浅谈高速铁路GSM移动通信网络覆盖的设计方案

　　摘 要：伴随着铁路不断提速，现有移动通信网络已不能适应高铁覆盖要求，从而导致网络性能下降。本文介绍了高铁对移动通信的影响因素，并针对高铁车站、高铁区间和隧道三种特定场景从GSM网络的覆盖和切换提出了设计方案。
　　关键词：高速铁路 GSM 覆盖 切换
　　中图分类号：TN929文献标识码：A文章编号：1672-3791(2011)08(b)-0009-02
　　
　　伴随着铁路数次提速广大乘客享受到了便捷、快速的服务，但与此同时由于新型列车具有密封性能好、车体穿透损耗高、运营速度快（最高运营时速350km）等特点，其对列车内的移动通信质量产生了较大影响。如何在高速移动条件下，为用户提供良好的网络服务质量成为GSM移动通信网络建设和优化的一个研究热点。
　　本文根据高铁特点从GSM移动通信网络的信号强度和切换区域设置等方面分别针对高铁车站、高铁区间和隧道三种特定场景讨论GSM移动通信网络高速铁路覆盖的设计思路。
　　
　　1 高速铁路对网络影响分析
　　1.1 网络信号强度
　　在高速铁路的车站和铁路沿线GSM网络都存在严重的弱信号弱覆盖现象，主要体现在以下几方面。
　　高铁车站内由于建筑物对信号的屏蔽阻挡作用室外信号在室内快速衰落，室内成为信号覆盖弱区，部分区域例如地下通道等区域成为覆盖盲区。
　　高铁车辆采用铝合金或不锈钢材料制造列车具有良好的屏蔽性，导致GSM信号穿透损耗较大，使车厢内成为弱覆盖区。高铁车厢损耗数据见表1。
　　铁路沿线弱覆盖现象严重。目前GSM移动公网在铁路沿线的室外信号强度平均为-80dBm左右，经过车体穿透损耗信号强度为-100dBm左右。因为弱覆盖导致车厢内的通话质量差。
　　GSM信号在隧道内传播时受隧道狭长空间影响，信号发生多重折射，隧道内基本为信号弱覆盖区或盲区。
　　1.2 切换
　　旅客进出车站和列车进出车站时移动用户需要在多个覆盖小区间进行切换。
　　由于列车的高速移动对切换重叠覆盖区的要求提高，高铁线路区间GSM网络重叠覆盖区过短导致切换成功率下降。
　　高速移动导致手机用户频繁位置更新，同时用户集中使沿线基站易发生信令拥塞。
　　通常铁路沿线隧道较长隧道内一般存在两个扇区信号，因此进出隧道时会发生切换而列车的高速移动容易导致切换失败。
　　
　　2 设计思路
　　针对高速铁路对GSM网络的影响分析，GSM网络必须实现深度覆盖和具有较长的重叠覆盖区域才能在高速移动的情况下保证其网络质量。由于高铁呈带状的运行环境和GSM移动网络常规的蜂窝状网络构成方式的差异，如果单纯通过调整既有GSM移动网络很难解决高铁覆盖问题，因此采用专门组网的覆盖思路，将铁路列车考虑为一个话务流动用户群，为其提供一条服务质量良好的覆盖网络，用户群从车站出发，直至抵达目的站，用户都附着在铁路小区网络上，发生的话务/数据流也都为铁路小区吸纳，到达火车站后，重选/切换至车站或周边小区，实现为用户提供优质铁路覆盖服务。
　　2.1 高铁车站设计方案
　　2.1.1 室内布线系统
　　根据GSM移动通信网络建设标准，GSM室内信号覆盖强度一般为-75dBm，边缘值为-85dBm。为了达到室内深度覆盖的要求在高铁车站可以采用室内布线系统。室内布线系统包括天线、功分器、耦合器、射频电缆以及功率放大器等设备。通过室内布线系统可以达到GSM网络室内信号强度要求，有效消除覆盖弱区和盲区。
　　2.1.2 火车站的切换
　　由于火车站是用户进入高速铁路GSM移动网络的出入口，因此在高铁车站切换主要需要考虑两个方面的问题：移动大网与高铁专网之间的切换和高铁专网内部之间的切换。根据火车站建筑结构特点两种切换分别设置在火车站站前广场和火车站站台。火车站切换区如图1所示。大网与专网A之间存在切换关系，专网A与专网B之间存在切换关系，大网与专网B之间不存在切换关系，这样的切换设置可以保证旅客进入车站后占用高铁信号，实现高铁车站的切换过渡功能。
　　2.2 高铁区间设计方案
　　2.2.1 基站+射频拉远组网
　　为了减少高速运行列车上的小区切换，尽可能延长单小区的覆盖距离，采用基站+射频拉远单元的组网方式。同时为了减少铁路沿线小区位置更新的数量，沿铁路线设置线性位置区，使覆盖铁路的小区处于同一个位置区。区间组网如图2所示。
　　2.2.2 相邻小区重叠区域设置
　　GSM通信事件中，小区重选与小区切换需要一定的时间来完成接续工作。其中小区重选规则中，当手机测量到邻小区C2高于服务小区C2值且维持5s，手机将发起小区重选，若在跨位置区处，则邻小区C2必须高于服务小区C2与CRH设置值的和并且维持5s，手机发起小区重选和位置更新。而在小区切换过程中，通常测量报告在经过设定的SACCH窗口值平滑后，经BSC判断，将发起小区切换，而整个切换的时间取决于SACCH的设置值，该值通常设为8。列车运行在两小区覆盖区域时，从A小区运行至B小区，A小区的信号越来越弱，B小区的信号越来越强，切换时长为5s，则重叠区长度为：S=V×2T，其中V是列车运行速度，T是切换时长。按照列车最快运行速度350km/h计算，则覆盖长度为972m。
　　2.3 高铁隧道设计方案
　　2.3.1 泄漏电缆
　　采用泄漏电缆进行隧道覆盖是目前比较常用的一种方式。采用泄漏电缆的优点是可以使信号在隧道内均匀分布。同时与安装八木天线或板状天线等定向天线相比，采用泄漏电缆可以有效降低隧道内施工难度。而从长远角度考虑，泄漏电缆的宽频特性也为今后其他系统接入预留平台。
　　2.3.2 隧道口的切换
　　为了避免用户在隧道内发生掉话等，切换宜设置在隧道口。通过在隧道口安装定向板状天线将隧道内信号引出，在隧道外设置满足相邻小区切换条件的重叠覆盖区。
　　高速铁路GSM移动通信网络覆盖工程是一项复杂的系统工程，高铁特殊的无线传输环境决定了其网络的特殊性，在具体设计中，在着力解决覆盖深度和切换问题的同时应进一步考虑专网与大网之间的优化问题，减少对大网影响的同时充分利用既有网络资源从而降低建设成本。
　　
　　参考文献
　　[1]王文博.移动通信原理与应用[M].北京邮电大学出版社出版.
　　[2]吴克非.中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南[M].中国铁道出版社出版.
　　[3]高速铁路现网技术优化方案.中国移动广东分公司.
　　[4]高速铁路专网设计与优化.中国移动上海分公司.
　　[5]诺西、华为、京信等设备厂家技术资料.