高速铁路移动通信解决方案forCMFJ

高速铁路移动通信解决方案NPOCMFJ04/08,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,高速铁路移动通信带来问题和特点,多普勒频移高速移动的手机产生较大的多普勒频偏，频偏对通信性能有影响。车体穿透损耗由于车体的高损耗，因此在铁路沿线信号覆盖电平设计时要有足够强的信号。对切换要求更高快速移动导致信号的快速衰落，需要快速切换到新的小区。覆盖目标区域地形多样铁路呈线状分布，经过的地域有密集的城区、宽阔的农村地貌、丘陵、隧道、高架铁路桥、凹陷的U形地堑等各类差异很大的地形，对不同地形要选择针对性的方案。,已开通运行：胶济铁路、青藏铁路、大秦铁路正在进行：京津高速铁路、郑西线、武广线、合宁线、合武线等计划建设（2010年前）：国内70条铁路,GSM-R在中国,NSN高速铁路项目,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,高速铁路中多普勒效应造成的影响,运动中的移动台，其实际合成后的工作频率与运动速率相关，运动速度越高影响越大。随着移动台靠近和远离基站，合成频率会在中心频率上下偏移。缩短移动体和基站基站的距离后，产生压缩效应，频率增加，波长变短，频偏增大。增加移动体和基站的距离后会使频率降低，波长变长，频偏减小为负值。高速运动中的列车会频繁改变与基站之间的距离，频移现象非常严重，必须采取有效方式降低干扰。,对抗多普勒影响:基站的放置地点远离路轨,基站远离路轨放置后，基站和列车之间的相对运动速率会变缓。,优势:降低频率偏移提高接收质量等级提高运行速度,劣势:覆盖面积缩小，切换区域小基站数量增加，投资增大对大网影响大,如何计算高速铁路的多普勒频偏,fD:多普勒频偏(Hz)v:手机移动速度(m/s):信号波长(m)900M为0.33m:手机移动速度方向与信号到达方向的夹角,如右图中的情况，在900M情况下：fd1250HZfd2226HZ,多普勒频偏的计算可以用下式表示：,应对高速铁路多普勒频偏的解决方案,高性能均衡器:一个硬件组件,集成到CU当中补偿信号强度快速抖动的负面影响基于每一个突发调整信道参数软件功能算法：高速移动频率校正算法：每个burst都即时估计基站和终端间的频偏，并根据估计的结果实时地消除基站和终端间的频偏，从而达到提高接收性能的目的。增强的高速移动频率校正算法：除了估计即时频偏f1，该算法还估计一段时间内的长时间频偏f2，将f1+f2作为估计的频偏。由于长时间频偏能更有效地跟踪终端的高速移动，增强型算法将比原算法能够更好的适应高速运动的场景。,通过改进的均衡算法以及硬件指标提升，目前诺基亚西门子基站设备支持250km/h的环境在众多的GSM-R项目及上海磁悬浮项目中得到验证，在仿真环境下900M可以支持660km/h，1800M可以支持330km/h的终端速度。,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,高速铁路出站入站覆盖设计方案,专网进出口的站台微蜂窝最为理想的是使用两个微蜂窝，如下图所示：,针对微蜂窝A在空闲模式下，开启小区重选惩罚时间，通话模式下开启速度敏感切换，从而保证路过站台的用户在一定时间内不会切入内网入口微蜂窝B，鉴于站台移动用户走路的特性，一旦其通过微蜂窝A到微蜂窝B，必定超过惩罚时间，从而能顺利的从外网重选或者切入微蜂窝A，然后再重选或者切入微蜂窝B，微蜂窝B的覆盖一定要控制好，尽量不要泄漏到站台外的马路上，这样能保证高速列车乘客出站台时不会回切到内网入口微蜂窝B，而能顺利的切出到外网。,高速铁路专网覆盖设计,在进入市区地域建设铁路线微专网由于市区内话务高，频率复用度紧，共用小区难以双方兼顾。进入市区开始建设铁路线微专网，天线高度低，配置不大，对大网影响小。可使用微蜂窝频点，干扰小，利用高增益窄波瓣天线、功分器、直放站等辅助措施。在微专网与大网之间只允许通过站台/火车站的微蜂窝自由流动。,铁路线覆盖设计市区地域,高速铁路专网切换设计,市区区域微专网切换策略：微专网与大网间不添加相邻关系，因而相互间不切换。切换时间窗口减小，加快切换速度，开启提高切换速度的相应功能。降低切换Margin值设置，根据实测设置电平切换、质量切换门限。,铁路线覆盖设计市区地域,铁路线覆盖设计农村开阔地,在农村开阔的高速区域，可以采用高增益、窄波瓣天线，结合功分器(PowerSplitter)进行铁路沿线覆盖。在低速区域如站台、市区区域，话务量大，可以保留常规的方法，这样基站容量能做到较大。,铁路线覆盖设计农村开阔地,由于对同一基站不同方向的小区而言，彼此的重叠区域只是依靠尾瓣覆盖的小块区域，所以我们并不希望切换发生在基站处。该概念是每个基站使用两个定向天线，每个天线分别指向沿路轨不同覆盖方向。两个天线由一个功分器连接并且连到基站内同一个发射机上。这样一个基站的两个天线统属同一个小区。该方案能够大大地扩大了单小区的覆盖长度，减少了沿线的切换次数，并且避免了切换在基站位置的切换。由于功分器有3dB的插入损耗，因此在天线输出等效功率上亦减少3dB。单小区的覆盖范围大大增加，带来话务量的增大，配置要较高。,双极化天线,高速铁路信号传播特性,高架铁路桥关于沿高速铁路的电波传输模型也很重要，根据欧洲铁路以及诺基亚西门子的经验，沿铁路的传播模型有别于沿线地区的无线传播，关于铁轨及其周边无线特性影响和铁塔高度对电磁波传播的影响需要调整新的传播模型并通过添加偏置来达到更好的适用度。同样铁轨的高架地势应该通过一个补偿来考虑进去。仅仅基于理论公式，我们能有一个+9dB的补偿因子，当进行模型调整仿真或覆盖信号强度设计时，需要考虑进该补偿值，,RailwayCuttingU形路堑信号方向与路堑夹角越大衰减越大。路堑越深信号衰减越大。因此在路堑地形基站应靠近路轨沿两边覆盖，适当应用一些直放站，能使信号覆盖效率最大化。,隧道覆盖注意事项,影响隧道内信号传播衰减的因素:隧道的几何平面结构（四边形、圆形）隧道的曲率和拓扑结构使用的频段（波导效应）隧道墙体的材料和相应位置列车流量天线特性以及摆放位置.,隧道覆盖的方案举例1,短隧道的覆盖方案（隧道内可使用直放站）:使用泄漏电缆或天线覆盖，例如K732267或者AH900,隧道覆盖的方案举例2,带光纤分布系统的基站覆盖通过光纤直放站连泄漏电缆或者天线进行覆盖,600m,300m,300m,使用直放站需要考虑的延迟问题,注意：在设计中必须为光电（电光）转换器件保留足够的延迟时间。,隧道外的切换,短隧道的切换尽量在隧道外完成，因为隧道外的覆盖信号在隧道内会快速下降。为了是切换顺利进行，可在隧道口设置天线(pickup-antenna),使列车提早进入隧道小区覆盖区域。,隧道内的切换,长隧道的切换尽量在隧道内完成，因为隧道内的覆盖信号更容易控制,隧道内使用的天线类型,对数周期天线（Yagi）对外部信号不敏感体积小，抗风能力大提供防冰防水保护园极化天线不受隧道内列车流量影响易安装，隐蔽双方向天线适合GSMR系统的天线,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换带、位置区规划及相关参数设置高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,切换区域的设计准则,足够长的切换区域，在一次切换失败后要有足够的时间尝试第二次切换。重叠区域的信号电平值必须高于RXLEV_MIN。重叠区域必须平均分布(如图中所示)。选取6秒为最大切换时间用于切换长度的计算。切换区域长度m=列车最大运行速度km/h*最大切换时间s/3.6HOmin=Vmin*Tmin=250km/h*6s/3.6=416m,重叠区域的建议分布方式：,非建议方式：,高速铁路移动通信参数设置IDLE模式,当手机处于IDLE模式时，尽量使列车内用户在小区重选时优先重选至预想的下一个服务列车内用户的沿线主覆盖小区。而地面用户则正常进行重选。C2的相关参数CRESPARI，CRESOFF，TEMPOFF，PENTIME。通过C2设置，可以保证在惩罚时间内，C小区的C2值将减小。当PENTIME超时后，C小区的C2值恢复正常，避免向C小区重选。,如图中所示，用户沿线由西向东移动。在IDLE模式下，服务小区为A小区。如果用户在高速列车内，按照预想需要重选到B小区；由于实际过程中高速铁路沿线有可能会出现B小区的C2值在某些地段低于C小区的C2值的情况。此时为了使列车内用户按照预想重选至B小区，我们可以通过对C小区C2值临时降低的设置来控制。,高速铁路移动通信参数设置通话模式,速度敏感切换当手机处于通话模式时，要使列车内用户在切换时切换至预想的下一个沿线主覆盖小区。通过速度敏感切换设置，可以在规定时间内，C小区的HOM将额外增加一个值，即临时提高C小区的HOM值。当超过定义的时长后，C小区的HOM值降低，但手机已经在定义的时长内成功切换到了B小区。,如图中所示，用户沿线由西向东移动。在通话模式下，服务小区为A小区。如果用户在高速列车内，按照预想需要切换到B小区；由于实际过程中高速铁路沿线有可能会出现B小区的电平值在某些地段低于C小区的电平值的情况。此时为了使列车内用户按照预想切换至B小区，我们可以通过对C小区HOM值临时提高的设置来控制，以使向C小区的切换条件不成立。,高速铁路移动通信参数设置通话模式,RapidFieldDropHandover(RFD)当高速移动MS的上行电平迅速下降至一定程度(dBm)，对该MS采取RFD的快速切换。RFD参数设置主要基于两个因素：一个是电平值低于什么门限将触发RFD切换；另一个是在什么时候应该触发RFD切换。EnhancedRapidFieldDropHandover(ERFD)当高速移动MS的下行电平在规定的时间下降到一定等级(dB)时，对该MS采取RFD的快速切换。ERFD参数设置首先考虑在规定时长(ERMW参数）内电平下降的幅度，当电平下降超过一定幅度（ERT参数）时，网络将加速对该MS的切换判断，使MS尽快通过ERFD切换至周边相邻小区。,在高速铁路的移动通信中，很大概率会遇到无线信号突然降低的情况，有针对性的开启RFD和ERFD切换，在这种情况下MS进行快速切换，保证切换的及时性，避免掉话。,基于信号衰减速度的快速切换算法,高速铁路专网位置区设计,高速铁路专网小区尽量使用同一个位置区：专网小区尽量归属一个位置区，或者要尽可能减少位置区划分数目，以减少不必要的大量位置更新，致使位置区边界小区信令溢出；如有可能，专网小区尽量归属同一个BSC，或者要尽可能归属同一个交换机，这样能确保专网切换是BSC内切换或者是交换机内切换，加快切换速度，保证切换成功率；参数设置要杜绝专网小区和外网小区间的位置更新；铁路沿线居民区交密集处，参数设置要保证手机开机时优先选用外网，铁路沿线是空旷区域，参数设置要保证手机开机时优先选用专网。,高速铁路切换、接入、掉话参数调整,在高速铁路的这种高速移动环境下，频繁的小区切换重选是导致性能恶化的重要原因在提供简洁的切换重选链的同时通过调整切换门限参数，提高切换前后的信号强度和质量调整切换处理相关参数，如测量窗口大小和相邻小区数，优化切换的处理时间都能够明显改善切换性能。在接入和掉话参数的优化上也采用类似的思路。,为了尽量避免列车上的终端由于切出到不合适的邻区而导致掉话，较好的方案选择之一是使用准专网的覆盖模式，对于提供高速铁道覆盖的小区，优化减少不必要的指向非铁道覆盖的小区的邻区关系。,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换、位置区(LAC)及相关参数设置考虑高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,高速铁路建设和优化的其它考虑,为了尽量避免列车上的终端由于切出到不合适的邻区而导致掉话，较好的方案选择之一是使用准专网的覆盖模式，对于提供高速铁道覆盖的小区，优化减少不必要的指向非铁道覆盖的小区的邻区关系。由于在高速移动情况先多普勒频移的作用，无线信号受到影响的概率非常大，理想的状况下，建议无线信道的C/I比普通公网的标准提高3dB，保证通话信道质量。通常建议为高速铁路覆盖划分出专用频点资源，提高频率的纯净度。对于高速铁路的环境，考虑到可能引入的时延影响，NSN建议谨慎使用直放站作为信号增强的手段在条件许可的情况下，可以在列车上安装车内分布系统，提高列车内终端的接受电平。,高速铁路移动通信解决方案,高速铁路通信概述高速造成的多普勒频移及其影响高速铁路不同场景的覆盖方案切换、位置区(LAC)及相关参数设置考虑高速铁路建设及优化的其它考虑高速铁路通信解决方案总结,高速铁路通信解决方案总结,高性能均衡器与增强的高速移动频率校正算法能够消除由于快速移动带来频偏的影响，仿真环境下最大可支持到660km/h的速度。铁路线在市区区域的覆盖可以建设微专网的方式，除站台外与大网不设切换关系，天线架设较低，采用微