Feasibility study on the planning of base stations placement and improvement for communication quality in Taiwan high speed railway environment

綜觀世界各國交通運輸發展趨勢，高速鐵路無疑是中、長程陸運之最佳選擇。因此，解決高速移動情況下行動通信可能遭遇的問題，實為一項重要課題。本論文首先探討各國高速移動通信所採用的可行技術，進而說明台灣高速鐵路所使用的非專屬基地台涵蓋方式。考量高速移動環境下可能的訊號衰減及列車金屬外殼所造成之穿透損失等因素，透過鏈路預算及傳播路徑損耗模型的推導，求出高速移動環境下GSM及WCDMA系統基地台合理的涵蓋半徑；同時以細胞重選及交遞所需最小時間，算出基地台間最小的重疊覆蓋區域以得到基地台最佳佈建方式。其次透過調整GSM及WCDMA系統基地台細胞重選及交遞參數使其適合服務於高速移動狀況，降低通話建立失敗率、交遞失敗率等品質指標。論文最後提出於車站引入階層式細胞架構(HCS)並配合基地台參數設計，以解決車站周邊基地台之交遞及建立失敗率因車站內人潮爆增導致偏高的問題。藉由基地台涵蓋範圍及Handover、Cell Reselection參數的調整規劃，以期用戶於乘坐高鐵列車時，能享有一般情況下的語音及數據服務通訊品質。Looking at the trends of the world transportation,the high-speed railway is with no doubt, the best choice for medium and long distances transport mode.Therefore,it is the most important thing to solve the problems that people communicated in the high mobility environments.This study first discussed the mobile communication technologies using in the high mobility environments,and then described the shared infrastructure using in Taiwan high-speed railway(THSR). Considering the impacts such as signal attenuation due to fast moving of THSR and penetration loss caused by metal shell of the train, through the derivation of link budget and propagation model to calculate the reasonable GSM and WCDMA BTS coverage area.Meantime we also calculated the shortest overlapping area between two cells accordin to the needed time of handover or cell reselection procedure.Secondly we adjusted the cell reselection and handover parameters of GSM and WCDMA systems for adapting the high mobility environments to reduce call drop and handover failure ratio. In the end,the study proposed a method of hierarchical cell structure(HCS) and BTS parameters design using in the railway stations to reduce the handover and establishment failure ratio due to the shortage of base station radio resources. By way of adjusting the handover and cell reselection parameters and well planning base stations coverage area,the subscribers taking THSR could have better quality for voice and data services.口試委員會審定書 i謝 iii要 vbstract vii一章 緒論 1.1 前言 1.2 研究動機與目的 2.3 各國及台灣高速鐵路發展現況 3.3.1 台灣高速鐵路環境及行動通訊現況 4.3.2 台灣高鐵行動通信現況 4.4 高速移動狀態下行動通信所遭遇的問題 11.4.1 涵蓋不足(Coverage Holes) 11.4.2 都卜勒頻移(Doppler Frequency Offset) 12.4.3 細胞重選(Cell Reselection)及交遞(Handover)時間過長 14.4.4 隧道涵蓋不良 15.5 論文架構 18二章 現有高速鐵路行動通信解決方案 20.1 前言 20.2 各國高速鐵路行動通信方案 20.2.1 TETRA數位中繼式無線電系統通信系統 21.2.2 GSM-R系統 23.2.3 MOSTRAIN 27.3 台灣使用之行動通信系統 32.3.1 GSM泛歐式數位行動通信系統 32.3.2 UMTS全球移動通信系統 37.4 結論 42三章 高速鐵路沿線基地台涵蓋設計 43.1前言 43.2 基地台涵蓋範圍估算方法 43.2.1 鏈路預算(Link Budget) 43.2.2 傳播模型(Propagation Model) 45.3 GSM系統基地台涵蓋 47.3.1低速情況下GSM基地台涵蓋計算 48.3.2 高鐵沿線GSM基地台涵蓋計算 50.3.3 二者比較 52.3.4 高鐵沿線GSM基地台重疊區域計算 53.4 UMTS系統基地台涵蓋 55.4.1 高鐵沿線3G基地台涵蓋計算 55.4.2 高鐵沿線3G基地台重疊區域計算 61.5 結論 63四章 交遞及細胞重選參數優化調整 64.1 前言 64.2 GSM系統交遞及細胞重選參數調整 64.2.1 GSM系統交遞 64.2.2 GSM參數調整 68.3 UMTS系統交遞及細胞重選參數調整 69.3.1 UMTS交遞 69.3.2 UMTS細胞重選 71.3.3 UMTS參數調整 74.4 車站階層式細胞架構設計 75.4.1 問題 75.4.2 設計 76.4.3 結果 79五章 結論與未來研究方向 82.1 結論 82.2 未來可能之延伸研究方向 83考文獻 8