高速铁路对GSM网络带来的影响及其解决方案

　　1、概述

随着社会经济的发展，人们对移动通信的要求越来越高，在一些特殊场景下也需要很高的通信质量。高速铁路就是新出现的一种重要特殊场景。

中国已经在上海建设了磁悬浮火车，时速高达431 km/h，而环渤海、长三角、珠三角等各大城市间的城际铁路时速也将达到200～300 km/h。

在已开通的高速铁路上测试显示，部分路段出现了脱网、不能正常呼叫和切换以及掉话等现象。如何在高速移动情况下提供良好的网络服务质量成为运营商和设备商当前的一个关注点。本文从多普勒效应、高速移动对呼叫和切换带来的影响等几个方面来讨论高速铁路对现有GSM网络的冲击以及相应的解决方案。

　　2、多普勒频移

当终端在运动中通信时，特别是在高速情况下，终端和基站都有直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。多普勒效应所引起的频移称为多普勒频移(Doppler shift)，其计算公式如式(1)所示：

其中：

θ为终端移动方向和信号传播方向的角度;

υ是终端运动速度;

C为电磁波传播速度;

f为载波频率。

从公式(1)可以看出，用户移动方向和电磁波传播的方向相同时，多普勒频移最大;完全垂直时，没有多普勒频移。

图1展示了多普勒频移对移动通信系统的影响，其中fo是中心频率，fd为多普勒频移。

图1　多普勒频移的影响

表1为典型情况下的最大多普勒频移(即假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同，即θ=0)。

表1　典型情况下的最大多普勒频移

由于多普勒频移对移动通信系统的影响最大是2fd，因此当火车速度达到400 km/h，频移的最大影响是667/1333.4 Hz(中心频率为900 MHz/1800 MHz时)。

根据GSM系统移动台(MS)与基站收发信台(BTS)的调制性能，667/1333.4 Hz的频偏，对于接收机接收性能有一定的影响，主要是降低接收的灵敏度，但幅度会比较小。

因此，可以认为目前高速铁路给GSM网络带来的影响中，多普勒频移不是主要因素。

　　3、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新的问题。

下面分析高速移动对空闲、呼叫、切换模式下的MS的影响。

3.1　对在空闲模式下的MS的影响

在空闲模式下，MS会连续监测BA(BCCH(广播控制信道)分配)表中所有载频的电平情况，对电平进行平均处理的时间是：Max{5，(5×N+6)div 7)×BS_PA_MFRMS/4}。

其中，N是BA表中载频的数量。按网络的通常设置，BA表中的载频就是邻区的BCCH频点，因此N的最大值是32。BS_PA_MFRMS表示小区中的寻呼信道被分配成的寻呼子信道数，取值范围为2～9，该值的大小取决于寻呼负载，本处取中间值6。可计算得出最大的平均处理时延为34.5 s。

按照小区选择和重选的规定，MS至少每隔5 s计算并判断一次服务小区和非服务小区的C1和C2参数，如果满足判决条件，马上启动小区重选。MS同步BCCH载频的最大时延是0.5 s，同步后解调BCCH数据的最大时延是1.9 s，即重选一次小区的最大时延是7.4 s。

BA表中频率电平更新一次的时间是34.5 s左右，那么在这期间，当火车速度为200 km/h时，火车通过的距离接近2 km，无线环境可能已经发生了很大的变化。如果场强信号急速衰落，则会造成手机脱网。基于这样的小区选择和重选，将影响手机的呼叫。

3.2　对MS发起呼叫的影响

作者对现网多个完整呼叫进行了统计，从占用上SDCCH(独立专用控制信道)到成功捕获TCH(业务信道)，呼叫建立时长平均为2 s左右(从振铃到接听由于受用户行为影响，时间波动较大，这段时间不予考虑)。在此时间内，如果信号发生快速衰落，那么本次呼叫将失败。

如果火车速度为200 km/h，那么MS在2 s的时间内将移动111 m;如果速度达到400 km/h，那么MS在2 s的时间内将移动222 m。对于这样一段距离来说，发生信号快衰落的可能性是存在的。

在某列高速火车上进行测试，得到的数据如表2所示。可以看出，随着火车速度的上升，手机出现了脱网的现象，而呼叫的成功率也逐步下降。

表2　在某列高速火车上测试得到的数据

3.3　对MS切换的影响

GSM规范规定，通话模式下，MS每隔480 ms(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10 s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