T型列車車窗比較大,車窗玻璃衰耗很小,衰耗約為2dBm;車內綜合衰耗(人體、座椅等約為10dB;播音室損耗16dB。圖2:K型列車測試平面圖表3:K型列車測試結果位置接收電平(dBm 衰耗值(dB硬座車廂A點-60 0 A1點-76 16 D點-80 20 B點-61 0 B1點-63 2 B2點-72 11 C點-62 0 C1點-64 2 C2點-74 12軟臥車廂E點-61 0 E1點(門開-67 6普通K

8、型列車窗玻璃衰耗約為3dB;車內綜合衰耗(人體、固定物約為10dB;值班室或播音室衰耗約為16 dB;臥鋪車廂車體衰耗約為7dB,臥鋪車廂門衰耗約為7dB。D 圖3:龐巴迪型列車測試平面圖 表4:龐巴迪型列車測試結果車廂類型位置 接收電平(dBm衰耗值(dB軟臥車廂A 點 -53 0 C 點 -70 17 F 點(門開-74 21 F 點(門關-77 24 B 點 -52 0 D 點 -72 20 E 點(門開 -76 24 E 點(門關-7927龐巴迪車體衰耗約為17 dB ,車廂內空間衰耗約為4 dB (相比T 和K 型列車,車廂內的人非常少,臥鋪車廂門衰耗約為3 dB 。 圖4:CRH2

9、型列車測試平面圖表5:CRH2型列車測試結果車廂類型位置接收電平(dBm 衰耗值(dB軟座車廂A點-49 0 C點-50 1 E點-60 11 B點-53 0 D點-55 2 F點-62 9車體衰耗約為1dB,通過模擬測試發(fā)現(xiàn)CRH列車車體基本沒有損耗。車廂內空間衰耗約為10 dB(相比T和K型列車,損耗也較小。通過對上述4種類型的列車進行穿透損耗測試,可以發(fā)現(xiàn)新型CRH列車的穿透損耗未高于龐巴迪列車,因此上海段的專網(wǎng)設計中,假如要求車廂內提供用戶通信的電平值要達到-85dBm以上,則列車車廂外的覆蓋電平需達到-60dBm。表6:各車型穿透損耗總結車型普通車廂(dB臥鋪車廂(dB播音室中間過道

10、(dB綜合考慮的衰減值T型列車12 -16 12 K型列車13 14 16 14 龐巴迪列車-24 -24 CRH2列車10 -10 專網(wǎng)設計采用值24 注:鐵路上海段目前行駛的CRH僅為CRH2型,其它類型的CRH穿透損耗需按實際情況重新測試。3.3重疊覆蓋距離估算在GSM通信事件中,小區(qū)重選與小區(qū)切換需要一定的時間來完成接續(xù)工作。其中小區(qū)重選規(guī)則中,當手機測量到鄰小區(qū)C2高于服務小區(qū)C2值且維持5秒鐘,手機將發(fā)起小區(qū)重選,若在跨位置區(qū)處,則鄰小區(qū)C2必須高于服務小區(qū)C2與CRH設置值的和且維持5秒鐘,手機發(fā)起小區(qū)重選和位置更新。而在小區(qū)切換過程中,通常測量報告在經(jīng)過設定的SACCH窗口值平

11、滑后,經(jīng)BSC判斷,將發(fā)起小區(qū)切換,而整個切換的時間取決于SACCH的設置值,該值通常設為8。表7:小區(qū)重選與小區(qū)切換通信事件滿足條件估算時長小區(qū)重選C2(鄰>C2(服務且時間達到5秒5秒位置更新C2(鄰>C2(服務+CRH(服務且時間達到5秒5秒小區(qū)切換rxlev(鄰>rxlev(服務且時間達到給定的SACCH設定值小于5秒 我們在研究專網(wǎng)小區(qū)重疊覆蓋區(qū)域的同時,假定重疊區(qū)域覆蓋是均勻的。在左圖中,點A、C和點B、D分別是兩個小區(qū)的邊界,E點為兩小區(qū)RxLev等值點。BC段為兩小區(qū)重疊覆蓋距離。取小區(qū)重選與小區(qū)切換較長的時間(5秒鐘作為計算基礎,若列車由小區(qū)1行駛至小區(qū)2,

12、則列車在EC段之內必須完成小區(qū)重選或小區(qū)切換,因此重疊覆蓋距離BC段的列車行駛時間為10秒鐘,按照公式: 在列車在市區(qū)時的進站和出站時由于是變速行駛,我們給出的平均速率為180KM/h,折50M/s;在列車均速行駛時,按照其運營速率200KM/h,折算等于55M/s;按照其最大速率250KM/h,折算等于70M/s。因此專網(wǎng)小區(qū)的最小重疊覆蓋距離為市區(qū)內平均330M,市區(qū)按運營速率計算為550M,按最大速率計算為700M。表8:專網(wǎng)小區(qū)重疊覆蓋距離區(qū)域市區(qū)內市區(qū)外運營速率最大速率最小重疊距離500M 550M 700M建議設計的重疊距離600M 660M 840M3.4傳播模型采用在無線規(guī)劃中

13、,采用合適的傳播模型可以準確地預估所需要的基站數(shù)量以及覆蓋強度,而在鐵路專網(wǎng)的設計中,我們采用的傳播模型是ALCATEL A9155 V6中的標準傳播模型(SPM模型。ALCATEL A9155 V6中的標準傳播模型(SPM 模型以COST231-Hata 經(jīng)驗模型為基礎,可用于150-2000MHz 的無線電波傳播損耗預測,作為無線網(wǎng)絡規(guī)劃的傳播模型工具,具有較好的準確性和實用性。 SPM 傳播模型SPM 模型的數(shù)學表達形式是:50123456log(log(log(log(eff eff m eff clutterPL K K d K H K D iffraction K d H K H

14、K =+ (式1 表9:SPM 模型各系統(tǒng)含義系數(shù) 說明默認值 K1 頻率相關因子 12.4 K2 距離衰減因子44.9 K3 基站發(fā)射天線有效高度相關因子 5.83 K4 衍射計算相關因子0 K5 發(fā)射天線有效高度和傳播距離相關因子 -6.55 K6 移動臺接收天線有效高度相關因子 0 Kclutter地貌相關因子 1 表10:SPM 模型默認值參見表1參數(shù) 含義量綱 d 發(fā)射點到接收點的直線距離 mHeff基站天線有效高度m Diffraction 衍射損耗 dBHmeff 移動臺天線有效高度m在無線網(wǎng)絡規(guī)劃中,通常使用經(jīng)驗的傳播模型預測路徑損耗中值,不同的模型可應用于不同的無線場景。在這

15、些模型中,影響電波傳播的一些主要因素,如收發(fā)天線距離、天線相對高度和地型地貌因子等,都作為路徑損耗預測公式的變量或函數(shù)。但是實際的無線環(huán)境千變萬化,因此傳播模型在具體應用時,需要對模型中各系數(shù)進行必要的修正,從而找到合理的函數(shù)形式,這個過程就是傳播模型校正。盡管SPM 模型的各個因子都是可以進行校正的,但在實際應用中由于所能采集的數(shù)據(jù)有限,并且在特定應用場合中所關注的因子并不相同,因此模型校正的總原則是:對于特定應用場景,對重點相關因子進行修正。K1是與頻率相關的因子,對于GSM 900M 或1800M ,可以取默認值12.4。K2是反映模型校正區(qū)域內總體無線環(huán)境特征的參數(shù),能普遍適用于模型校

16、正區(qū)域。如果應用場景屬于K2對應的無線環(huán)境,K2可以取相應的默認值。K3是與天線有效高度相關的因子,由于天線掛高在測試過程中保持不變,而且測試的距離通常在3km范圍內,天線覆蓋區(qū)域內的地形變化通常并不明顯。因此在整個測試過程中K3對模型的準確性影響較小,不建議對K3進行校正。K4是與衍射計算相關的因子。如果測試區(qū)域內,圓錐體(劈尖或圓柱體物體(建筑所占比例較少,邊緣繞射或曲面繞射對總場波傳播的損耗有限,因此建議K4取為0。K5是對K2和K3兩個影響因子的綜合,建議取默認值。K6是與移動臺天線有效高度相關的因子。類似于K3因子,不建議K5進行校正。Kclutter是地形地貌因子。無線網(wǎng)絡規(guī)劃的對

17、象之一是不同的無線環(huán)境,而無線環(huán)境的表現(xiàn)載體是豐富的地形地貌。現(xiàn)階段對GSM傳播模型校正的主要任務集中在Kclutter的確認和修正。測試數(shù)據(jù)采集模型校正結果的準確性很大程度上依賴于路測采集數(shù)據(jù)的可靠性。數(shù)據(jù)采集的原則包括:(1測試采集數(shù)據(jù)應至少包括經(jīng)度、緯度和場強信息。(2測試采集數(shù)據(jù)應當能很好地反映測試信號的中值,避免因采集數(shù)據(jù)中所包含的快衰落未被濾去而影響校正的準確性,并注意測量數(shù)據(jù)的突然變化。(3單位時間、單位距離內的采樣點數(shù)可參考李氏定理。(4移動臺接收天線高度為1-2m,接收機及GPS采用外接天線置于車頂,以避免因測試車與基站相對位置的不同而導致的車體損耗差異及人體損耗。(5隧道或

18、橋梁等特殊場景的數(shù)據(jù)應進行標記,便于事后篩選。(6與本地地貌明顯不符的地方應進行標記,便于事后篩選。(7當接收信號不滿足以下條件時,測試不應當再向遠處延伸。接收信號-接收機靈敏度>10dB接收信號-底噪>20dB數(shù)據(jù)預處理由于數(shù)據(jù)采集設備測到的場強數(shù)據(jù)為信號的瞬時值,其中包含著快衰落成分,需要進行數(shù)據(jù)預處理。當接收機距離發(fā)射機比較遠時,接收信號強度很低,因接收機靈敏度的影響,其測量值往往不準確;對于測試信號,底部噪聲在遠端接收信號中的比例比較大,不利于模型校正,所以遠端的測試點應予以去除。當接收機位于基站附近時,由于受天線垂直方向圖的影響,接收信號的功率主要受到基站附近建筑物和街道

19、走向的影響,因此離基站很近的測試數(shù)據(jù)不能用于傳播模型校正。在測試過程中,由于人為失誤或設備故障,可能會出現(xiàn)偏差很大的測量數(shù)據(jù),另外由于測試中行車路線受路況限制,可能偏離測試方案預定的測試區(qū)域。為了防止這些數(shù)據(jù)對模型校正的影響,在模型校正之前應予以濾除。數(shù)據(jù)預處理可以采用算術平均法,對于經(jīng)緯度信息相同的場強數(shù)據(jù),求算術均值;也可以采用統(tǒng)計平均法,對于經(jīng)緯度信息相同的場強數(shù)據(jù),采用中值作為測試數(shù)據(jù)。另外,由于GPS 設備信息更新的速度有限。如果在同一GPS 上聚集了大量的數(shù)據(jù),可以對得到的測試數(shù)據(jù)在兩個相鄰的GPS 信息點上進行插值處理,將測試到的數(shù)據(jù)平均分配到相鄰的GPS 信息點的連線上。 傳播

20、模型校正方法在鐵路專網(wǎng)設計中,模型校正主要是對地形地貌因子Kclutter 進行校正。為了便于說明問題,當基站天線有效高度(Heff 和移動臺天線有效高度(Hmeff 確定后,SPM 模型可以表示為:501212log(L PL C C d C C D=+=+ (式2其中,11346log(eff m eff clutter C K K H K D iffraction K H K =+225log(eff C K K H =+當C 2已知,C 1得到校正值后,即能計算出地形地貌因子(Kclutter 的校正值。如果借用最小二乘法對C 1進行校正,則根據(jù)式2的表達形式,對于一組有效的測試數(shù)據(jù)L

21、 i (i=1,2,N和d i (i=1,2,N,有:12211N Nii i i C LC D L C D =-=- (式3-11112221111(NNNiiiii i i NNi i i i D LD LNC D D N=-=- (式3-2使得L 的預測誤差最小。考慮到地貌的純粹度,以及避免測試過程中建筑物阻擋等影響,在滬寧鐵路(上海段沿線原有站點中選擇符合地貌測試要求的3個站點(分別是錦星、翔黃和紅湖基站,進行實地測試。表11:傳播模型校正實測點站點序號 站址 經(jīng)度緯度天線掛高(m EIRP1 錦星 121.39204 31.262682 29 45.75 2 翔黃 121.29412

22、 31.28767 15 45.75 3紅湖121.15931.303263245.75其中基站EIRP=發(fā)射機輸出功率(41.1dBm -饋線損耗(3.5dB +天線增益(8.15dB ,計算結果為45.75dBm 。表12:測試設備工具名稱 型號廠家 發(fā)射機 IFR 2025 signal generator IFR 接收機 E6474A (software E6455C (hardware Agilent 天線 K751664 kathrein 饋線 1/2” 數(shù)字地圖 20m*20m GPS GARMIN X21 筆記本電腦Dell D610測試結果描述測試中一共測試了三個點:錦星、翔

23、黃和紅湖。在具體的測試路線選擇以及數(shù)據(jù)的采集上都達到了要求,路線基本在所需測試地貌內,地貌所需數(shù)據(jù)量也足夠用于分析,最后的校正結果也達到了起初的目的,能根據(jù)測試地區(qū)的地貌情況,給出了一個推薦的數(shù)據(jù)。以下是這次測試的一個總體分析。各個站點的路測結果分別如下圖所示: 圖5:模型校正路測圖對測試所經(jīng)過的采樣點進行統(tǒng)計,本次測試共3個站點,采樣點一共有27038個(經(jīng)緯度信息相同的場強數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計平均,其中地貌“空曠市區(qū)(urban open area”所收集到的采樣點占總數(shù)據(jù)的62%,其他各種地貌所占的采樣點都在6%左右,如下圖所示。前以提級,本次模型校正主要針對urban open area地貌因

24、子進行校正。表13:模型校正采樣點地貌類型采樣點數(shù)water 199sea 0wet_land 2012suburban open area 1879urban open area 16797green_land 1215forest 0high_buildings(height>40m 27ordinary regular buildings(heights 40m-20m 190parallel regular buildings(heights<20m 1059irregular large(h<20m,a>20*40m 1789irregular buildin

25、gs(height<20m 1808suburban village 63park 0合計27038校正結果采用最小二乘法對單個地貌因子進行校正或對所有地貌因子進行聯(lián)合校正,經(jīng)過多次校正,得到如下結果:表14:模型校正前后值地貌類型 損耗(校正前 損耗(校正后water -27-27 sea -27 -27 wet_land-23 -23 suburban open area -22 -22 urban open area -14 -20 green_land -20 -18 forest-9 -11 high_buildings(height>40m-1 -2 ordinary

26、regular buildings(heights 40m-20m -3 -6 parallel regular buildings(heights<20m -6 -8 irregular large(h<20m,a>20*40m -11 -4 irregular buildings(height<20m -8 -8 suburban village -14 -14 park-15-15將模型校正結果用于各個測試站點,得到校正后的預測值,校正前后的實測值和預測值對比圖如下所示,其中紅線是實測數(shù)據(jù),藍線為預測值: -45-85-65-45-85-65校正前校正后圖6:紅湖

27、基站校正前后實測和預測值對比 -45-85-65-45-85-65校正前校正后圖7:翔黃基站校正前后實測和預測值對比-45-85 -65 -45-85 -65校正前校正后圖8:錦星基站校正前后實測和預測值對比綜上,通過衡量誤差和均值兩個指標,校正后的模型達到了預期校正的目的,校正后地貌“空曠城市區(qū)(urban open area”的地貌損耗為-20dB。3.5話務模型分析通過模型校正及覆蓋以預測后,我們可以知道在給定的區(qū)域內需要建設專網(wǎng)小區(qū)的最小數(shù)量,而這些小區(qū)所需要的載頻配置數(shù)將是本節(jié)的研究重點。列車用戶對專網(wǎng)小區(qū)產生的話務不同于普通宏站,由于同一鐵路上一個小時內行駛的列車數(shù)量是有限的。列車

28、用戶帶來的話務量為每班列車話務量乘以一小時內通過的列車班次數(shù)。為了保證專網(wǎng)小區(qū)的話音不溢出,就需要保證每班列車在某一專網(wǎng)小區(qū)下通話而不產生溢出。在進行鐵路專網(wǎng)設計時,我們采用兩種方法進行列車話音業(yè)務預估:ERL B表法CRH的標準配置為8節(jié)車廂,額定載客人數(shù)為600人次,但目前也有加長型CRH配置,即由2列CRH合并組成16節(jié)車廂,這樣用戶人數(shù)就達到1200人。按照目前移動客戶滲透率65%計算,則這樣一班CRH的移動用戶為780人。以每用戶0.02ERL計算,則將帶來15.6ERL話務,查ERL B表(1%呼損可得需要25個TCH,考慮到GPRS業(yè)務,專網(wǎng)小區(qū)至少配置5TRX。愛爾蘭B表法計算

29、簡便,但是由于專網(wǎng)內的話務均在列車使入后突發(fā)產生,因此僅參考愛爾蘭B表的數(shù)據(jù)將產生載頻設計偏差。信令分析法信令分析法的原理是在專網(wǎng)建設完成前,我們在鐵路段市郊邊界的跨LAC點取一個主覆蓋鐵路的專網(wǎng)小區(qū)。可以認為當列車進入市后,乘客意識到自己肯定不是漫游了,就會適當?shù)亩啻螂娫捊o家人,因此該小區(qū)的話務分析具有典型性。當列車穿越位置區(qū)時,可以看到邊界小區(qū)因手機位置更新必然會瞬時產生大量SDCCH 請求,那么我們認為這個時間點是列車進入小區(qū)的起始點。然后采集小區(qū)話務量變化和占用TCH信道個數(shù)的變化來推算列車旅客帶來的影響。以上海地區(qū)為例,我們對BSC36_5下的建華_1小區(qū)進行了信令跟蹤,然后分析1小

30、時內所有由江蘇使入上海站的列車產生的話務量。表15:建華_1的TCH變化情況列車通過時間13:13:28-13:14:4813:22:08-13:23:2813:31:18-13:31:3814:03:38- 14:04:58小區(qū)的TCH占用總時長(列車進入(s 1200 1002 1158 1272 小區(qū)的TCH占用總時長(列車未進入(s 740 520 680 780 小區(qū)的TCH占用總話務量(列車進入(Erl 0.333 0.278 0.322 0.353 小區(qū)的TCH占用總話務量(列車未進入(Erl 0.206 0.144 0.189 0.217 小區(qū)的TCH占用總話務增量(列車進入前

31、后(Erl0.128 0.134 0.133 0.137平均每輛列車貢獻的話務量(Erl0.133經(jīng)過計算,在列車通過該小區(qū)的時間段內的TCH占用總時長為4632s,總話務量為1.286Erl;在沒有列車開過的相同時間段內的TCH占用總時長為2720s,總話務量為0.755Erl。通過以上兩組數(shù)據(jù)我們可以得到測試時間段內平均每輛列車帶來的總TCH話務量約為0.133ERL。而對TCH占用數(shù)據(jù)的分析,我們也可以得到該小區(qū)瞬時的TCH占用數(shù)為12個信道。因此,建議的專網(wǎng)小區(qū)配置為4TRX。另外,考慮到站臺及位置區(qū)邊界小區(qū)需要一定的SDCCH信道作位置更新,這些小區(qū)的載頻配置建議值為6。TCH占用2

32、468101213:31:1813:31:1913:31:2013:31:2113:31:2213:31:2313:31:2413:31:2513:31:2613:31:2713:31:2813:31:2913:31:3013:31:3113:31:3213:31:3313:31:3413:31:3513:31:3613:31:3713:31:3813:31:39鐵路專網(wǎng)建設中,GPRS/EDGE 業(yè)務的引入對GSM 網(wǎng)絡容量的影響始終是一個關注重點?，F(xiàn)有的關于數(shù)據(jù)業(yè)務容量規(guī)劃的方法很多,但一般都是把數(shù)據(jù)業(yè)務折合成話務量(Erlang 后來計算PDCH 的數(shù)量。這種計算方法的局限性在于沒有充分

33、考慮GPRS/EDGE 數(shù)據(jù)業(yè)務的特殊性,如PDCH 信道的共享特性,數(shù)據(jù)業(yè)務允許適當?shù)难訒r和重傳特性等等。在滬寧專網(wǎng)無線網(wǎng)絡規(guī)劃中,需要根據(jù)專網(wǎng)中某一小區(qū)在火車經(jīng)過時可能引起突發(fā)的GPRS/EDGE 用戶數(shù)量、激活用戶數(shù)、單位用戶吞吐量、數(shù)據(jù)重傳比例和每PDCH 信道承載速率幾個要素來計算專網(wǎng)小區(qū)所需要配置的PDCH 數(shù)量。鐵路專網(wǎng)小區(qū)的數(shù)據(jù)業(yè)務特點是均值和峰值相差很大,并且大部分數(shù)據(jù)業(yè)務都具有突發(fā)性,因此根據(jù)網(wǎng)絡一小時的話務報告(平均統(tǒng)計值不能客觀反映用戶的行為,更不能正確指導PDCH 信道配置。為了準確調查列車對鐵路沿線小區(qū)數(shù)據(jù)業(yè)務容量的影響,一種可行的方法是通過信令跟蹤與分析估計列車上

34、GSM 用戶數(shù),然后再采用摻透率法來預測GPRS/EDGE 數(shù)據(jù)用戶,并而計算出每小區(qū)需要提供的凈PDCH 數(shù)。具體步驟如下:(1根據(jù)GPRS/EDGE 各種編碼方式的數(shù)據(jù)結構和話務模型,計算PDCH 信道的實際承載速率。IP 層的用戶數(shù)據(jù)在經(jīng)由PDCH 無線信道傳輸之前需要分別由SNDCP 、LLC 、RLC/MAC 封裝打包,同時要增加數(shù)據(jù)包頭和校驗比特等開銷。手機與核心網(wǎng)絡在數(shù)據(jù)傳輸過程中一般依據(jù)Um接口無線信號質量的反饋選擇合適的編碼速率,即發(fā)生CS/MCS切換。因此在數(shù)據(jù)傳輸過程中,IP層承載速率也隨著空口編碼速率的變化而變化。GPRS/EDGE各種編碼方式下實際的IP層有效速率如下

35、表一所示。表16:各編碼方式的承載速率GPRS/EDGE編碼方式調制方式PDCH承載速率(kbit/s IP層有效速率(kbit/sCS1GMSK 9.05 5.58CS2 13.4 8.31 CS3 15.6 9.89 CS4 21.4 13.95MCS1GMSK 8.8 7.02MCS2 11.2 9.76 MCS3 14.8 11.43 MCS4 17.6 13.33MCS58PSK 22.4 16.67MCS6 29.6 21.05MCS7 44.8 29.63MCS8 54.4 36.36MCS9 59.2 38.1(2根據(jù)GPRS/EDGE的話務模型和鐵路沿線某一小區(qū)實測GSM用戶

36、數(shù),用滲透法預計激活數(shù)據(jù)業(yè)務用戶數(shù),并且對數(shù)據(jù)業(yè)務成熟開展后進行預計。通過信令跟蹤實測某列車進入上海某小區(qū)覆蓋范圍時,在短時間內出現(xiàn)的大量位置更新請求次數(shù)。每隔10s對該小區(qū)出現(xiàn)的位置更新請求(Channel Required (Establish Cause:Location Update數(shù)量進行了統(tǒng)計,一直到位置更新請求數(shù)量下降到閑時水平,則認為該趟列車離開了該小區(qū)的覆蓋范圍。在統(tǒng)計時段內位置更新請求數(shù)量的突發(fā)增量,可算作一列列車上GSM用戶數(shù)。GPRS/EDGE數(shù)據(jù)用戶的預測多采用摻透率法,即引入一個摻透率參數(shù),定義為:GPRS/EDGE滲透率=GPRS/EDGE登記用戶數(shù)÷G

37、SM用戶數(shù)現(xiàn)取值為0.1;GPRS/EDGE的數(shù)據(jù)業(yè)務量來源于實際使用該業(yè)務的用戶,定義為激活用戶,并引入一個激活率參數(shù),即GPRS/EDGE激活率=GPRS/EDGE 激活用戶數(shù)÷GPRS/EDGE登記用戶數(shù)現(xiàn)取值為0.14。如果該小區(qū)突發(fā)位置更新請求次數(shù)為2600,可大致估計出該列車中GPRS/EDGE 激活用戶數(shù)為:2600(GSM 用戶數(shù)×0.1(GPRS/EDGE 摻透率×0.14(GPRS/EDGE 激活率=37人 (3根據(jù)GPRS/EDGE 用戶數(shù)和每用戶的數(shù)據(jù)業(yè)務平均吞吐量,計算出每小區(qū)的IP 層有效吞吐量。每數(shù)據(jù)用戶的平均吞吐量需要結合各種數(shù)據(jù)業(yè)

38、務的滲透率,業(yè)務的滲透率是指在所有用戶中使用該項業(yè)務的比例。數(shù)據(jù)業(yè)務按按業(yè)務功能可分為:通信類、信息類、效率類、商務類、娛樂類等幾類。根據(jù)現(xiàn)有數(shù)據(jù)網(wǎng)絡各種業(yè)務,統(tǒng)計RLC 層的流量和激活用戶數(shù),結合無線鏈路層帶來的協(xié)議開銷在5%左右,可得到平均每數(shù)據(jù)用戶業(yè)務量?，F(xiàn)階段GPRS/EDGE 屬于起步階段,綜合各項數(shù)據(jù)業(yè)務開展情況,估算單位用戶的平均IP 層業(yè)務量為400bit/s 。(4根據(jù)每小區(qū)的IP 層吞吐量和每PDCH 信道實際承載速率,計算系統(tǒng)需要提供的凈PDCH 數(shù)。通過PDCH 的利用率,計算系統(tǒng)需要提供的PDCH 數(shù)。為配置小區(qū)合理的PDCH 數(shù),需要計算每PDCH 的平均IP 層承

39、載速率,GPRS 用戶采用CS1-CS4編碼速率,EDGE 用戶采用MCS1-MCS8編碼速率,根據(jù)各種編碼方式的使用比例,可得到每個PDCH 的平均IP 層承載速率。 IP 層承載速率=4811%i i i i i i C S C M C S M C =+;%i C 為各CS 編碼方式占總數(shù)據(jù)業(yè)務量(GPRS 業(yè)務量+EDGE 業(yè)務量的比例; %i M C 為各MCS 編碼方式總數(shù)業(yè)務量(GPRS 業(yè)務量+EDGE 業(yè)務量的比例;i C S 為相應CSi (i=1,2,3,4編碼方式對應的IP 層有效數(shù)據(jù)速率; i M C S 為相應MCSi (i=1,2,8編碼方式對應的IP 層有效數(shù)據(jù)速

40、率;例如,在滬寧鐵路專網(wǎng)建設中,測得某專網(wǎng)小區(qū)在1小時內的RLC 層數(shù)據(jù)業(yè)務流量如下:表17:RLC層數(shù)據(jù)流量上行下行編碼方式RLC層流量(bit 占用比編碼方式RLC層流量(bit 占用比CS1 55737842 53.55% CS137764586 14.30%CS2 30913124 29.70% CS2161404898 61.12%CS3 4705720 4.52% CS312216350 4.63%CS4 1314113 1.26% CS47998835 3.03%MCS1 1822774 1.75% MCS1716928 0.27%MCS2 2518589 2.42% MCS21

41、1978936 4.54%MCS3 794938 0.76% MCS33045166 1.15%MCS4 6285069 6.04% MCS410744453 4.07%MCS51555048 0.59%MCS64167147 1.58%MCS75357940 2.03%MCS87141375 2.70%可以計算得到,該小區(qū)上行PDCH的平均IP層承載速率為7.33kbit/s,下行PDCH 的平均IP層承載速率為9.91kbit/s。根據(jù)小區(qū)單位PDCH的平均IP層承載速率和平均IP層吞吐量,并定義:小區(qū)GPRS/EDGE用戶的平均IP吞吐量=GPRS/EDGE激活用戶數(shù)×平均每用

42、戶IP 吞吐量。小區(qū)所需PDCH信道數(shù)量=小區(qū)IP吞吐量÷單位PDCH的IP承載速率。因此可計算并根據(jù)實際情況得到該小區(qū)的PDCH配置數(shù)。表18:PDCH配置結果含開銷的每用戶平均IP業(yè)務量(bit/s400GPRS/EDGE用戶滲透率0.1GPRS/EDGE用戶激活率0.14小區(qū)內GSM用戶數(shù)2600小區(qū)內GPRS/EDGE激活用戶數(shù)36.4小區(qū)內所有用戶的平均IP吞吐量(kbit/s14.56每PDCH信道的IP層承載速率(kbit/s9.91小區(qū)內所需的凈PDCH信道數(shù)量 1.5PDCH利用率0.7小區(qū)實際需要的PDCH數(shù)量 2小區(qū)實際PDCH最終配置 4(5根據(jù)實際網(wǎng)絡數(shù)據(jù)業(yè)

43、務的發(fā)展狀況和實際小區(qū)的配置來選擇合適的經(jīng)驗配置建議。需要結合小區(qū)TRX、TCH和SDCCH 的配置,分析引入PDCH對TCH 的影響。如果GPRS/EDGE業(yè)務沒有采用專用的網(wǎng)絡承載,則還需要考慮語音業(yè)務信道轉換成PDCH 后所剩余的TCH 信道能否仍能滿足語音業(yè)務的正常要求。如果不能滿足,則還需進行相應的擴容。可以根據(jù)呼損查ErlangB 表,得到對應于載頻和時隙的理論上的最大可以承載的話務量。引入PDCH 對TCH 的影響見下表,可以看出隨著PDCH 數(shù)量的增加,可支持的語音話務量逐漸減少。表19:PDCH 配置對TCH 影響TRX SDCCH 信道數(shù) TCH+PDCH 信道數(shù)PDCH

44、信道數(shù)增加后可支持的語音話務量(ERL 0 1 2 3 4 5671 TRX2 6 2.28 1.66 1.09 0.602 0.223 0.020 0 2 TRX 2 14 8.2 7.46.615.845.084.343.632.94 3 TRX 2 22 14.9 14.04 13.18 12.33 11.49 10.66 9.83 9.01 4 TRX 3 29 21.04 20.15 19.26 18.38 17.5 16.63 15.76 14.95 TRX 3 37 28.3 27.3 26.4 25.5 24.6 23.7 22.8 21.93 6 TRX 3 45 35.6

45、34.7 33.8 32.8 31.9 31 30.1 29.2 7 TRX 4 52 42.1 41.2 39.3 38.4 37.5 36.5 35.6 34.7 8 TRX460 49.648.747.846.845.944.94443.1 3.6天線選擇由于鐵路屬于狹長地形場景覆蓋,并且專網(wǎng)小區(qū)基站根據(jù)實際地理條件與鐵路沿線可能有一定距離,因此根據(jù)實際情況需要選擇不同的天線。如果專網(wǎng)基站與鐵路沿線的垂直距離小于100米,為避免越區(qū)覆蓋,優(yōu)先采用32度窄波束天線(如ODP-032R18dB ,并且每個小區(qū)使用兩副天線對鐵路實施覆蓋。具體見示意圖。為保證一定的覆蓋距離(暫定為750米,在基

46、站中心兩側總長度為L (L<240米的范圍內將主要通過天線的副瓣進行主力覆蓋。如果專網(wǎng)基站與鐵路沿線的垂直距離較大但不超過300米,可采用65度波束天線(如ODP-065R15dB 。覆蓋方式同上,但整個覆蓋范圍內基本上依靠天線主瓣對鐵路沿線進行主力覆蓋。如果專網(wǎng)基站與鐵路沿線的垂直距離較大但超過300米,建議重新進行站址規(guī)劃。應根據(jù)實際采購天線的性能參數(shù)、天線架設高度和傾角大小,通過計算和實測確定天線的最終覆蓋范圍。B TS-C ELLL3.7站臺與大網(wǎng)的銜接火車站一般是鐵路專網(wǎng)覆蓋的起始點,是專網(wǎng)與外網(wǎng)的過渡與銜接?；疖囌緦＞W(wǎng)規(guī)劃主要考慮兩部分,即候車室微小區(qū)和站臺微小區(qū)的規(guī)劃與設計

47、。候車室由于整體人流較大,因此小 區(qū)配置要求較高,可以采用多個小區(qū)共同覆蓋方式。同時候車室微小區(qū)應保證與外網(wǎng)小區(qū)的切換正常,保證旅客進入候車室后,手機能順利占用專網(wǎng)信號。 對于站臺微小區(qū),同一時刻僅可能在局部區(qū)域發(fā)生用戶突增現(xiàn)象,因此小區(qū)配置要求相對較低,可以采用一個小區(qū)單獨覆蓋。同時站臺小區(qū)既要保證與候車室微小區(qū)的無縫切換,同時又要保證列車啟動后乘客手機能順利與后續(xù)專網(wǎng)小區(qū)進行重選/切換。考慮到各地火車站建筑結構方面存在差異,如果站臺與候車室在空間上分離(見下圖-1,則站臺上可以采用全向天線進行覆蓋;如果站臺與候車室在空間上分屬于不同的層次(比如,上?；疖囌菊九_位于車站一層,候車室位于車站二

48、層,則需要在站臺上引入分布系統(tǒng)確保對各個站臺的覆蓋,并通過光放將信號引入空闊空間,保證對后續(xù)專網(wǎng)小區(qū)的切換與重選。四、 高鐵專網(wǎng)組網(wǎng)方案4.1專網(wǎng)小區(qū)組成在完成專網(wǎng)地貌校正和覆蓋預測后,我們得到了鐵路沿線指定地點所必須增加信號源的數(shù)據(jù)。本節(jié)中,我們給出了鐵路專網(wǎng)建設中信號源增加的可行性操作方法,以達到專網(wǎng)覆蓋的目的。通常情況下,在城市移動通信網(wǎng)絡建設,鐵路沿線已經(jīng)建設好了相當一部分的宏站,這些宏站可以有效地利用于鐵路專網(wǎng)的建設中,我們建議的采納原則為21候車室1候車室站臺2垂直于鐵路300米之內且從基站可以目視到鐵軌的基站。在制定專網(wǎng)覆蓋方案中,我們可以選擇兩種方案:已有宏站直接作專網(wǎng)將現(xiàn)網(wǎng)鐵

49、路沿線已有宏站直接納入鐵路專網(wǎng)中,這樣的好處是節(jié)省工期及投資,減輕頻率規(guī)劃難度,同樣也可以滿足沿線的信號覆蓋強度。但存在的缺點鐵路專網(wǎng)與大網(wǎng)共享宏站,則該宏站的小區(qū)參數(shù)設置將會相當復雜,尤其是在切換設置及BA表設置方面,可能會造成手機錯誤切換及重選而引起通信質量下降。已有宏站分裂4小區(qū)作專網(wǎng)(推薦采用另一種方法是,我們選點依然采用原宏站站 址,但是在原基站內部單獨安裝一套BTS,一路傳輸以及載頻硬件,同時在平臺上單獨安裝兩付天線,作為專網(wǎng)小區(qū)。如左圖中,紅色天線為原基站天線,方位角為0/120/240,通過PCM1接BTS1;藍色天線為專網(wǎng)小區(qū)天線,方位角為60/300 (按實際勘測調整,通過

50、PCM2接BTS2。BTS1和BTS2雖處在同一機房,BTS2命名為BTS1的分裂小區(qū),但是在之后方案中,BTS2將獨立掛載到一個BSC 中,組網(wǎng)上與BTS1無相關性。另外,分裂小區(qū)工程建設中需要注意機房空余面積與平臺承重,以確保專網(wǎng)BTS的建設。當在城市中鐵路沿線沒有現(xiàn)成宏站可用作分裂小區(qū)時,這時就需要沿線建造宏基站來解決專網(wǎng)小區(qū)接續(xù)問題。同樣,沿線新增的宏站與鐵路垂直距離務必控制在300米之內,高度控制在25米至30米,以使專網(wǎng)小區(qū)的覆蓋達到良好的效果。另外,考慮到鐵路沿線安全問題,鐵塔類型的宏站與鐵路垂直距離需大于50米。表20:宏站建設時長宏站建設周期困難點鐵塔3個月拉線塔1個月談判購

51、地樓頂天線2周-3周專網(wǎng)工程建設中,可能存在建筑物阻擋服務小區(qū)等情況,從而造成服務小區(qū)信號嚴重衰減。針對這種情況,為了降低工程建設成本,可以通過架設光纖直放站來改變服務小區(qū)的覆蓋情況。在滬寧鐵路上海段的專網(wǎng)建造過程中,服務小區(qū)管弄雖然離鐵路垂直距離僅50米,但由于受到前方建筑阻擋,信號衰減達到10dB ,這樣即無法滿足列車室內信號強度高于-80dBm 的要求。為此我們提出利用光纖直放站改造專網(wǎng)小區(qū)的方法。 圖10:管弄西北方向 管弄東北方向圖11:管弄地理位置該處工程方案為在上海新體育廣場內安裝室內覆蓋,同時加開管弄的第4小區(qū)(該小區(qū)建設2付天線,一付方位角120度,另一付方位角300度,共用

52、同一個機房,同時通過光纖或微波中繼將將管弄_4的信號引回原管弄基站。這樣管弄滬寧鐵路既解決了鐵路的覆蓋問題,也不會對現(xiàn)網(wǎng)的頻率干擾問題有太大的影響。直放站方案中另一個設想為利用光纖直放站的接勵方式來加強鐵路沿線的信號覆蓋,這在上海公司的科研項目長距離橋面及島嶼覆蓋優(yōu)化研究中已有所應用,單小區(qū)4個光纖直放站覆蓋距離做到了15公里。考慮到光纖直放站接勵受到頻率規(guī)劃,時延窗口等限制,因此只建議在人口稀少的地區(qū),如山區(qū),平原等進行工程實施。4.2專網(wǎng)吸收周圍大網(wǎng)話務預估高鐵專網(wǎng)的組網(wǎng)模式為一連串獨立基站進行封閉,帶狀組網(wǎng)。雖然通過覆蓋控制與小區(qū)參數(shù)優(yōu)化盡可能的保持專網(wǎng)的獨立性,但在實際操作過程中,專網(wǎng)

53、仍然會吸收周圍宏站的話務,而吸收宏站話務的多少將關系到專網(wǎng)的載頻配置,組網(wǎng)時的BSC配置及最終的服務效率。為了能夠了解專網(wǎng)吸收周圍話務的能力,我們對市中心啟良3和東原2小區(qū)分別作了相關測試。其中待測小區(qū)具體的條件是都有共站的D網(wǎng),即使關閉這兩個小區(qū)當?shù)氐母采w也不會出現(xiàn)盲區(qū)。實驗方法:1、刪除該小區(qū)的所有incoming的切換和重選關系,只保留outgoing 的切換和重選關系;2、將小區(qū)的BCCH修改為TCH 頻段,并修改周圍小區(qū)的頻點以保證實驗小區(qū)新BCCH頻點的干擾最小化。3、關閉小區(qū)的各類切換,只打開Capture HO,對相鄰小區(qū)的門限定為-65dBm(即鄰區(qū)測得信號強度高于-65dB

54、m,就發(fā)起切換。4、將RxLev_Access_Min和RxLev_Min均由-102dBm 改為-94dBm,模擬專網(wǎng)的覆蓋情況。表21:實驗結果小區(qū)平時話務(ERL 實驗話務(ERL 專網(wǎng)話務占比啟良3 2030 1.39 5.20%東原2 3040 1.34 4% 通過實驗,可以發(fā)現(xiàn)專網(wǎng)吸收鄰近宏站的話務約在4%5%左右。從滬寧鐵路上海沿線來看,預計專網(wǎng)總共將吸收33.64ERL,按鐵路長度33KM計算,每公里吸收大網(wǎng)話務量約1ERL;按專網(wǎng)小區(qū)數(shù)25個計算,每小區(qū)吸收大網(wǎng)話務1.35ERL。4.3各廠商BSC承載能力研究BSC承載能力的目的是為了掌握單BSC可以實現(xiàn)組網(wǎng)的最大距離與遇到

55、的瓶頸。表22:各廠商BSC承載能力廠商設備BSC 載頻數(shù)基站數(shù)ABIS 安全尋呼門限阿爾卡特G2 448 84 18萬阿爾卡特MX 600 176 25萬西門子BSC72 500 250 72 18萬西門子BSC120 900 400 120 18萬愛立信AX810 1020 512 512 18萬愛立信BYB510 1020 512 512 18萬諾基亞2I 512 248 144 26萬諾基亞3I 660 504 256 26萬目前,滬寧鐵路上海段專網(wǎng)采用的組網(wǎng)設備是西門子BSC120 BSC和阿爾卡特G2 BSC。其中覆蓋市區(qū)的西門子基站有4個,平均站間距為940米,覆蓋市郊的阿爾卡特

56、基站有20個,平均站間距為1500米。按照專網(wǎng)每基站配置4TRX及1路傳輸計算,同時依據(jù)各系統(tǒng)的硬件安全配置特性,我們給出了如下的建議值。表23:各廠商BSC進行專網(wǎng)組網(wǎng)的覆蓋距離廠商設備BSC 專網(wǎng)組網(wǎng)受限可攜帶專網(wǎng)基站數(shù)每基站平均覆蓋距離(公里覆蓋總距離(公里阿爾卡特G2 載頻容量42 1.5 63 阿爾卡特MX 載頻容量110 1.5 165 西門子BSC72 ABIS容量52 1.5 78 西門子BSC120 ABIS容量95 1.5 142.5愛立信AX810載頻容量225 1.5 337.5愛立信BYB510載頻容量225 1.5 337.5 諾基亞2I 載頻容量102 1.5 153 諾基亞3I 載頻容量132 1.5 198 上述列表中僅考慮專網(wǎng)由宏站或第4小區(qū)分裂接勵方式實現(xiàn)的最大覆蓋距離,每基站的平均覆蓋距離僅以上海地區(qū)數(shù)據(jù)作為參考。其它地區(qū)需跟據(jù)傳播