高速铁路客运专线CDMA语音切换的优化探讨

【摘 要】高铁上，手机要在高速移动的情况下保持通话，需在高铁沿线站点间发生大量切换，因此做好针对高铁网络之间的切换优化将十分重要。通过对高速铁路的CDMA网络特点进行理论分析，结合实际优化经验以及具体案例分析，探讨了高铁CDMA网络几种切换的优化方法。

【关键词】CDMA 高速铁路 重叠覆盖区 BSC间软切换

[Abstract] When a mobile phone keeps talking in the condition of high-speed movement， it undergoes a large number of switches along high-speed railway lines. Therefore， switches between high-speed railway networks are very important. Firstly， characteristics of high-speed railway CDMA network were analyzed. Then， combined with specific cases， several switch optimization methods of high-speed railway CDMA network were discussed.

[Key words]CDMA high-speed railway overlapping coverage area BSC soft switching

1 引言

高铁车厢穿透损耗大：车厢密闭，车体穿透损耗大，最高穿透损耗达24dB；车速较快：通常高铁时速达200km/h以上；列车运行地形复杂：高速铁路连接不同地市，通常会穿过不同的地形、地貌，需要针对不同的情况进行相应覆盖及切换优化。基于以上特点，本文接下来将对高铁CDMA网络切换的优化进行探讨。

2 高铁CDMA网络的切换优化

2.1 合理的站址选择

铁路沿线信号覆盖通常是使用专网和大网相结合的方法，专网只覆盖铁路，对高铁覆盖质量有保证，其投资成本较高，需控制好覆盖范围，避免对铁路外站点造成干扰；而大网覆盖需要兼顾大网用户，投资成本低，但调整的灵活性较低，因此规划时需要对专网和大网的优劣进行比较，选择合适的规划方案。

鉴于高铁专网网络的基础建设通常是在该专线开通运营前规划建设完毕，当高速铁路开始投入运营后，铁路上红线内的站点将基本无法再做变更，很难实施工程优化。因此只有在建设初期做好高铁网络的规划工作，进行站点开通时细致的工程优化，才能保证后期不会因为规划方案上的不足导致优化工作遇到瓶颈而无法调整。

对于高铁沿线大网站点，对站点站址的选择需要考虑以下几个因素：

（1）掠射角

基站与铁路的合理距离与掠射角和基站站间距有关，掠射角即基站天线主瓣方向和铁路铁轨之间形成的夹角，如图1所示：

掠射角和车厢穿透损耗的关系如图2所示：

由上可知，高铁基站“掠射角”设计的大小对信号覆盖影响较大。

（2）站轨距

1）最小垂直距离

在保证掠射角大于10°的条件下，根据“临界掠射角”与基站的站间距即可确定基站距铁轨的最小垂直距离范围，其具体计算方式如下：

其中，S为基站站间距；H为基站距铁轨最小垂直距离。基站距铁轨垂直距离最小应大于该H值，如当S=2km，则H=176m，即此时基站应距离铁路176m以上。

2）最大垂直距离

由于CDMA网络的覆盖受限为上行，根据CDMA网络上行链路预算，宏站扇区覆盖半径约为1.5km，若该扇区与衔接扇区站间距为S，则最大垂直距离约为：

（3）根据掠射角不宜太小的要求，针对高铁弯道线路，如需建设基站，基站站址宜选择在弯道内侧。

（4）足够的重叠覆盖区

以软切换为例，高铁测试中BSC内软切换信令从终端发出PSMM（Pilot Strength Measurement Message，导频强度测量）消息，从发起切换请求到完成切换并更新邻区列表大约需要0.5～0.6s，加上发起切换请求前终端搜索导频的时间，一次完整的软切换需要大约1s的时间。如表1所示，以250km/h的速度计算，切换距离大约为250km/h×1s=69m，为保证小区间双向切换正常，需要相邻衔接小区有138m的重叠覆盖区。

综上所述，结合建设经验，建议站址距离铁路垂直距离为250～750m，站间距为1～2.5km，基站建于铁路凹面，以35°掠射角覆盖铁路，保证相邻小区有足够的重叠覆盖区。

2.2 更软切换

高速铁路沿线常有这样的站点：站点位置位于铁路边上，使用该站的两个扇区分别覆盖铁路沿线的两个方向，当列车通过该路段时需要在这两个扇区间进行更软切换。但是由于两个扇区间的重叠覆盖区不足，而高铁列车车速较快，导致两个扇区间的更软切换失败而掉话。造成该类掉话的主要原因是站点与铁路的垂直距离过小，或是两个扇区间的夹角较大。

以衔接站点站间距为2km、基站离铁路垂直距离最小为176m为例，同站址两扇区两个方向均以掠射角临界值10°覆盖铁路，两个扇区的水平波瓣角均为65°，如图3所示：

这两扇区之间大约有350m距离的铁路是依靠两扇区的旁瓣覆盖，而各自正面方向在铁路上重叠区的区域仅有62m左右，需要足够强的后瓣才能满足此处高速列车在250km/h下约138m左右重叠覆盖区的需求。但在实际网络中，旁瓣和后瓣的信号强度往往较弱且不稳定，导致该处两扇区切换成功率较低。

为避免出现该情况，需在站点初期规划中就要考虑到两扇区的重叠覆盖区问题，保证该站距离铁路足够远（如上文所述，建议距离铁路250m以上），同时避免两个更软切换扇区间的夹角过大而使得这两个扇区在铁路上的重叠覆盖区过小，高速列车经过时信号快衰落，导致更软切换失败而掉话。

对于该类更软切换失败，除了进行站点位置的搬迁外，可以考虑如下的优化方案：

（1）同PN配置：将两个更软切换小区配置为同PN组扇区，避免了两个扇区间的切换。

优点：只需后台参数修改，简单易实施，能彻底解决问题；

缺点：修改为同PN组后两个扇区的容量减小，易拥塞。

（2）更改为单扇区双功分的站型。

优点：工程量小，优化效果明显，彻底解决该问题；

缺点：容量变小，易拥塞，无法单独调整单个方向的功率。

（3）一个扇区的信号通过功分覆盖两扇区之间切换区域，保证两个扇区足够的重叠覆盖区。

优点：两扇区容量不变，问题解决效果良好；

缺点：增加一面天线，需增加投资，若站点位置距离铁路非常近，无法保证问题彻底解决。

（4）天馈调整：调整两扇区间夹角，或者更换前后比较小的天线，配合调整切换参数进行优化。

优点：实施简单，容量不变；

缺点：覆盖范围变化，需做好覆盖控制，优化效果不明显。

2.3 BSC内软切换

在高速铁路上通话时，终端需要进行大量的软切换，高速铁路上软切换成功率的优化与大网相比，需要注意的是较高的车速对切换小区之间重叠覆盖区的要求。因此需要在规划初期特别考虑衔接小区之间切换带的设置，尤其是隧道区域的切换带。

对于高速铁路专网的软切换可采用配置同PN组小区的方法，同PN下的小区共用一组WALSH码，功率、CE不容易溢出，但WALSH码容易出现溢出。且其同PN小区的容量相当于一个小区的容量，因此当同PN组过多或者该同PN组需要兼顾大网覆盖时，需要注意WALSH码拥塞问题及容量问题。

2.4 BSC间软切换

高速铁路是连接多个城市的快速通道，经常需要快速地穿过多个BSC，因此做好BSC间切换的优化将十分重要。目前商用网中，通常相邻的BSC之间会配置A3A7链路，使得终端在两个BSC间可以进行软切换，提高了切换成功率。但是由于高速铁路车速较快，通过一个BSC的时间较短，大多只要几分钟到十几分钟不等，因此经常可能发生通话过程连续跨多个BSC的情况，此时极易发生掉话。

假设终端在BSC1起呼，保持通话，进入BSC2，若BSC1和BSC2之间配置了A3A7链路，终端进行BSC间软切换至BSC2后，所使用的呼叫资源（SE/VE/DSPM/CIC等）仍然在源BSC（BSC1）侧，并通过两个BSC间的A3A7链路继续使用源BSC侧资源，而在目标BSC（BSC2）内保持通话继续前进。当随着列车行进，终端继续保持通话，离开BSC2覆盖范围进入下一个BSC（如BSC3）时，此时由于通常情况下BSC2和BSC3位置相邻，二者间会配置A3A7链路，而BSC1和BSC3可能在地理位置上没有相邻而未配置任何形式的互联，因此终端无法进行BSC1和BSC3间的切换，导致在该处BSC2和BSC3边界极易发生掉话。

为了防止该类情况发生，需要合理规划BSC边界，避免频繁的BSC间切换。同时需要在终端由BSC1进入BSC2后，在合适的情况下将终端的呼叫资源由源BSC1转移至BSC2处，这样便可在终端需要保持通话进入BSC3时，利用BSC2和BSC3间的A3A7链路完成由BSC2到BSC3的BSC间软切换。针对该情况，不同基站设备厂家需要打开不同的功能，如华为设备需要打开呼叫迁移功能，中兴设备需要打开BSC间非网状互联功能，以实现终端在完成一次BSC间软切换后，将其呼叫资源由源BSC侧转移至目标BSC侧，保证终端在需要保持通话继续前往下一个BSC时能够顺利切换。

3 案例分析

3.1 更软切换失败案例分析

如图4所示，某高铁线路开通后通过多次上车测试，发现某基站由其第一扇区到第二扇区更软切换时多次发生失败掉话。

掉话基站的第一和第二扇区分别覆盖该站以北和以南的高铁路段，距离铁路垂直距离不足50m。第一扇区方位角为20°，第二扇区方位角为170°。由于站点距离铁路较近，同时两扇区间的夹角较大，导致两扇区间的重叠覆盖区较小，不足以支持终端完成两个扇区间的切换，导致该处易发生切换失败的掉话，具体如图5所示：

由上述理论、公式并结合实际情况可知，铁路的方向与正南正北垂直方向大约为20°，而该基站第一扇区的方位角也是20°，即该扇区主瓣方向和铁路平行，使得该扇区信号在穿透车体的过程中损耗较大，影响该扇区的覆盖效果。

调整措施：（1）调整第一扇区方位角，由20°调为45°，增加扇区掠射角，下倾角由9°调为11°；（2）第一扇区PN122和第二扇区PN290改为同PN组小区，以第一小区为参考小区。

实施后进行复测，测试结果PN122覆盖情况如图6所示，该路段由PN122的同PN组覆盖，信号良好，掉话问题得到解决。

3.2 BSC间软切换失败案例

某高铁通过测试发现：A地市和B地市的BSC边界发生切换掉话，两边界BSC间存在A3A7链路。

情况如下：终端在A地市的PN42上第一次发起向B地市的PN93切换请求的PSMM消息，到PN42导频信号的Ec/Io减弱至-12dB以下，距离为270m左右，足以支持250km/h车速所要求的重叠覆盖区。而回放测试数据显示，该呼叫于A地市的BSC5起呼，保持通话，进入A地市的BSC6，并向B地市的BSC1发起切换，通话过程呼叫资源始终在源BSC（A地市的BSC5侧）。A地市的BSC5和BSC6间以及A地市的BSC6和B地市的BSC1间存在A3A7链路，但由于A地市的BSC5与B地市的BSC1地理位置上不相邻，因此二者之间无任何形式互联，导致该处切换掉话。

互配A地市的BSC5和B地市的BSC1间IBBE互联后，该问题得到解决。

4 结束语

高速铁路客运列车有着速度快、安全性好等优点，随着经济发展，高速铁路已经成为中高端消费群体经常选择的交通出行方式。近年来为满足快速增长的旅客运输需求，我国正在大量地建设高速铁路，做好沿线的网络优化工作，可直接提高运营商移动产品的名誉。由于高速场景的特殊性，相关的优化经验仍需在今后的优化工作中继续摸索。

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