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高铁环境下CDMA网络切换掉话问题浅析_高速铁路

时间:2012-12-27  作者:福建,福州

论文导读::铁路的提速对移动通信系统产生一定的影响,尤其是对系统切换性能提出更高的要求,本文针对高速环境下CDMA系统中切换掉话的原因从理论进行了分析,并通过实际案例对切换掉话问题的优化方案进行了分析与说明。
论文关键词:CDMA,高速铁路,越区切换

 

一、引言

铁路新型列车CRH(China RailwayHigh-speed)具有车体密封性好,穿透损耗高(一般达到20dB)、运行速度快等特点,同时列车经过的地形地貌复杂多样,这些对铁路沿线无线网络提出更高的移动通信要求。为确保系统能快速、全面提升网络质量和用户感知度,高铁环境下无线网络系统优化工作尤其突出。通常无线网络优化的主要性能指标有网络覆盖率、接续成功率、掉话率、切换成功率等,在以上主要数据指标中,掉话率是影响网络整体性能和用户感知度的一个重要指标。本文针对高速环境下CDMA系统中切换过程中发生掉话问题进行了分析,并通过实际案例对切换掉话问题提出了相应的优化方案。

二、高速运动对切换性能的影响

(一)现网组网方式

现网的铁路沿线移动通信蜂窝小区呈线状覆盖且大多采用城乡基站兼顾铁路覆盖的方式,在列车低速运行情况下是可以满足覆盖要求的。但当运行速度提到200km/h以上,原有的组网方式基本上不能满足覆盖要求,主要表现为一是信号覆盖深度不够,无法达到小区切换边缘信号强度的要求;二是部分地区基站站址分布密集,周边信号杂乱无章,干扰电平较高;有的地区基站天馈系统分布不合理,容易发生无主导频小区问题等等。这些特征使得终端容易发生快速切换和频繁切换,进而降低系统效率,增加了掉话的可能性。

高铁经过的地形复杂多样,桥梁,隧道等占有一定的比例,无线电波在特殊场景如隧道中传播时,由于隧道壁的吸收及电波的干涉作用而受到较大的衰耗,隧道区域存在弱覆盖问题甚至盲区,并且因切换区域设置不当容易发生切换掉话问题。同时不同行政区的不同设备厂家之间的高速运动下的同频硬切换问题;以及专网与非专网之间的切换问题[1]

(二)高速环境下的无线电波传播衰落特性

移动通信中的无线传播衰落有多径衰落和阴影衰落,在高铁环境下,由于车速加快和车体损耗的增大,不仅带来信号覆盖深度不够,而且伴随着高速运动带来的接收信号快速衰落以及山体弯道处等阴影效应也会发生快速衰落,同时由于重叠覆盖区不够,小区切换过程滞后于信号衰减速度,造成终端无法占用最强信号,进一步恶化了覆盖,使终端在跨越不同无线覆盖区域时,无法保持业务的连续性。

(三) 切换时延

CDMA系统采用手机辅助的越区切换策略,切换过程中网络要求移动台测量其周围基站的信号质量并把结果上报,网络根据测试结果决定是否进行越区切换。因此,切换时延包括终端搜索、测量处理和切换执行三个过程时间。

手机不断检查可以得到的导频信号并测试其强度,当超过一定阈值T_ADD时高速铁路,发送导频信号测量强度PSMM,PSMM是CDMA软切换时用来触发切换流程空中接口消息。从手机发送PSMM消息开始,到切换完成以后的手机发出确认信息需要一定的时间,这个时间因为设定不同的搜索窗口宽度和判决条件会有一定的差异。搜索窗口宽度影响手机搜索时间,搜索窗口宽度和切换触发参数T_ADD、T_DORP、T_TDORP是根据当地传播环境的色散情况,综合考虑当地的地形和建筑物等的多路径反射来进行配置的,这些切换参数即判决条件影响手机切换时延。根据大量的测试数据统计结果以及相关理论计算,一般不超过500ms。考虑到软件执行延迟等预留切换时间设置,估计软切换时间约为1s。

在切换区大小不变的前提下,速度越快的终端穿过切换区的时间越短,由于原小区信号快速衰落,当终端的移动速度足够快以至于穿过切换区的时间少于系统处理软切换的最小时延,来不及切换到新的导频上,此时就会导致掉话的产生。对于速度为300km/h的CRH动车,根据上述分析,软切换距离为83米,因此重叠区域长度为166米[2]

对于同频硬切换过程中,终端会周期性地上报PSMM消息,与前相同一般必须在T56m(0.2s)时间内完成,考虑到切换之前异频搜索请求时间,硬切换的时延约为5s,这意味着更长的重叠覆盖区距离。

三、切换掉话问题分析

发生切换掉话的因素很多,弱覆盖(快衰落)、导频污染、干扰、相关切换参数设置(邻区配置或者相邻集搜索窗设置)等等。分析因为切换不正常而发生掉话问题,主要通过路测设备或其它呼叫跟踪设备采集空中接口消息,采集掉话前后的信息,关注掉话区域的覆盖接收电平RX、发射电平TX、误帧率FER等性能指标,分析跟踪掉话前后的信令流程,检查掉话前手机上报的PSMM消息中当前所驻留的PN码以及掉话后同步的PN码,综合这些信息,分析切换掉话问题的原因并提出优化方案中国学术期刊网。

(一)信号快速衰落

CDMA系统软切换过程中,终端发起请求要求加入新的小区PN码信号,发送导频信号强度测量报告,

搜索器收到导频强度测量报告,并开始发送扩展切换指示(EHOD)消息,由于列车的高速运动以及无线环境信号快速衰落,服务小区激活集中的PN码的Ec/Io(能噪比)急剧下降,此时存在新的PN的信号Ec/Io迅速加强瞬间进入候选集(Candidate Set)中,但是由于两PN码对应的小区软切换区太小,使得候选集中新的PN的信号还未来得及进入激活集,在强干扰的作用下导致Ec/Io迅速变差,从而发生掉话问题。图1是涵江局江口东大附近掉话前的无线环境测试结果图。

在测试数据中,车辆行驶在图1发生掉话区域时,终端占用石庭模块局PN321信号,RX尚可为-88dBm,进行隧道后,PN321扇区信号快速衰弱,从信令流程可以看出终端在0.14s内,其激活集内PN321的Ec/Io由-8dB降到-21dB,误帧率达到100%。而江口东大PN6的导频信号突然出现且Ec/Io达到-11.5dB,瞬间进入候选集,导致终端来不及由PN321切换至PN6,从而发生了掉话,信号快速衰落带来的来不及切换区域覆盖特点是RX较好、TX较小、FER高,从信令分析中一般表现为掉话后手机同步到新的导频集。

解决方案:结合周边环境调整两个扇区PN321和 PN6的天馈系统,增大两个扇区的重叠覆盖区,满足软切换时延要求,同时考虑适当加强PN6的导频功率。另外,由于发生掉话区域是在隧道,除了增大软切换区之外,还需要选择切换区位置,通常将切换带设计在隧道外,并将切换区延伸到隧道口,一般可考虑100-200米的切换距离,使隧道口和隧道外一定距离内的信号保持一致。为了保证重叠覆盖区域的长度,设置一个重选点,往往通过功控来保证足够的切换带,保证合理的软切换比例。

(二)邻区配置不合理

由于无限环境及服务小区的各种原因,邻区规划往往与实际情况存在一定的差异。邻区配置不合理表现为三种。第一种漏定义邻区,MS发送PSMM请求切换,要求加入新的小区PN码,由于未定义邻区关系,新的小区PN码不是激活集中所有PN的邻小区,不能进入激活集,只能保留在候选集,因此该PN码信号成为干扰而无法成为目标小区的PN码信号高速铁路,此时虽然手机接收电平很好,但是Ec/Io越来越差,FER逐渐增大误帧率升高,最终导致掉话。第二种是邻区配置优先级不高,从前面的分析可知,此时增加了手机搜索时间,当信号快速衰落时也会因来不及切换而引起掉话。第三种越区覆盖破坏了邻区关系,由于未将周边小区加入到邻区中,导致同频干扰,Ec/Io非常小容易发生掉话[3]

解决方案:邻区配置不合理引起的切换掉话问题从信令分析也表现为掉话后手机同步到新的导频集。通过查找该同步消息之前系统下发的邻区列表更新最近的消息,看是否有定义该PN码,并结合邻小区列表数据库中判断是否为未定义或虽然定义了但优先级太低。

(三)无主导频

在测试数据中,车辆行驶在图2秀屿局灵川外山门基站南面发生掉话区域时,图2(a)中可知终端激活集收到PN码信号有PN363、PN351、PN12,终端占用PN363信号,Rx为-88.25dBm左右,Ec/Io为-21.12dB左右,终端发射功率(TxPower)达到7.08dBm,存在无主导频情况。随着车辆快速移动,终端占用的PN363信号强度逐渐变差,在掉话前PN363始终还未切换到PN312上,导致切换失败,从而导致掉话。从图中可以看出,该路段Ec/Io整体覆盖差,无主导频。

解决方案:考虑到上述四个PN信号里掉话区域距离较远,可以检查距离较近的基站秀屿局灵川外山门基站PN15和PN102扇区是否闭锁,进一步加强该路段的信号覆盖,突出主导频的信号强度,而削弱一些导频的信号强度,同时优化PN363、PN351、PN12所属基站之间的邻区关系。

四、结束语

通过以上分析,高铁环境下主要发生两大类切换,一是快速切换,二是频繁切换。前者可以通过延长切换距离换取足够的切换时间,保证切换过程的完整性。后者可以通过加强信号覆盖,突出某一主导频信号强度以及采用功分同PN技术克服系统内频繁切换。为了保证高铁环境下网络信号质量,减少切换掉话问题,必须做好切换规划,切换规划包括设置合理的切换带位置、切换带宽度和切换参数和邻区关系,同时结合路测结果发现网络问题、优化切换过程。


参考文献:
[1]张传福.彭灿.胡敖,等.CDMA移动通信网络规划设计与优化[M]. 人民邮电出版社2006,200-319
[2]蔡桂浩.高铁环境下CDMA网络覆盖于优化研究[J].移动通信,2009(8),52-56
[3]肖强.广深高速铁路CDMA网络分析及优化[J]. 电脑与电信,2008(7).
 

 

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