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1、 高速环境下的无线信号覆盖问题摘 要：在高速铁路环境下, 无线信道的性能发生急剧的变化。针对高速环境下电波传播的特点,阐述了高速铁路中无线信道的特点并对无线信道进行了建模, 分析了高速铁路中多普勒频移的特性及对误码率的影响, 讨论了隧道传播环境, 最后对无线传输的可靠性进行了分析。关键词： 高速铁路 ； 无线信道 ； 多普勒频移 ； 隧道 ； 可靠性The research of wireless coverage on high-speed environmentAbstract: Under the environment of high speed railway, the perfor
2、mance o f w ireless channel would change dramatically . As for the characteristics of the propagation of radio wave, this paper proposed a model o f w ireless channel in high speed railway，analyzed the characteristics and effects of Doppler shift on BER, discussed the propagation environment in tunn
3、el, and finally analyzed the reliability of wireless data transmission.Key words: High speed railway ; Wireless channel ; Doppler shift Tunnel ; Reliability目 录一 引言11.1 选题意义及背景11.2本文研究内容2二 高速运动存在的问题42.1 高速移动下的多普勒频移52.2 信道的快速变化问题92.3 高速移动下的重选和切换9三 高速环境下无线覆盖解决方案整体思路113.1 多普勒频移解决方案123.2 基于 Matlab 软件仿真多普
4、勒频移对信号的影响153.3时变信道解决方案193.4 重选和切换解决方案203.5 专网解决方案21四 网络规划和优化的解决方案和建议214.1 无线传输可靠性分析214.2 调整GSM基站原有网络覆盖224.3 无线参数调整224.4 增加新的网络功能244.5 结束语25五 总结与展望26致 谢28一 引言1.1 选题意义及背景随着我国科技不断发展壮大的今天，无线通信已成为人们日常生活中必不可少的交流方式之一；越来越多的人们已经将手机交流，无线网络交流融入到自己的日常生活中。同时，伴随着我国综合国力的提高，高速公路、铁路已基本覆盖全部国境，高铁技术也逐渐成熟，为人们出行带来了诸多方便。人
5、们在享受高铁提速所带来的出行便利的同时，却始终被高速环境下无线信号衰减的问题所困恼，使得在乘车时，高速行驶时，无法进行流畅的无线信道交流。这究竟是事出何因呢？高速公路、铁路隧道无线覆盖是实现无线网络无缝覆盖的一个重要组成部分,是运营商提高综合竞争力的一个有力手段,在我国,铁路、公路隧道占比非常高,特别是途经山区地段,占比更高, 高速环境下的无线信号覆盖问题已越来越受到国际上的关注与重视。2007年全国铁路第六次大提速后，我国高铁时速已从以往的120km/h以下迅猛提升到250kmh以上，部分地区无线网络出现了铁路覆盖区域掉话率大幅度上升及话音质量严重下降现象，极大地影响了中国移动无线网络服务和
6、业务质量。我国近年来对火车的6次全面提速见表1-1速度的提升对无线信号传输的影响见图1-2表1-21.2本文研究内容高速铁路和高速公路的开通和应用,使未来移动通信系统面临高速移动环境。在高速移动环境下，无线通信系统会产生大的多普勒频移，信道会发生快速变化，这些变化会严重地降低移动通信系统的性能。移动速度在120km/h以内，基本上可以达到性能指标要求。但随着速度的进一步增加，高码率和高阶调制组合的高速率传输方案逐渐达不到性能指标要求，且存在差错基底（error floor）。同低速移动通信系统相比,在高速移动环境下，影响移动通信系统传输性能的主要因素有两个:1.由于多普勒频移引入的时变载波频率
7、偏移,载波频率偏移使采用多载波技术体制的上下行链路符号内产生子载波间干扰(ICI)和用户间产生多用户间干扰(MAI),降低系统性能。 2.信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMA和SC-FDMA而言，快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰，不同的多载波符号间产生时间选择性衰落。由于插入导频密度的限制，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化，从而降低整个系统的性能。二 高速运动存在的问题1.高速环境下无线信号质量问题原因分析 1.1 高速铁路环境下无线信道的特点(1) 无线覆盖范围是沿铁轨的线覆盖而不是面覆盖。在高速环境下，无线网络沿着铁路线状覆盖的特性使得同频小区数目减少，减轻
8、了同信道间的干扰,，并且可以根据列车的运行速度和运行方向,，判定列车将到达的下一个小区及到达时间,。这对于高速环境下实施越区切换是十分有利的。(2) 绝大多数情况下，基站在运行列车的正前方、正后方很小的角度范围内，因此多普勒频移应根据最大多普勒频移来计算。(3) 铁路沿线地形起伏较小，接收信号中直射波占主导地位, 并伴随有视距传播的Ricean 衰落成分, 传输时延很小。(4) 隧道有明显的波导作用，不造成附加的传播延迟，有较低的传播损耗。路堑及线路旁的类似结构具有和隧道相似的特性。(5) 车台移动引入多普勒频移，当列车速度为500km/h，载频为900MHz 时，最大多普勒频移fD，max=
9、v=417Hz(其中， fD，max 为最大多普勒频移，v 为列车速度， 为入射波波长) ，这将影响系统信息传输的误码率、突发帧错误平均长度, 同时也增加了采用相关解调方式时准确提取载波频率的难度。基于上述无线信号特点，移动速度的提高对于无线网络而言存在的影响可以从以下几个方面进行分析： （1）速度的提高带来的多普勒频移和高频次深衰落，对无线接收机灵敏度的影响。（2）速度的提高对无线网络同步可能的影响。（3）速度的提高对原有无线网络切换、重选的影响。（4）速度的提高对终端性能的影响。此外，除了移动速度的提高，由于实际案例中，涉及高铁，高速公路的一些硬件条件和客观因素，也会对无线信号的覆盖产生一
10、定的影响。下面将以生活中常见的高铁的无线信号覆盖问题为例做具体分析。2.1 高速移动下的多普勒频移多普勒频移当终端在运动中通信时, 特别是在高速情况下, 终端和基站接收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: Fd = f / c * v * cos (1)其中:为终端移动方向和信号传播方向的角度;v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, 即= 0, 多普勒频移最大。图1展示了多普勒频移对移动通信系统的影响, 其中fo是
11、中心频率, fd为多普勒频移。图1多普勒频移表1为典型情况下的最大多普勒频移(假设用户移动方向和电磁波传播的方向相同) 。表1典型情况下的最大多普勒频移速度( km /h)速度(m / s)f0 (Hz) 对f0 900Mf0 (Hz) 对f0 1800M20055.6166.7333.330083.3255.0500.0400111.1333.3666.7高速环境下的无线信道特征基本上可以看作是一个较大的多普勒频率偏移加上很小的频率色散。其中较大的多普勒频率偏移是由高速列车相对基站收发信机的高速运动形成；而很小的频率色散是由用户相对于车内反射散射体的低速运动形成。另外，高速铁路场景的基站侧角
12、度扩展较小，且时延扩展较小，有利于发挥智能天线波束赋形增益。2.1.高速多普勒频移对无线接收灵敏度的影响2.1.1.高速环境频偏模型介绍 基站布站方式，和初始条件如图1-1，多普勒频移的变化由下式给出 1-1高速铁路布站示意图1.1.2.对GSM接收机灵敏度带来的影响1.1.2.1.高铁频偏对RACH解调性能的影响按照协议要求，RACH参考灵敏度性能在-104dBm的时候，高铁频偏对RACH解调性能的影响如下图：图1-2高速频偏带来的系统性能损失曲线(900MHz/1800MHz)1.1.2.2.高铁频偏对TCH/FS解调性能的影响按照协议要求，TCS/FS的解调灵敏度是在-104dBm的时候
13、，高铁频偏对RACH解调性能的影响如下图： 图13高速频偏带来的系统性能损失曲线(900/1800MHz)综上所述，由图1-2和图1-3可知随着速度的提高，在保证一定FER系统性能的损失也随之加大。我们从公式(1)可以看出1800M所产生的频偏是900M所产生频偏的两倍，我们对应1-2和1-3图可知，1800M，250km/h所产生的系统性能损失，相当于900M，500km/h所产生的系统性能损失，所以我们建议铁路沿线使用900M网络覆盖。在250km/h速度下，对于GSM900MHz无论RACH或者TCH信道而言，对Eb/No的要求与低速度下的要求变化不大，对系统性能损失不大。但当移动速度超
14、过250km/h后，Eb/No的恶化成非线性恶化趋势，GSM接收机灵敏度的急剧下降，系统性能的损失量将迅速增大，会对GSM网络覆盖及业务质量带来相当大的影响。1.2.速度提高对GSM网络同步性能的影响高速运动情况下保持基站和移动台之间的同步问题，主要体现在GSM时间提前量（TA）这个参数的解码能力上。TA的信息由网络通过SACCH消息发给MS，其发送的频率为每480ms一次。在协议TS45.010 V6.6.0的5.6.1节规定：当网络发现MS的TA改变超过一个码元时（3.7 ），下方信令让MS的TA调整一个码元。也就是说GSM系统TA的最快的调整为每480ms调整一个码元，可以推导出其可支持
15、的最大速率为：3.7 300000000/2/480ms3600=4162km/h。故在高速下目前TA机制完全能够支持到250km/h。2.2 信道的快速变化问题信道的快速变化，对于多载波技术传输体制OFDMA和SC-FDMA而言，快速变化的信道是多载波符号内部产生子载波间干扰，不同的多载波符号间产生时间选择性衰落。由于插入导频密度的限制，快速变化的信道还使信道估计性能性能恶化，从而降低整个系统的性能。快速变化的信道对于多载波体制的通信系统的影响可以分为三个方面：（1）符号内部产生子载波间干扰，（2）符号间选择性衰落，（3）恶化信道估计性能。2.2.1符号内部产生子载波间干扰 （1）快速变化影响了信道估计的性能，信道估计需要充分考虑快速变化的影响，在既定的导频密度上，从提高导频信道估计精度和提高内插或拟合精度等角度提高快速变换信道的估计精度。2.2.2符号间选择性衰落（2）信道变化时间选择性衰落，需要从发射分集、接收分
