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高鐵環境下CDMA網絡切換掉話問題淺析_高速鐵路

時間:1970-01-01  作者:福建,福州

論文導讀::鐵路的提速對移動通信系統產生一定的影響,尤其是對系統切換性能提出更高的要求,本文針對高速環境下CDMA系統中切換掉話的原因從理論進行了分析,并通過實際案例對切換掉話問題的優化方案進行了分析與說明。
論文關鍵詞:CDMA,高速鐵路,越區切換

 

一、引言

鐵路新型列車CRH(China RailwayHigh-speed)具有車體密封性好,穿透損耗高(一般達到20dB)、運行速度快等特點,同時列車經過的地形地貌復雜多樣,這些對鐵路沿線無線網絡提出更高的移動通信要求。為確保系統能快速、全面提升網絡質量和用戶感知度,高鐵環境下無線網絡系統優化工作尤其突出。通常無線網絡優化的主要性能指標有網絡覆蓋率、接續成功率、掉話率、切換成功率等,在以上主要數據指標中,掉話率是影響網絡整體性能和用戶感知度的一個重要指標。本文針對高速環境下CDMA系統中切換過程中發生掉話問題進行了分析,并通過實際案例對切換掉話問題提出了相應的優化方案。

二、高速運動對切換性能的影響

(一)現網組網方式

現網的鐵路沿線移動通信蜂窩小區呈線狀覆蓋且大多采用城鄉基站兼顧鐵路覆蓋的方式,在列車低速運行情況下是可以滿足覆蓋要求的。但當運行速度提到200km/h以上,原有的組網方式基本上不能滿足覆蓋要求,主要表現為一是信號覆蓋深度不夠,無法達到小區切換邊緣信號強度的要求;二是部分地區基站站址分布密集,周邊信號雜亂無章,干擾電平較高;有的地區基站天饋系統分布不合理,容易發生無主導頻小區問題等等。這些特征使得終端容易發生快速切換和頻繁切換,進而降低系統效率,增加了掉話的可能性。

高鐵經過的地形復雜多樣,橋梁,隧道等占有一定的比例,無線電波在特殊場景如隧道中傳播時,由于隧道壁的吸收及電波的干涉作用而受到較大的衰耗,隧道區域存在弱覆蓋問題甚至盲區,并且因切換區域設置不當容易發生切換掉話問題。同時不同行政區的不同設備廠家之間的高速運動下的同頻硬切換問題;以及專網與非專網之間的切換問題[1]

(二)高速環境下的無線電波傳播衰落特性

移動通信中的無線傳播衰落有多徑衰落和陰影衰落,在高鐵環境下,由于車速加快和車體損耗的增大,不僅帶來信號覆蓋深度不夠,而且伴隨著高速運動帶來的接收信號快速衰落以及山體彎道處等陰影效應也會發生快速衰落,同時由于重疊覆蓋區不夠,小區切換過程滯后于信號衰減速度,造成終端無法占用最強信號,進一步惡化了覆蓋,使終端在跨越不同無線覆蓋區域時,無法保持業務的連續性。

(三) 切換時延

CDMA系統采用手機輔助的越區切換策略,切換過程中網絡要求移動臺測量其周圍基站的信號質量并把結果上報,網絡根據測試結果決定是否進行越區切換。因此,切換時延包括終端搜索、測量處理和切換執行三個過程時間。

手機不斷檢查可以得到的導頻信號并測試其強度,當超過一定閾值T_ADD時高速鐵路,發送導頻信號測量強度PSMM,PSMM是CDMA軟切換時用來觸發切換流程空中接口消息。從手機發送PSMM消息開始,到切換完成以后的手機發出確認信息需要一定的時間,這個時間因為設定不同的搜索窗口寬度和判決條件會有一定的差異。搜索窗口寬度影響手機搜索時間,搜索窗口寬度和切換觸發參數T_ADD、T_DORP、T_TDORP是根據當地傳播環境的色散情況,綜合考慮當地的地形和建筑物等的多路徑反射來進行配置的,這些切換參數即判決條件影響手機切換時延。根據大量的測試數據統計結果以及相關理論計算,一般不超過500ms。考慮到軟件執行延遲等預留切換時間設置,估計軟切換時間約為1s。

在切換區大小不變的前提下,速度越快的終端穿過切換區的時間越短,由于原小區信號快速衰落,當終端的移動速度足夠快以至于穿過切換區的時間少于系統處理軟切換的最小時延,來不及切換到新的導頻上,此時就會導致掉話的產生。對于速度為300km/h的CRH動車,根據上述分析,軟切換距離為83米,因此重疊區域長度為166米[2]

對于同頻硬切換過程中,終端會周期性地上報PSMM消息,與前相同一般必須在T56m(0.2s)時間內完成,考慮到切換之前異頻搜索請求時間,硬切換的時延約為5s,這意味著更長的重疊覆蓋區距離。

三、切換掉話問題分析

發生切換掉話的因素很多,弱覆蓋(快衰落)、導頻污染、干擾、相關切換參數設置(鄰區配置或者相鄰集搜索窗設置)等等。分析因為切換不正常而發生掉話問題,主要通過路測設備或其它呼叫跟蹤設備采集空中接口消息,采集掉話前后的信息,關注掉話區域的覆蓋接收電平RX、發射電平TX、誤幀率FER等性能指標,分析跟蹤掉話前后的信令流程,檢查掉話前手機上報的PSMM消息中當前所駐留的PN碼以及掉話后同步的PN碼,綜合這些信息,分析切換掉話問題的原因并提出優化方案中國學術期刊網。

(一)信號快速衰落

CDMA系統軟切換過程中,終端發起請求要求加入新的小區PN碼信號,發送導頻信號強度測量報告,

搜索器收到導頻強度測量報告,并開始發送擴展切換指示(EHOD)消息,由于列車的高速運動以及無線環境信號快速衰落,服務小區激活集中的PN碼的Ec/Io(能噪比)急劇下降,此時存在新的PN的信號Ec/Io迅速加強瞬間進入候選集(Candidate Set)中,但是由于兩PN碼對應的小區軟切換區太小,使得候選集中新的PN的信號還未來得及進入激活集,在強干擾的作用下導致Ec/Io迅速變差,從而發生掉話問題。圖1是涵江局江口東大附近掉話前的無線環境測試結果圖。

在測試數據中,車輛行駛在圖1發生掉話區域時,終端占用石庭模塊局PN321信號,RX尚可為-88dBm,進行隧道后,PN321扇區信號快速衰弱,從信令流程可以看出終端在0.14s內,其激活集內PN321的Ec/Io由-8dB降到-21dB,誤幀率達到100%。而江口東大PN6的導頻信號突然出現且Ec/Io達到-11.5dB,瞬間進入候選集,導致終端來不及由PN321切換至PN6,從而發生了掉話,信號快速衰落帶來的來不及切換區域覆蓋特點是RX較好、TX較小、FER高,從信令分析中一般表現為掉話后手機同步到新的導頻集。

解決方案:結合周邊環境調整兩個扇區PN321和 PN6的天饋系統,增大兩個扇區的重疊覆蓋區,滿足軟切換時延要求,同時考慮適當加強PN6的導頻功率。另外,由于發生掉話區域是在隧道,除了增大軟切換區之外,還需要選擇切換區位置,通常將切換帶設計在隧道外,并將切換區延伸到隧道口,一般可考慮100-200米的切換距離,使隧道口和隧道外一定距離內的信號保持一致。為了保證重疊覆蓋區域的長度,設置一個重選點,往往通過功控來保證足夠的切換帶,保證合理的軟切換比例。

(二)鄰區配置不合理

由于無限環境及服務小區的各種原因,鄰區規劃往往與實際情況存在一定的差異。鄰區配置不合理表現為三種。第一種漏定義鄰區,MS發送PSMM請求切換,要求加入新的小區PN碼,由于未定義鄰區關系,新的小區PN碼不是激活集中所有PN的鄰小區,不能進入激活集,只能保留在候選集,因此該PN碼信號成為干擾而無法成為目標小區的PN碼信號高速鐵路,此時雖然手機接收電平很好,但是Ec/Io越來越差,FER逐漸增大誤幀率升高,最終導致掉話。第二種是鄰區配置優先級不高,從前面的分析可知,此時增加了手機搜索時間,當信號快速衰落時也會因來不及切換而引起掉話。第三種越區覆蓋破壞了鄰區關系,由于未將周邊小區加入到鄰區中,導致同頻干擾,Ec/Io非常小容易發生掉話[3]

解決方案:鄰區配置不合理引起的切換掉話問題從信令分析也表現為掉話后手機同步到新的導頻集。通過查找該同步消息之前系統下發的鄰區列表更新最近的消息,看是否有定義該PN碼,并結合鄰小區列表數據庫中判斷是否為未定義或雖然定義了但優先級太低。

(三)無主導頻

在測試數據中,車輛行駛在圖2秀嶼局靈川外山門基站南面發生掉話區域時,圖2(a)中可知終端激活集收到PN碼信號有PN363、PN351、PN12,終端占用PN363信號,Rx為-88.25dBm左右,Ec/Io為-21.12dB左右,終端發射功率(TxPower)達到7.08dBm,存在無主導頻情況。隨著車輛快速移動,終端占用的PN363信號強度逐漸變差,在掉話前PN363始終還未切換到PN312上,導致切換失敗,從而導致掉話。從圖中可以看出,該路段Ec/Io整體覆蓋差,無主導頻。

解決方案:考慮到上述四個PN信號里掉話區域距離較遠,可以檢查距離較近的基站秀嶼局靈川外山門基站PN15和PN102扇區是否閉鎖,進一步加強該路段的信號覆蓋,突出主導頻的信號強度,而削弱一些導頻的信號強度,同時優化PN363、PN351、PN12所屬基站之間的鄰區關系。

四、結束語

通過以上分析,高鐵環境下主要發生兩大類切換,一是快速切換,二是頻繁切換。前者可以通過延長切換距離換取足夠的切換時間,保證切換過程的完整性。后者可以通過加強信號覆蓋,突出某一主導頻信號強度以及采用功分同PN技術克服系統內頻繁切換。為了保證高鐵環境下網絡信號質量,減少切換掉話問題,必須做好切換規劃,切換規劃包括設置合理的切換帶位置、切換帶寬度和切換參數和鄰區關系,同時結合路測結果發現網絡問題、優化切換過程。


參考文獻:
[1]張傳福.彭燦.胡敖,等.CDMA移動通信網絡規劃設計與優化[M]. 人民郵電出版社2006,200-319
[2]蔡桂浩.高鐵環境下CDMA網絡覆蓋于優化研究[J].移動通信,2009(8),52-56
[3]肖強.廣深高速鐵路CDMA網絡分析及優化[J]. 電腦與電信,2008(7).
 

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