GSM—R網絡越區(qū)切換性能研究

【摘要】 GSM-R（GSM for Railway）是以GSM（全球移動通信系統(tǒng)）為平臺，集列車公務通信和區(qū)間通信為一體的鐵路專用移動通信系統(tǒng)，已經成為我國鐵路通信技術的發(fā)展方向。越區(qū)切換是GSM-R系統(tǒng)的關鍵技術之一，由于列車速度的提升導致多普勒效應更嚴重、切換位置更靠后、越區(qū)切換更頻繁，最終GSM-R的安全性和可靠性會嚴重降低，因此對越區(qū)切換的研究具有非常重要的意義。本文分析了GSM—R網絡越區(qū)切換掉話的原因并提出了優(yōu)化方案。

【關鍵詞】 越區(qū)切換 掉話 網絡優(yōu)化

Summary：GSM - R （GSM for Railway） is based on GSM （global system for mobile communications） platform， concluding the train business communication and interval communication.Nowadays it has become the development direction of Railway communication technology in China. Handoff is one of the key technology of GSM - R system. As the Speed-raising of trains causes the severe Doppler Effect，postponement of handover triggering and frequent handover，the safety and reliability of the GSM-R system will be seriously reduced.So the.research is of great importance.This article analyzes the reasen of GSM - R network handoff drop words and put forward the optimization scheme

Keyword： Handoff；Call drop；Network optimization

一、背景介紹

1988年GSM-R作為歐洲的鐵路通信和控制的標準系統(tǒng)被建立起來，命名為Railway（簡稱GSM-R）GSM-R網絡主要被用于鐵路運輸，這種專用GSM網絡涉及到了鐵路的相關功能，如分配，列車控制等等。GSM-R中的切換主要是基于信號從基站（bs）到移動臺（ms）的信號傳輸。如果一個ms發(fā)現來源于臨近信號的質量好于自己所處的基站，當一些條件滿足之后，在當前小區(qū)的ms釋放信道，在越區(qū)切換過程中開始使用臨近小區(qū)的信道。在火車上的移動臺通過切換穿過兩個相鄰小區(qū)，切換通常重復出現在相鄰小區(qū)的重疊區(qū)域。ms一般速度很高，要獲得一個適合的門限是很困難的，信號傳輸會有明顯的陰影，衰落和多普勒效益。

二、GSM-R越區(qū)切換的概述

鑒于GSM-R系統(tǒng)面臨鐵路服務環(huán)境，其服務覆蓋區(qū)域呈現出橫跨地理范圍較大的區(qū)域，并且呈現出依據鐵路運輸系統(tǒng)而延展的帶狀分布，這樣的服務區(qū)域決定了GSM-R在分區(qū)上必然會采取沿鐵路線分段的方式進行服務覆蓋，也就是說，在列車行駛的過程中，將隨著路段的延伸更換基站確保實現有效數據傳輸。通常而言，GSM-R系統(tǒng)通過在不同小區(qū)交界的地方保留有覆蓋疊加，用以實現確保列車在疊加區(qū)域內實現越區(qū)切換，但是隨著列車行駛速度的不斷提升，以及鐵路運輸系統(tǒng)自身所面臨的復雜的自然環(huán)境，越區(qū)切換所能夠獲取到的允許時間越來越短，因此對其工作效率和準確性方面的要求均有所提升。在這樣的實際工作背景之下，如何實現有效快速的越區(qū)切換成為了當前關注的重點。

越區(qū)切換是指移動臺（MS）在呼叫進行中，從一個小區(qū)移動到另一個服務小區(qū)時，維持呼叫繼續(xù)進行的過程。整個越區(qū)切換過程需要經歷5個階段。首先是獲取數據，主要是由移動臺針對其當前的小區(qū)以及鄰區(qū)的數據服務質量進行數據采集，重點指下行鏈路接收信號電平和質量。通常移動臺在480ms內將信號最強的6個小區(qū)上報基站系統(tǒng)BSS，并且由BSS系統(tǒng)根據GREQAVE和HREQT對上報的相應數據進行預處理。而后進行門限值比較，在每個SACCH復幀內，BTS負責將當前小區(qū)的測試結果與鄰區(qū)的測試結果進行比對和判定，對于滿足門限條件數據進行觸發(fā)切換行為。進一步地，基站將根據相應的數據判斷表達式來最終對切換動作進行判定，確定出應當切換的小區(qū)，并將合格的小區(qū)放入切換鄰區(qū)表中，最終根據PBGT值進行排序，列出最為合理的候選鄰區(qū)表。完成上述工作后即可執(zhí)行越區(qū)切換動作，主要包括分配并激活一個新的信道，而后將數據服務獲取切換到該信道上。從根本上看，越區(qū)切換對于數據傳輸服務質量的影響也大多主要發(fā)生在切換的執(zhí)行階段。

三、越區(qū)切換掉話原因分析

在高速鐵路環(huán)境下，列車頻繁發(fā)生越區(qū)切換。以列車速度350km/h為例，基站間距取平均值3km，可以得到平均每小時發(fā)生越區(qū)切換的次數為116。越區(qū)切換發(fā)生得如此頻繁，增大了網絡覆蓋、越區(qū)切換參數設置、同鄰頻干擾及系統(tǒng)傳輸等原因引起越區(qū)切換掉話的風險。

鄰區(qū)關系設定不合理。（1）切換不及時。列車高速運行過程中，可能會突然進入弱場區(qū)，致使無線鏈路性能嚴重下降。由于列車運行速度較快，切換可能未及時啟動或者未及時完成，會導致掉話現象的發(fā)生。（2）T3103定時器超時。基站控制器BSC向移動臺發(fā)出“Handover Command”信令時。13103定時器啟動。如果在T3103超時之前，BSC沒有收到移動臺發(fā)出的“Handover Complete”或“Handover Failure”信令，BSC就認為原小區(qū)發(fā)生了無線鏈路故障，從而釋放鏈路，引起掉話。（3）目標小區(qū)無可利用信道。由于目標基站無切換信道，或者在拓撲關系中未定義切換條件，則用戶在執(zhí)行切換時，無法占用相鄰小區(qū)的空閑語音信道，如果移動臺不能及時切向其他較好小區(qū)，則可能在原小區(qū)因為切換失敗而掉話。（4）目標小區(qū)無可利用信道。由于目標基站無切換信道，或者在拓撲關系中未定義切換條件，則用戶在執(zhí)行切換時，無法占用相鄰小區(qū)的空閑語音信道，如果移動臺不能及時切向其他較好小區(qū)，則可能在原小區(qū)因為切換失敗而掉話。（5）接入目標小區(qū)后的異常中斷。當移動臺成功接入目標小區(qū)后，在通信過程中往往會由于系統(tǒng)存在干擾或接收電平很低，致使移動臺或者網絡無法正確解碼對端發(fā)來的信息，且無法通過其他手段（如功率控制或者再次切換）來控制時，系統(tǒng)將認為出現了無線鏈路故障。出現這種情況時，移動臺或者啟動呼叫重建，或者強拆鏈路，造成掉話。endprint

四、網絡優(yōu)化解決越區(qū)切換掉話問題的方案

4.1 切換點優(yōu)化

在列車運行速度較快的情況下，容易發(fā)生越區(qū)切換滯后的現象，即在設計的最佳切換點處沒有發(fā)生切換。切換滯后容易引發(fā)掉話。如果前一個切換滯后，下一個切換到達保護間隔時間時，已經錯過了設計的最佳切換點，切換時的電平或者質量處于較差的狀態(tài)，容易發(fā)生掉話。如圖1所示，小區(qū)1切換到小區(qū)2的最佳切換點為A點，但實際切換滯后，切換發(fā)生在B點，C點為小區(qū)2切換到小區(qū)3的最佳切換點，但由于移動臺在小區(qū)2未達到切換保護時間，切換不能發(fā)生，直至D點處才滿足切換保護時間的要求，切換發(fā)生，但是由于錯過了最佳切換點，D點的電平質量等均不是最佳，可能在切換過程中掉話。因此切換點的優(yōu)化是避免越區(qū)切換掉話的重要方面。

引起切換滯后的原因主要有3種情況：①當前服務小區(qū)的基站在列車運行方向的覆蓋過高，導致切換遲遲不能發(fā)生；②在直放站區(qū)域，如果直放站的主從信號均高于-47dBm，則移動臺上報給基站的測量報告中服務小區(qū)和最大鄰小區(qū)電平相等，不會觸發(fā)切換，導致切換滯后；③列車運行速度較快的情況下，切換門限參數設置過高，在原?、膱鰪娨呀浵陆档胶艿蜁r，仍然不能向目標小區(qū)切換，最終容易導致掉話。

對于上述問題，可通過以下方法進行優(yōu)化解決：（1）調整基站的天線俯仰角，雙向覆蓋基本對稱；相鄰基站覆蓋交叉點電平在-60dBm以上，交織基站覆蓋交叉點電平在-70dBm以上。（2）在直放站區(qū)域出現切換滯后的情況時，可在設計的切換點附近，適當降低從信號直放站的下行增益，避免切換滯后。（3）對于列車運行較快的情況，可適當調低切換門限，降低切換的難度，使切換能夠及時發(fā)生。切換滯后導致掉話示意圖如圖1所示。

4.2 切換點優(yōu)化

當切換的測量報告顯示接收信號的質量很差。但接收強度很好時，可初步判斷質量下降的原因是由于干擾造成。在網絡優(yōu)化的過程中可通過降級模式（關閉相鄰的同頻基站）進行判斷。如果降級模式質量良好，而全基站模式下的質量下降，則可判斷為網內同頻干擾造成的質量下降。此類問題可通過更改受干擾點的頻點進行優(yōu)化。如果降級模式和全基站模式下的質量均無較大差距，則可以判斷干擾可能來自網外。

4.3 傳輸環(huán)優(yōu)化

傳輸閃斷是GSM-R網絡有線部分出現的典型故障。目前建成的客專中，GSM-R傳輸網絡均采用環(huán)形結構，實現方法比較簡單，但是需要一定的時間判斷傳輸故障和倒換環(huán)的方向，在傳輸進行倒換時容易發(fā)生掉話。對于此類問題，可以使基站傳輸環(huán)路的正環(huán)和反環(huán)同時工作，保證2個傳輸路徑的狀態(tài)完全獨立，并且在傳輸的消息里添加序列號和時間戳等信元。接收端對接收到的消息按照序列號的大小依次進行接收，若新收到的消息序列號與之前收到的消息序列號相同，則比較時間戳，丟棄時間戳較小的消息，如果時間戳相同，則丟棄新收到的消息。這樣既減少了傳輸閃斷導致掉話的發(fā)生，又可以保證對重傳消息的接收，使接收端總能接收傳輸最快方向的消息，保證消息傳輸速度高。

五、結束語

作為GSM-R網絡的關鍵技術，越區(qū)切換的可靠性和有效性是體現GSM-R系統(tǒng)性能的重要指標，對保障鐵路移動通信的高可靠性和安全性起著舉足輕重的作用。本文對越區(qū)切換掉話進行深入的分析研究，并提出了GSM-R網絡越區(qū)切換的優(yōu)化方案，以進一步提高越區(qū)切換的穩(wěn)定性，保證列車平穩(wěn)、高速、安全地運行。

參 考 文 獻

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡. 鐵路綜合數字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

[2] 劉小強. GSM-R無線網絡覆蓋實現及越區(qū)切換性能研究[D]. 北京交通大學，2005

[3] 韓斌杰. GSM原理及其網絡優(yōu)化[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001，8

[4] 鐵建設[2007]92號. 鐵路GSM-R 數字移動通信系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定[S]. 2007endprint

四、網絡優(yōu)化解決越區(qū)切換掉話問題的方案

4.1 切換點優(yōu)化

在列車運行速度較快的情況下，容易發(fā)生越區(qū)切換滯后的現象，即在設計的最佳切換點處沒有發(fā)生切換。切換滯后容易引發(fā)掉話。如果前一個切換滯后，下一個切換到達保護間隔時間時，已經錯過了設計的最佳切換點，切換時的電平或者質量處于較差的狀態(tài)，容易發(fā)生掉話。如圖1所示，小區(qū)1切換到小區(qū)2的最佳切換點為A點，但實際切換滯后，切換發(fā)生在B點，C點為小區(qū)2切換到小區(qū)3的最佳切換點，但由于移動臺在小區(qū)2未達到切換保護時間，切換不能發(fā)生，直至D點處才滿足切換保護時間的要求，切換發(fā)生，但是由于錯過了最佳切換點，D點的電平質量等均不是最佳，可能在切換過程中掉話。因此切換點的優(yōu)化是避免越區(qū)切換掉話的重要方面。

引起切換滯后的原因主要有3種情況：①當前服務小區(qū)的基站在列車運行方向的覆蓋過高，導致切換遲遲不能發(fā)生；②在直放站區(qū)域，如果直放站的主從信號均高于-47dBm，則移動臺上報給基站的測量報告中服務小區(qū)和最大鄰小區(qū)電平相等，不會觸發(fā)切換，導致切換滯后；③列車運行速度較快的情況下，切換門限參數設置過高，在原?、膱鰪娨呀浵陆档胶艿蜁r，仍然不能向目標小區(qū)切換，最終容易導致掉話。

對于上述問題，可通過以下方法進行優(yōu)化解決：（1）調整基站的天線俯仰角，雙向覆蓋基本對稱；相鄰基站覆蓋交叉點電平在-60dBm以上，交織基站覆蓋交叉點電平在-70dBm以上。（2）在直放站區(qū)域出現切換滯后的情況時，可在設計的切換點附近，適當降低從信號直放站的下行增益，避免切換滯后。（3）對于列車運行較快的情況，可適當調低切換門限，降低切換的難度，使切換能夠及時發(fā)生。切換滯后導致掉話示意圖如圖1所示。

4.2 切換點優(yōu)化

當切換的測量報告顯示接收信號的質量很差。但接收強度很好時，可初步判斷質量下降的原因是由于干擾造成。在網絡優(yōu)化的過程中可通過降級模式（關閉相鄰的同頻基站）進行判斷。如果降級模式質量良好，而全基站模式下的質量下降，則可判斷為網內同頻干擾造成的質量下降。此類問題可通過更改受干擾點的頻點進行優(yōu)化。如果降級模式和全基站模式下的質量均無較大差距，則可以判斷干擾可能來自網外。

4.3 傳輸環(huán)優(yōu)化

傳輸閃斷是GSM-R網絡有線部分出現的典型故障。目前建成的客專中，GSM-R傳輸網絡均采用環(huán)形結構，實現方法比較簡單，但是需要一定的時間判斷傳輸故障和倒換環(huán)的方向，在傳輸進行倒換時容易發(fā)生掉話。對于此類問題，可以使基站傳輸環(huán)路的正環(huán)和反環(huán)同時工作，保證2個傳輸路徑的狀態(tài)完全獨立，并且在傳輸的消息里添加序列號和時間戳等信元。接收端對接收到的消息按照序列號的大小依次進行接收，若新收到的消息序列號與之前收到的消息序列號相同，則比較時間戳，丟棄時間戳較小的消息，如果時間戳相同，則丟棄新收到的消息。這樣既減少了傳輸閃斷導致掉話的發(fā)生，又可以保證對重傳消息的接收，使接收端總能接收傳輸最快方向的消息，保證消息傳輸速度高。

五、結束語

作為GSM-R網絡的關鍵技術，越區(qū)切換的可靠性和有效性是體現GSM-R系統(tǒng)性能的重要指標，對保障鐵路移動通信的高可靠性和安全性起著舉足輕重的作用。本文對越區(qū)切換掉話進行深入的分析研究，并提出了GSM-R網絡越區(qū)切換的優(yōu)化方案，以進一步提高越區(qū)切換的穩(wěn)定性，保證列車平穩(wěn)、高速、安全地運行。

參 考 文 獻

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡. 鐵路綜合數字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

[2] 劉小強. GSM-R無線網絡覆蓋實現及越區(qū)切換性能研究[D]. 北京交通大學，2005

[3] 韓斌杰. GSM原理及其網絡優(yōu)化[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001，8

[4] 鐵建設[2007]92號. 鐵路GSM-R 數字移動通信系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定[S]. 2007endprint

四、網絡優(yōu)化解決越區(qū)切換掉話問題的方案

4.1 切換點優(yōu)化

在列車運行速度較快的情況下，容易發(fā)生越區(qū)切換滯后的現象，即在設計的最佳切換點處沒有發(fā)生切換。切換滯后容易引發(fā)掉話。如果前一個切換滯后，下一個切換到達保護間隔時間時，已經錯過了設計的最佳切換點，切換時的電平或者質量處于較差的狀態(tài)，容易發(fā)生掉話。如圖1所示，小區(qū)1切換到小區(qū)2的最佳切換點為A點，但實際切換滯后，切換發(fā)生在B點，C點為小區(qū)2切換到小區(qū)3的最佳切換點，但由于移動臺在小區(qū)2未達到切換保護時間，切換不能發(fā)生，直至D點處才滿足切換保護時間的要求，切換發(fā)生，但是由于錯過了最佳切換點，D點的電平質量等均不是最佳，可能在切換過程中掉話。因此切換點的優(yōu)化是避免越區(qū)切換掉話的重要方面。

引起切換滯后的原因主要有3種情況：①當前服務小區(qū)的基站在列車運行方向的覆蓋過高，導致切換遲遲不能發(fā)生；②在直放站區(qū)域，如果直放站的主從信號均高于-47dBm，則移動臺上報給基站的測量報告中服務小區(qū)和最大鄰小區(qū)電平相等，不會觸發(fā)切換，導致切換滯后；③列車運行速度較快的情況下，切換門限參數設置過高，在原?、膱鰪娨呀浵陆档胶艿蜁r，仍然不能向目標小區(qū)切換，最終容易導致掉話。

對于上述問題，可通過以下方法進行優(yōu)化解決：（1）調整基站的天線俯仰角，雙向覆蓋基本對稱；相鄰基站覆蓋交叉點電平在-60dBm以上，交織基站覆蓋交叉點電平在-70dBm以上。（2）在直放站區(qū)域出現切換滯后的情況時，可在設計的切換點附近，適當降低從信號直放站的下行增益，避免切換滯后。（3）對于列車運行較快的情況，可適當調低切換門限，降低切換的難度，使切換能夠及時發(fā)生。切換滯后導致掉話示意圖如圖1所示。

4.2 切換點優(yōu)化

當切換的測量報告顯示接收信號的質量很差。但接收強度很好時，可初步判斷質量下降的原因是由于干擾造成。在網絡優(yōu)化的過程中可通過降級模式（關閉相鄰的同頻基站）進行判斷。如果降級模式質量良好，而全基站模式下的質量下降，則可判斷為網內同頻干擾造成的質量下降。此類問題可通過更改受干擾點的頻點進行優(yōu)化。如果降級模式和全基站模式下的質量均無較大差距，則可以判斷干擾可能來自網外。

4.3 傳輸環(huán)優(yōu)化

傳輸閃斷是GSM-R網絡有線部分出現的典型故障。目前建成的客專中，GSM-R傳輸網絡均采用環(huán)形結構，實現方法比較簡單，但是需要一定的時間判斷傳輸故障和倒換環(huán)的方向，在傳輸進行倒換時容易發(fā)生掉話。對于此類問題，可以使基站傳輸環(huán)路的正環(huán)和反環(huán)同時工作，保證2個傳輸路徑的狀態(tài)完全獨立，并且在傳輸的消息里添加序列號和時間戳等信元。接收端對接收到的消息按照序列號的大小依次進行接收，若新收到的消息序列號與之前收到的消息序列號相同，則比較時間戳，丟棄時間戳較小的消息，如果時間戳相同，則丟棄新收到的消息。這樣既減少了傳輸閃斷導致掉話的發(fā)生，又可以保證對重傳消息的接收，使接收端總能接收傳輸最快方向的消息，保證消息傳輸速度高。

五、結束語

作為GSM-R網絡的關鍵技術，越區(qū)切換的可靠性和有效性是體現GSM-R系統(tǒng)性能的重要指標，對保障鐵路移動通信的高可靠性和安全性起著舉足輕重的作用。本文對越區(qū)切換掉話進行深入的分析研究，并提出了GSM-R網絡越區(qū)切換的優(yōu)化方案，以進一步提高越區(qū)切換的穩(wěn)定性，保證列車平穩(wěn)、高速、安全地運行。

參 考 文 獻

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡. 鐵路綜合數字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003

[2] 劉小強. GSM-R無線網絡覆蓋實現及越區(qū)切換性能研究[D]. 北京交通大學，2005

[3] 韓斌杰. GSM原理及其網絡優(yōu)化[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2001，8

[4] 鐵建設[2007]92號. 鐵路GSM-R 數字移動通信系統(tǒng)工程設計暫行規(guī)定[S]. 2007endprint