高速铁路网络环境下掉话率分析

吴端坡，金心宇，蒋路茸，欧阳博

（浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州310027）

近年来，随着京沪线、哈大线等高铁线路的开通，我国高速铁路发展非常迅速，与高铁相关的无线网络通信对于高铁的正常运营至关重要.目前，我国高铁无线网络数据通过GSM-R 网络进行传输，未来这种传输方式将向LTE-R 网络过渡.由于高铁的运行速度较快，在高铁运行过程中将产生频繁的越区切换，频繁快速的切换会对网络的掉话产生影响，网络掉话将严重影响到无线列控系统的安全稳定运行，有必要对高铁无线网络掉话的情况进行研究.Zhang等［1］提出一种越区切换的分析模型，Tian等［2］提出在高铁网络中采用双天线方式实现软切换的算法，唐雄辉［3］对基于双天线的切换算法的掉话率进行仿真，Diaz-Hernandez等［4］对无线网络的掉话现象进行研究，Boggia等［5］从实际数据出发，对蜂窝小区的掉话率模型进行建模.Wu 等［6］基于GSM-R 高速移动中的多普勒效应现象提出一种基于多普勒效应的切换算法，并与传统切换算法产生的掉话率进行对比.在文献［7］、［8］中，对GSM-R网络的掉话率进行分析，但是这种分析只对网络掉话的原因进行分析，分析方法以定性为主.目前还没有文献对高铁无线网络中的掉话率情况进行理论建模与仿真分析.本文在简化的越区切换算法与掉话判决条件的基础上，提出了高铁无线网络掉话问题的分析模型.该模型同时适用于GSM-R 网络与LTE-R 网络.本文通过各种场景的对比仿真，分析了高铁无线网络下的掉话率分布情况.根据GSM-R网络和LTE-R 网络采样周期的不同，本文对这两种网络的掉话率进行了仿真分析.通过不同速度下的网络掉话率情况进行分析，本文分析了高速移动对网络掉话的影响.通过考虑列车的穿透衰减，本文对比了车顶天线与室内天线情况下的网络掉话率.通过仿真单一基站故障时网络的掉话率情况，本文分析了基站故障对网络掉话的影响.

1 越区切换模型

定义当邻小区的信号强度大于服务小区的信号强度一定阈值时，越区切换发生.如图1所示为高铁网络中移动台MS从基站BSA到基站BSB的移动过程中越区切换的示意图.

图1中，dr为基站与铁轨的间距，h 为切换阈值，D 为基站间距离，RA（d）为在d 位置处MS接收到BSA基站的电平，RB（d）为在d 位置处MS接收到BSB基站的电平.

图1 越区切换过程Fig.1 Handoff process

式中：K1为与基站发射功率和路径损耗相关的常数，K2为路径损耗因子；uA（d）和uB（d）分别为高斯白噪声，阴影衰落的自相关函数为

其中E（x）为变量x 的期望，d0决定了相关衰弱的速度.

RA（d）和RB（d）可以采用指数滑动窗函数进行卷积运算求均值以减少短期衰落造成的影响，均值如下：

式中：f（d）为滑动滤波器的脉冲响应，dav为平滑滤波器的周期.相邻基站的相对信号强度为

定义PA（k）为在k时刻，移动台处于A 小区的概率；PB（k）为在k 时刻，移动台处于B 小区的概率；PB｜A（k）为在k时刻，移动台从A 小区切换至B小区的概率；PA｜B（k）为在k 时刻，移动台从B 小区切换至A 小区的概率.

式中：k＝1，2，…，D／ds，其中ds＝vTs，v 为MS的移动速度，Ts为采样周期；PA（1）＝1，PB（1）＝0.

记A（k）、B（k）分别为在时刻k，MS处于A 小区和B小区的事件，则

式中：γ 为随机变量μR（dk）和μR（dk-1）的相关系数.Q 函数的定义如下：

2 掉话率分析模型

掉话是在网络出现越区切换时，目标小区的基站不能提供移动台进行正常通信所需的无线环境时产生的现象，即目标小区的信号强度小于最小接入电平或者小区的同频干扰载干比低于指定阈值.

考虑到乒乓切换的影响，MS 发生掉话包括以下两种情况.

1）当MS从BSA切换至BSB时，MS接收到的来自BSB的信号强度低于最小接入电平或者MS的同频干扰载干比低于阈值q.

2）当MS从BSB切换至BSA时，MS接收到的来自BSA的信号强度低于最小接入电平或者MS的同频干扰载干比低于阈值q.

由于在高铁无线网络中，MS 接收到的信号强度受到列车车体损耗的影响，假设这种穿透损耗值为Ptl.记在位置d 处MS在BSA或BSB基站下的同频干扰载干比为C／IA（d）或C／IB（d），由掉话的定义可以获得在第k 个采样间隔，MS在A 小区的掉话率PdcA（k）、PdcB（k）和总的掉话率Pdc（k）为

定义在第k个采样间隔，MS上一时刻在A 小区，这一时刻切换至B小区的概率为PhBA（k），MS上一时刻在B小区，这一时刻在A 小区的概率为PhAB（k），MS在A 小区的切换掉话率为在MS从B小区切换至A 小区的过程中发生掉话的概率，记为PhdA（k）.同理可以定义在第k 个采样间隔，MS在B 小区的切换掉话率，记为PhdB（k），则

由于高铁无线网络覆盖呈线状分布，每个基站都有2个邻小区基站，每个基站相邻的同频基站有2个.如图2所示为MS在B小区掉话的同频干扰分析示意图.图中，频率复用系数为3，BSB0和BSB1分别为BSB基站的前、后两个同频基站，IB1（dk）、IB0（dk）分别为MS 在第k 个采样间隔接收到的来自BSB0和BSB1的信号强度.由于BSB的其他同频基站距离BSB太远，对B小区的同频干扰影响比BSB0和BSB1小得多，本文只考虑BSB0和BSB1基站的影响.

若单独考虑BSB0基站对B 小区中MS产生的干扰，则由BSB0基站干扰引起的MS在B 小区的切换掉话率PhdB0为

图2 B小区同频干扰Fig.2 Co-channel interference to cell B

式中：uIB0为服从标准正态分布的随机变量，N 为频率复用系数，Φ（x）＝1-Q（x）.同理，可以获得由BSB1基站干扰引起MS在B小区的切换掉话率PhdB1为

可以获得MS在B小区的切换掉话率为

同理，可以获得MS 在A 小区的切换掉话率计算公式为

综合式（9）～（14），可以对高铁沿线无线网络掉话的分布情况进行分析.由于GSM-R 网络与LTE-R 网络的切换方式都是硬切换，网络覆盖都采用线状覆盖形式，本文的切换分析方法和掉话分析方法可以同时适用于GSM-R 网络与LTE-R 网络的掉话率分析.

3 高铁无线网络掉话率仿真分析

对高铁无线网络中不同环境下的掉话率进行仿真分析.各参数的取值设置如下：基站间距取3km，高斯白噪声的方差δ0取9dB，相关距离d0取20m，滑动滤波周期dav取为10ds，K1和K2分别取为-53和34，基站与铁轨距离dr取为30m，最小接入电平取为-92dB·m，频率复用系数默认为3，Ptl的默认取值为0.

3.1 GSM-R与LTE-R网络掉话率分析

目前应用于高铁的无线网络形式是GSM-R，未来的无线网络形式将向LTE-R 过渡.在GSM-R 网络中，测量报告的测量周期是480ms；在LTE-R 网络中，测量报告的测量周期是200 ms［9］.图3 给出这2种网络制式下掉话率的对比分析图.

图3 GSM-R与LTE-R网络掉话率对比图Fig.3 Comparison of dropped-call probability between GSM-R and LTE-R

进一步分析计算可以得出，GSM-R 网络中的平均掉话率为0.69%，LTE-R 网络的平均掉话率为0.49%，LTE-R 网络的平均掉话率比GSM-R 低大约29.23%，说明从掉话率角度来看，LTE-R 网络更能够适应未来高铁网络通信的需要.

3.2 室内天线与室外天线下网络掉话率分析

在高铁网络中，由于列车是全封闭的车厢结构，车身与车窗的密封性很好，车厢内的室内天线接收信号强度与列车车顶室外天线接收到的信号强度相比，存在不小的穿透损耗.由于不同型号的高铁列车的穿透损耗是不一样的［10］，如图4所示为Ptl取0、10、20、24dB时的网络掉话率对比图.

从图4可以看出，采用室内天线造成的网络掉话率大于采用室外天线的情况，穿透衰减值越大，网络掉话率越大.室内天线衰减24dB 的情况下的掉话率平均值达到0.8%，室外天线情况下的掉话率为该值的61.08%，室内天线衰减10dB 的情况下的掉话率与室外天线情况下的掉话率非常接近.可见，在实际运行中，在列车中使用全车统一的车顶天线能够有效地减少网络中存在的掉话情况.

图4 室内天线与室外天线对网络掉话率影响Fig.4 Comparison of dropped-call probability between outdoor antenna and indoor antenna

3.3 列车速度对网络掉话率的影响

由于不同的列车速度会造成不同的采样间隔，列车速度越快，采样间隔距离越大，采样间隔的不同会造成网络掉话分布的不同.图5给出LTE-R 网络中列车运行速度为60、180、360、540km／h 时的网络掉话率对比图.

从图5可以看出，随着列车运行速度的提高，网络掉话率提高，其中相对60km／h 的速度来说，180、360、540km／h 下 的 平 均 掉 话 率 分 别 提 高 了64.87%、117.99%、151.56%.

3.4 基站故障情况下的掉话率分析

考虑网络中的3个基站BSA、BSB、BSC，如图6所示.

图5 不同速度下网络掉话率对比图Fig.5 Comparison of dropped-call probability in different speeds

图6 BSB 故障时网络切换图Fig.6 Handoff process with BSBin fault

假设BSB基站因为故障不能为网络提供正常服务，则MS在移动过程中需要向BSC基站切换.此时网络掉话率包含了MS 在BSA基站的掉话率和MS在BSC基站的掉话率，对MS在BSA基站下的切换掉话率计算参照式（14），对MS在BSC基站下的切换掉话率公式如下所示：

计算总的掉话率的公式参照式（9）、（11）.

图6给出网络中BSB基站故障、基站间距增大一倍与正常情况下网络的掉话率情况.

从图7可以看出，在BSB故障的情况下，靠近BSA与BSC处的掉话率减少，这是因为MS在靠近BSA与BSC时接收到的邻小区电平会减小，MS 在这些位置处发生切换的概率减小；在靠近BSB处的掉话率严重提高，这是因为在BSB附近，服务小区的接收电平衰减很大，同时网络的同频干扰增大，从而加大了掉话的概率.图7中，在（0，1.57）和（4.43，6）区间内，BSB故障对网络掉话率的影响起到了减少作用；在（1.57，4.43）这一大部分区间内，BSB故障对网络掉话率的影响显著，负面影响距离占总距离的47.67%，掉话率均值达到1.35%，BSB未发生故障时的平均掉话率仅为该值的36.3%.

图7 BSB 基站故障对掉话率影响Fig.7 Influence of BSBin fault to dropped-call probability

从图7可以看出，在基站间距增大一倍的情况下的掉话率变化规律与BSB基站故障情况下的掉话率变化趋势是一样的.基站间距的增大使得网络掉话率在（0，1.98）和（4.02，6）区间内减少，在（1.98，4.02）区间内增大，负面影响距离占34%，但是总的平均掉话率只提高了0.27%，整体影响不是很大.

从掉话率的角度来看，整体基站间距的增大会使掉话率有小幅的增大，但是基站故障引起的基站间距增大会对网络整体的掉话率产生显著的影响.这是因为整体基站间距的增大会减弱网络的同频干扰，但是在基站故障的情况下，网络的同频干扰显著增加.

4 结 语

本文从高速铁路网络的小区切换模型出发，获得掉话率与位置的关系函数，提出了网络掉话率的分析.通过对比分析不同场景下网络掉话率情况可知，对高铁网络掉话率影响最大的因素是基站故障问题与列车运行速度问题，然后是室内天线与网络制式和基站间距问题.本文对高铁网络中的掉话问题进行多方面的分析，对列控无线网络-掉话分析平台的建立起着重大的作用，为无线列控安全运行提供一些参考.由于高铁网络中多普勒效应明显，进一步的研究可以综合多普勒效应对网络干扰影响以及网络中采用直放站后引入的干扰情况对网络掉话率进行进一步研究.

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