浅析高速公路组网的几个重要问题

浅析高速公路组网的几个重要问题摘要：本文针对高速公路的特点，深入浅出的分析了高速公路组网的几个重要问题，分别是高速移动对呼叫和切换带来的影响、切换滤波器长度与主次小区平均电平间隔问题、同站盲区问题与车辆的影响，并通过实际的优化案例来介绍优化调整的方法。关键词：高速公路 切换 层参数 同站盲区 高速公路网络是网络优化的重中之重，如何确保高速公路网络的质量成为各个网络优化团队的核心任务。高速公路网络覆盖的特点是呈带状结构，属于典型的覆盖受限系统，对经过密集住宅区的路段同时需要考虑话务承受问题。高速公路场景具备以下几个特点：（1）移动速度 80-150km/h；（2）传播环境较好；（3）重点以解决连续覆盖和稳健切换为目标；（4）穿透损耗主要考虑使用汽车的传统，高级轿车损耗较大，需要考虑由于车辆阻挡的因素。下面，我们将对高速公路组网中可能面临的几个问题进行具体的分析。1 高速移动对呼叫和切换带来的影响移动通信系统需要一定的时间对无线信道资源进行测量、平均、判决、执行等，随着用户移动速度的加快，一项流程从发起到完成（如切换、呼叫等），无线环境往往已经发生了很大的变化，这将给网络业务的正常进行带来一些问题。这里重点分析高速移动对切换模式下的 MS 的影响。GSM 规范规定，通话模式下，MS 每隔 480ms（1 个 SACCH（缓慢相关控制信道）信息时间），向 BTS 上报一次 6 个最佳邻小区，至少每隔 10s 解调 1 次小区列表中的 BSIC（基站识别码），如果是新出现在小区列表中的小区，则需在 5 s 内解调 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。 当 MS 及时上报了 6 个最佳小区时，基站判断是否需要进行切换需要一定的时间，这个时间一般都大于 4s（该值和设置的切换类型、切换参数有关，4s 为快速切换时的一个均值）。通过对 100 个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，跨MSC 切换一般需要 5s，BSC 内小区间切换时间为 3s。因此从测量、判决到完成切换，这段时间的典型值是 BSC 内小区间切换为 7s，对于跨 MSC 的切换，这个时间将达到 9s。假设高速车辆运行速度为 100km/h(27.8m/s)，那么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，至少需要 5+4+3=12s（对于 BSC 内切换），车辆对应移动的距离是 333.5m，在这段距离内，服务小区必须保证信号不发生快速衰落导致掉话。对于速度为 100 km/h 的车辆，BSC 内/跨 MSC 的切换所对应的最小覆盖距离分别是 333.5 m 和 389 m，如图所示：图 1 呼叫建立+切换的情况下小区的最小覆盖范围从以上的分析来看，高速公路对 GSM 网络的影响主要是由于速度过快，在 GSM 网络进行各种测量、判决、执行的时间里无线环境已发生很大变化，因此解决时可以从扩大小区的覆盖范围，延长小区的驻留时间，增大相邻小区的重叠覆盖范围入手，具体着手的方向如下： （1）频段选择考虑到高级车辆对信号的穿透要求和信号衰减速度，应优先使用 900MHz 网络进行覆盖。但是在某些特殊路段（如话务密集区和存在严重干扰的路段），由于 900MHz 的频率复用度很高，因此需要使用 1800MHz 网络进行覆盖。实践经验表明，在高速公路上使用1800MHz 小区，需要配合使用高增益天线，并提升天线挂高，增加小区覆盖距离和信号强度。需要注意的是在跨 BSC 或 MSC 边界处不使用 1800 小区覆盖。（2）网络参数优化应首先调整天馈、切换、频点、BISC 与邻区等参数，因为这些调整便于实施，而且也能起到一定的效果，具体措施如下：调整相邻小区天线的方向角和下倾角，保证有足够的重叠覆盖范围；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，建议邻区关系不要做太多，20 个以下为宜；调整沿线基站的频率规划，尽量选择一些干净的频点，避免 BCCH 邻频干扰造成的解调 BSIC 困难。（3）BSC/MSC 区域划分从上述分析可知道，跨 MSC 切换要比 BSC 内切换多花费 2s 的时间，对应 100km/h 的车速就是 55m 的距离，因此需要合理规划沿线基站 BSC 和 MSC 的划分，尽量将沿线基站放在同一个 BSC 或 MSC 中，以减少 MSC 间、BSC 间的切换，避免过长的切换时间对网络服务质量造成不利的影响。同时，这样的划分也可以减少由于位置更新引起的未接通事件。（4）基站的有效覆盖距离从上述的分析可知道，应保证小区有足够的覆盖范围，对于 100km/h 的高速公路，建议主覆盖小区覆盖范围应达到 500m。但为确保服务小区的信号稳定性，最远覆盖距离不应超出半功率角可达的边界。2 切换滤波器长度与主次小区平均电平间隔问题在高速公路网络优化中，需要突出主用小区的主导地位，即主用小区和第一强邻区Rxlev 存在必要的保护间隔；在切换边缘，需要突出主切邻区（第一强邻区），即第一强邻区和第二强邻区的 Rxlev 要有一定的保护间隔。我们把该类问题归为“主邻小区的保护间隔”问题，选择正态分布函数作为研究该类问题的工具。因此，问题被归结为“给定主次小区平均电平差值，计算占用/切换给次用小区的概率，或者给定占用/切换给次用小区的概率，计算主次小区的电平差值。”这里需要首先确定一个变量，即电平波动范围。通过大量的数据统计和观察，可以发现，高速公路无线环境可视为视距传播，其在一定时间、一定区域内，可以认为其在平均值上下的波动范围较小，我们称之为“电平波动范围” ，记为 u。另外假设主次小区中较弱的 RxLev 均值为 0（以 0 为基准电平） ，假设 u2，则 RxLev 可能的取值为2，1，0，1，2。因此，可以用一个服从均值为 0，取值范围为2，2 的均匀分布的随机变量 X 来描述它。在 K 算法和爱立信 3 算法中，切换判决的依据为最近 n 个测量报告上报的小区 RxLev的平均值（假设采用直接平均滤波器） 。因此，用于切换判决的电平值可以记为随机变量= 。根据概率理论，随机变量 X 和 的均值和方差分别为：_12.nx _E（X）= 0；D（X）= ;（此处设 b2，a2，则 D（X）1.33）2()1baE（ ）= 0； D（ ）= ;（此处设 b2，a 2，则 D（ ）1.33/n）_2()n_通过伪随机仿真结果，也可由以下图例观察随机变量 的概率分布随 n 值的变化趋势。_XP(x(n),n=400.0050.010.0150.020.0250.030.0350.040.0451 8 15222936435057647178 P(x(n),n=600.0050.010.0150.020.0250.030.0350.041 15 29 43 57 71 85 99113由上图可以看出滤波器长度 n 决定了随机变量 的波动范围，n 越大 在均值附近_X_X的波动范围越小，这和概率公式中 的方差与 n 成反比是一致的。_X次强小区的直接平均滤波器输出 RxLev 记为 ，主强小区的直接平均滤波器输出_RxLev 记为 ，则主次小区电平差记为： ；随即变量 和 相互独立，另外_Y_ZY_XY本文假设主、次小区的滤波器长度均为 n，可以推算：E( ) E( ) E( ) E（ ） （主次小区统计平均电平值之差）_Z_X_D( ) D( ) D( ) D（ ） 2 ;（此处设 b 2，a _Z_XY_Y2()1ban2，则 D（ ） 2.66/n）_当 n 为无穷大时，可以证明，随机变量 服从正态分布，本文中当 n 较大的时候，_Z我们可以用正态分布近似描述随机变量 的概率分布。据此，我们可以得到随机变量N（ ， ）的概率密度函数：_Z2；此处 K ， D（ ） 。2()1()zfze2_Z假设主次小区平均电平插值 1，滤波器长度 n6，电平样本波动范围 ，即 20.44，我们先将 转换为标准正态分布 N（0，1） ，根据概率理论，若 N（ ，2_Z _Z） ，则 N（0，1） 。要求出主小区切换给次小区的概率 F（ 0）,即 F（2_1 _ 0） ；带入 1， 0.666，即求 F（ 1.5） ，即下图中 “短竖_1Z_1Z线概率曲线横坐标”三者包围的面积。查询标准正态分布表 ，F（ 1.5）=6.68 ，我们制作了在不同 “电平波动范_1Z围” 、 “主次小区统计平均电平差”和滤波器长度 n 条件下的主小区切换给次小区，或者服务小区切给次小区而非主小区的概率图，如下图所示（其中横轴为主次小区统计平均电平差，纵轴为次小区滤波器输出电平强过主小区的概率）：标 准 正 态 分 布 概 率00.050.10.150.20.250.30.350.40.45-4 -3.2-2.4-1.6-0.8 0 0.8 1.6 2.4 3.2 4滤 波 器 长 度 n 20%10%20%30%40%50%0.5 1 2 3-1,1-2,2-3,3-5,5滤 波 器 长 度 n 40%10%20%30%40%50%0.5 1 2 3-1,1-2,2-3,3-5,5滤 波 器 长 度 n 60%10%20%30%40%50%0.5 1 2 3-1,1-2,2-3,3-5,5滤 波 器 长 度 n 80%10%20%30%40%50%0.5 1 2 3-1,1-2,2-3,3-5,5图 2 不同的滤波器长度设置条件下次小区滤波器输出电平强过主小区的概率分析从以上分析可以看出，当主次小区统计平均电平差较小的时候（对应主导覆盖不够明显，容易发生误切入非高速覆盖小区的路段） ，次小区滤波器输出电平强过主小区的概率较高，需要增加滤波器长度解决，同时根据实际需求对各邻区设置不同的HIHYST/LOHYST；如果需要提高切换机率并缩短切换时间（对应两个主导覆盖小区之间重叠覆盖区域较短的情况） ，则可以减少滤波器长度。对于主次小区电平差大小的问题，从突出主导小区占用概率，减少不必要的切换并降低干扰的角度分析，则在当前服务小区的绝对覆盖路段，希望其与次强小区的电平差越大越好，以确保当前服务小区的绝对主导地位，避免发生不必要的切换；但从高速公路网络覆盖的安全性考虑，则主导小区与第一、第二邻区的电平差越小越好，这样在当前主导小区发生意外的情况下可以由第一、二强邻区替补覆盖。综合考虑这两个角度的因素并根据前文中的数理分析结论，我们认为：在当前服务小区的绝对覆盖路段，其与第一、二强邻区之间的阶梯电平差应至少有 5dB。3 同站盲区问题考虑到天线的水平半功率角一般不超过 65 度，因此两个同站小区的夹角过大也会造成过渡区域的覆盖阴影，即同站盲区。特别地，如果一个小区采用水平半功率角为 33 度的高增益天线，若另一同站小区仍使用 65 度水平半功率角的天线，则同站盲区问题更为严重。以中山京珠高速站点三角正茂皮具为例，该站的 2、3 两个小区为高速的主覆盖小区， 2 小区的方向角为 210，3 小区的方向角为 350，两个小区之间的夹角为 140。由于两个小区之间的夹角过大（高速上两个小区夹角建议不超过 100） ，导致两个小区之间有一定的覆盖盲区，手机在两小区之间切换时候会发生切换不及时现象。我们将三角正茂皮具 2 小区的方向角由 210调整到 250后，两小区间的夹角减少到 100 度，手机在三角正茂皮具 2、3 小区之间切换较理想。验证测试截图如下：另一个案例，中山江中高速的主覆盖站点古镇江中高速的 1 小区天线更换为 21dBm 的高增益天线后，水平波瓣角从原来的 65 度减少为 33 度，加大了与同站的另一高速主覆盖小区（古镇江中高速 2）之间的同站盲区。我们将古镇江中高速 2 小区的天线更换为相同增益（18dBi ）的水平波瓣 90 度的天线，并适当降低了两个小区间的夹角，这样就改善了两个小区间的覆盖盲区，降低了两个小区间切换隐患。4 车辆的影响我们对各种车辆可能造成的衰减进行了计算，普通车辆的衰减量在 3dB 左右，高级车辆造成的信号衰减可达 9dB。因此为确保重要客户的高速网络感知，高速网络覆盖应具备至少 9dB 的网络冗余度。我们建议， 关闭高速公路沿线基站功率控制功能或者降低动态功率控制幅度，以减少功率波动加强网络稳定性。测试车辆在受到大型集装箱车辆阻挡的情况下，将导致至少 20dB 的信号衰减，考虑到 20dB 的冗余度对网络建设投入的巨大需求，因此提出高速主用站点应具备“之”字行的组网结构，保证在一个方向的覆盖信号被阻挡的情况下，另一方向的覆盖信号可以替补覆盖。为满足“之”字行组网结构，可以将原本不是高速主用小区，但具备高速主用小区条件的小区调整到高速主用小区的行列中。5 小结本文针对高速公路的特点，深入浅出的分析了高速公路组网的几个重要问题，分别