建设GSM专网解决高铁用户话音感知的探讨

杨璇, 周海峰

（中国移动通信集团河北有限公司保定分公司, 保定 071051）

2012年底，河北境内京石武高铁正式开通运营，该线路连通北京至武汉高铁线路，形成环北京的“一小时交通圈”，以石家庄为中心的“两小时交通圈”，运营车型以CRH380和CRH5为主，平均车速达到250～300 km/h。随着高速铁路的快速发展，旅客卧、坐、行都比其它运输方式舒适，在价格方面较特快高出约一倍左右，旅客多为中高收入阶层。由于高速列车车箱采用全封闭式车体结构，车体密封性好，增大了车体损耗，同时车速过快，传统GSM宏基站方式组网面临着经过位置区（LAC）较多，切换、重选、位置更新频繁，容易发生误切换至较远小区或切换不及时而导致话音质量急速恶化，产生掉话、主叫无法接通、通话断续等问题，用户感知较差。传统宏站覆盖高铁站点距离铁路远且分布不均匀，无法形成有序切换带，列车在高架桥上运营导致远处基站过覆盖造成频率干扰，经过测试，京石武高铁在保定段单程172 km跨11个LAC区域，跨两个设备厂家，占用的小区数达到241个，单小区覆盖范围仅为2 km左右，切换次数达到502次，掉话达到24次，主叫无法接通达到14次，网络整体接通性较差。

为克服以上问题，采用分布式基站以合并小区方式进行组网建设GSM专网，有效的解决以上问题，通过扩大单小区覆盖范围，大幅减少切换、重选次数，为高铁用户提供稳定的无线通话网络。

1 GSM高铁专网组网关键问题分析

1.1 切换/重算重叠区

小区重选需要5 s以上时间，而切换一般3～5 s内可以完成，所以满足重选需求的交叠区可满足切换需求。小区间的重叠覆盖区域要求跟移动终端的移动速率成正比，终端移动速率越快，需要的重叠区域便越大。2个小区重叠覆盖如图1所示， O点为2个小区信号强度相同的地方，O到A点需5 s，则重叠覆盖区域为A到B点。

图1 空闲模式下小区重叠区域示意图

根据不同车型终端行驶速度计算小区重叠区域如表1所示，高铁车速在250～350 km/h之间，小区重叠区域应大于834 m。

表1 不同速度下小区间重叠区要求

1.2 站址规划

对GSM专网进行链路预算，采用okumura-hata模型计算高铁专网单小区覆盖半径：

链路损耗Lu＝69.55＋26.16lgf－13.82lgHb＋(44.9－6.55lgHb)lgd－a(Hm)＋Cm

其中a(Hm)=(1.1lgf-0.7)Hm-(1.56lgf-0.8)为移动台高度修正，Cm为大城市修正，京石武高铁保定段不经过市区、县城，主要位于郊区和农村区域，链路预算场景选取农村模型,Cm=15。

（1）发射功率设定为15 W，即41.8 dBm，人体损耗为3 dB，馈线损耗为2 dB，天线农村区域选取21 dBi高增益天线覆盖，有效发射功率=发射功率+天线增益-馈线损耗-人体损耗=57.8 dBm。

（2）根据测试和实际感知，车厢内边缘电平为大于-85 dBm时可正常通话。京石武高铁主要运营CRH2和CRH5车型，车体损耗设置为24 dB。慢衰落衰耗为6 dB，切换余量为5 dB。边缘设计场强=车厢内边缘电平-车体损耗-慢衰落衰耗-切换余量=-50 dBm。

（3）最大允许链路损耗=有效发射功率-边缘设计场强=107.8 dBm。

（4）模型计算，f=900 MHz，Hb为天线相对铁轨高度，取20 m。Hm为手机相对铁轨高度，取2.5 m，农村区域小区覆盖半径为1.23 km。

专网采用分布式基站小区合并技术，小区内站点不需考虑重选、切换重叠覆盖，站间距应选择2～2.5 km之间。小区间站点站间距考虑重叠覆盖要求为1.23+（1.23-0.834）=1.626 km。考虑实际选址余量，规划高铁专网小区内站址站间距为2 km，小区间站址站间距为1.5 km能够满足连续覆盖。

此外，根据穿透损耗与入射角关系仿真计算，入射小于10°后，穿透损耗增加明显。需保证基站信号到列车入射角不小于10°，如图2所示，入射角应满足arcsin(d/r)=θ≥(10×3.14/180)rad，基站覆盖半径r=1.1 km情况下，基站距离铁路d应大于191 m。根据测试经验，基站距离铁路距离一般不能大于300 m。

图2 入射角示意图

综上所述，为保证正常话音通话，GSM高铁专网基站选址时应确保小区内站间距为2 km，小区间站址站间距为1.5 km，同时站址距离高铁距离一般在191～300 m之间。

1.3 GSM高铁专网组网方式

传统高铁专网一般采用直放站数字射频拉远系统GRRU，由于其仅具有信号放大作用，一般会出现抬升低噪、时延增大、容量受限等缺点，而采用布式基站组网，可实现基带单元BBU与射频单元RRU分离、多级射频单元级联覆盖模式，与GRRU相比，在设备性能、运行稳定性、监控能力以及组网灵活性上更具有优势，干扰相对较小，可实时监控近端、远端设备供电情况，支持小区合并的级联数更高。因此，保定京石武高铁专网采用了分布式基站的方式进行建设。

将高铁专网所有小区下挂在一个BSC下，属同一LAC，大幅度降低了跨LAC进行位置更新所需的资源消耗；每物理站点安装两个RRU和两面天线，分别覆盖两个方向，4～5个站点下挂在同一个BBU下，组成一个逻辑小区，同一小区下所有RRU共享相同的逻辑数据，增加了单小区的覆盖距离，减少切换、重选次数，提升通话连续性。

如图3所示，A/B/C/D 4个站点为同一逻辑小区，共8面天线，AB、BC、CD之间小区内站间距d1为2～2.5 km，AE 、DF之间为小区间站间距，考虑重选、切换重叠覆盖度站间距d2在1.5 km之内。单小区覆盖距离可达d1×3+2×d2/2=7.5km。

图3 分布式基站合并小区覆盖示意图

1.4 高铁专网容量规划

对于高铁专网，由于其封闭性，需要专网为火车上用户提供容量支撑，综合考虑到火车上用户的行为特点、话务特点及专网特殊性，针对铁路上容量配置需要根据不同区段进行考虑。由于京石武高铁保定段未经过市区和县城，以郊区容量模型进行估算。

1.4.1 用户数

根据目前国内的动车情况，最多16节客车，单节车厢满员80人，区段运行一般不超过2辆动车，2辆总客流量估计不少于2 560人。假定节假日按超员20%计算，则总客流量估计不少于3 072人。

1.4.2 移动手机持有率分析

根据目前移动通信的发展状况，参照各地经验，我们按移动手机持有率95%计算，其中移动用户占有率按70%。

1.4.3 人均忙时话务量分析

结合已有话务统计数据，人均忙时话务量建议按0.015Erl计算（根据当地已有数据进行调整）。

1.4.4 忙时话务量计算

忙时话务量（Erl）=总人数×手机持有率×移动用户占有率×人均忙时话务量。

预测郊区段忙时话务量=3 072×95%×70%×0.015=30.643 2 Erl。

查询ErlB表，呼损为2%，需TCH信道数为39个，考虑仅满足正常话音和低速上网需求,考虑PDCH信道复用人数为8，GPRS用户忙时带宽设计为8.1 kbit/s。信道配置原则如下：

39个TCH（可动态转化为PDCH）＋1个BCCH＋6个SDCCH＋2个静态PDCH(数据业务)。

此外，考虑与外地市边界位置更新较多，规划LAC缓冲站点分担SDCCH和TCH话务量，即两个边界站点共有4个RRU分属两个小区，设计为8TRX配置。

1.5 频率规划

高铁列车穿透损耗大，如果使用频点的底噪过高，会造成列车内用户通话质量差或无法起呼，所以为保证覆盖，高铁专网应使用专用频点。相同车速时，1800 MHz比900 MHz多普勒频偏大一倍，性能损失更大。另外，900 MHz频段覆盖能力比1800 MHz频段大6～10dB。因此，高铁GSM专网覆盖，优先选择900 MHz 频段。

手机关机再开机时，由于BCCH（广播控制信道）的记忆效应，手机会首先扫描关机前存储的BA表中的频点。非高铁用户在专网附近开机，可能也会误选至专网小区上，因此，高铁小区使用专用频点以避免这种问题。

中国移动GSM网络和铁路通信GSM-R网络毗邻，为保障铁路通信网络的安全，高铁专网必须在GSM基站侧增加滤波器，以满足移动用户终端接收的GSM-R信号电平小于-95 dBm的要求。

移动1～94号频点中，1～44号频点产生的互调干扰容易对GSM-R频段产生干扰，公网BCCH主要采用78～94号频点，考虑隔离频点46和78，高铁专网小区频点采用48～74的偶数频点，同时将76、78列为扩容备用频点。如表2所示，Cell1、Cell2频点两组频点轮换使用，边界LAC缓冲小区频点在此范围内独立规划。

表2 京石武高铁专网频点列表

1.6 规划小结

经过仿真设计及现场勘查，京石武高铁保定段需建设102个物理站点，共32个小区，其中包含26个逻辑小区，2个LAC边界缓冲小区和4个车站室分小区。专网建成后，单小区覆盖范围可扩大到7.5 km以上，大幅度减少切换重选次数，可明显提升GSM话音通话稳定性。

2 GSM高铁专网优化

高铁专网优化工作主要包括公网清频、参数规范、单站业务验证、路测调整、边界优化、公网入侵优化等工作。

2.1 沿线公网小区翻频

高铁专网频点规划后，需对原有宏基站网络进行翻频，原有公网不能使用专网频点。

通过多次测试总结，要求列车外信号强度需要达到-61 dBm；同时，考虑同频干扰保护比12 dBm的要求，参考扫频测试数据，对高铁沿线铁路上车外接收电平大于-73 dBm的所有公网同频小区进行翻频，保证专网频点无干扰。

根据以上原则，对保定高铁沿线公网小区进行手动清频工作，并设置高铁站点隔离带，确保后期入网站点不使用专网频点。

2.2 全网参数规范优化

鉴于高铁特殊场景，参数优化设置较为特殊，对专网小区的空闲模式参数优化、切换参数、功控参数、寻呼及接入类等参数进行了优化。

2.2.1 空闲模式参数优化

（1）最小接入电平和小区重选偏滞CRO。专网小区统一设置最小接入电平以及小区重选偏滞CRO，避免出现一个运行方向上的重选之后。建议设置最小接入电平为-105dBm，CRO=0，使用户容易接入。

（2）惩罚时间PT、临时偏滞TO。高速运动场景下不对邻区C2进行临时惩罚，避免出现无法占用主服小区的情况出现，统一设置惩罚时间PT和临时偏滞TO为0。

（3）小区重选迟滞CRH。影响GPRS重选以及位置区边界重选，邻区电平需高出服务小区CRH方能发生重选。专网内部小区CRH统一设置为4，避免由于CRH过大导致的重选延迟，位置区边界小区可适当调整。

2.2.2 切换参数优化

简化邻区配置：为保证专网独立性，除必要的话务疏导邻区外，专网内小区间只添加前后专网邻区。

快速切换算法：根据不同厂家快速切换算法配置邻区切换参数，减少切换滤波和最小时间间隔，加快切换测量。

2.2.3 其它参数优化

上下行功率控制的周期最小为480 ms，以高铁250 km/h的运行速度已运动33 m，无线环境发生很大变换，因此，高铁场景建议关闭上下行功控功能。

开启上下行不连续发射功能会导致在通话间隙仅在部分时隙发射测量信号，在高速运动场景下测试准确性受影响，建议全部关闭。

2.3 单站验证优化

高铁专网单站开通后，陆续进行了RRU物理站点的基础数据详细的核查，验证内容如表3所示，包括天线的方位角、下倾角、经纬度的核查。同时，对单小区话音、数据业务进行了现场拨打测试，验证业务是否正常，并及时调整天线方位角和下倾角。

表3 京石武高铁专网网优单站验证规范

2.4 全网性能验证

专网开通后，开展频繁的车内拉网测试，模拟车厢内用户行为，对发现问题点进行逐一处理，逐步排查并解决过覆盖、邻区配置不合理、频率干扰等问题，至全程性能测试指标稳定，车内感知话质良好。主要指标包括接通率、掉话率、全程成功率、覆盖率和话音质量。

2.5 原有公网宏基站侵入性问题优化

由于高铁经过多个大型村庄，在高铁外内专网信号远高于原有宏基站信号，造成高铁外用户侵入公网，增大专网负荷，无法切回公网的问题。为此，除减少出专网邻区配置外，还可通过小区禁止限制和小区接入禁止参数配合，降低小区选择优先级，避免高铁周边农村用户在开关机后选择进入高铁专网。如表4所示，选择第3种参数设置模式，降低小区选择优先级。

表4 高铁专网小区禁止接入CBA/小区禁止等级限制CBQ参数

同时，对高铁外道路进行逐步排查，添加专网外第二层背向小区为疏导邻区。同时，控制公网重选、切换表，避免公网用户重选或切换至专网内。

2.6 边界协同优化

保定高铁专网北邻北京，南邻石家庄。根据测试分析，与两市边界小区存在频率干扰问题。与石家庄边界共有4个专网小区合计28套载频以及5个公网小区合计32套载频，频率干扰严重，经协调，双方对公网站点进行了减容，合理调整专网小区频点，避免BCCH和TCH同频现象出现。

与北京交界处情况较为复杂，前期北京无高铁专网，保定专网添加北京边界TD-SCDMA和GSM公网邻区，但由于切换序列复杂，无法保证每次能够顺利从北京切换进入保定专网，因此在保定境内选取一些公网小区添加专网邻区作为保护。后期北京开通了高铁专网，切换成功率大大提升，目前已能够保证从北京专网小区顺利切入保定专网小区，经过协调，解决了两地市边界邻区、频率问题，保证用户在边界能够顺利过渡。

2.7 GSM高铁专网优化小结

2.7.1 路测指标提升

高铁专网小区陆续开通入网后，路测指标逐步改善并达到稳定，如表5所示,呼叫全程成功率由开通前的46.25%提升至72.57%。经过单站测试优化、参数优化、邻区优化等优化工作后，呼叫全程呼叫成功率达到100%，覆盖率(大于-94 dBm)达到100%，RxQual质量99%以上。话音质量从开通前的75.65%提升到99%以上，用户感知明显提升。

表5 京石武高铁专网DT测试指标

2.7.2 网管指标

专网开通后，由于非高铁用户侵入较多，造成话务量高、负荷高、干扰大等问题。经过单站优化及CBQ、接入电平等参数调整后，侵入问题得到缓解，网管KPI指标稳步提升。

京石武高铁专网BSC的TCH话务量由开通初期的600 Erl左右下降到了400 Erl左右，保持稳定，有效的控制了公网用户的入侵。

无线接入性由开通初期的97.7%提升到了99.44%，SDCCH拥塞率由开通初期的0.74%降低到了0.00%，TCH信道拥塞率由开通初期1.10%降低到了0.00%，切换成功率由开通初期的91.56%上升到了98.56%，指标提升明显。

3 结束语

随着国内高铁线路的迅速发展，高铁移动用户的话音感知急需保障。因高铁具有车体屏蔽高、车速快等特点，原有城市覆盖模型单站覆盖距离短，无法满足车内通话需求，需建设专网进行覆盖。采用分布式基站合并小区的方式建设GSM专网，不需在每个站点建设机房，减少了投资；该组网方式使得单小区覆盖范围增大到7.5 km左右，大大减少了跨小区的切换与重选次数；采用专网的频率网络干扰小，通话质量好，应用效果良好，通话质量提升显著，客户感知提升明显，可大范围应用于高铁运动场景。

[1]韩斌杰. GSM原理及其网络优化[M]. 北京：机械工业出版社，2004.

[2]张威. GSM网络优化——原理与工程[M]. 北京：人民邮电出版社，2003.

[3]吴伟陵, 牛凯. 移动通信原理[M]. 北京：电子工业出版社,2005.