GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化施工技術(shù)分析

廖明明

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GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化施工技術(shù)分析

廖明明

中國鐵建電氣化局集團(tuán)第一工程有限公司，河南 洛陽 471013

鐵路運(yùn)輸在我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展中發(fā)揮的作用越來越大。GSM-R系統(tǒng)作為鐵路系統(tǒng)移動通信的一項專用系統(tǒng)，在確保鐵路運(yùn)輸過程中的高效性和安全性方面起著重要作用。結(jié)合施工過程中對GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的實例，從GSM-R網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋、干擾、切換等方面對GSM-R網(wǎng)絡(luò)中存在的問題進(jìn)行了分析，闡述了GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化施工技術(shù)等方面的內(nèi)容。

鐵路通信；GSM-R系統(tǒng)；無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化

引言

在GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的施工過程中，由于鐵路移動無線通信系統(tǒng)（以下簡稱GSM-R）的特點(diǎn)，GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)時常存在無線覆蓋不達(dá)標(biāo)、外界頻率干擾、頻繁切換等問題，這就要求我們采取有效的施工方法，提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行的可靠性和穩(wěn)定性，確保鐵路行車安全。

1 鐵路無線通信對GSM-R系統(tǒng)的要求

GSM-R系統(tǒng)與公網(wǎng)GSM系統(tǒng)存在以下不同：

（1）越區(qū)切換頻繁：鐵路無線通信的覆蓋屬于帶狀覆蓋，按照列車運(yùn)行速度250?km/h，小區(qū)覆蓋距離為4?km來計算，平均57.6?s就切換一次。

（2）多普勒效應(yīng)嚴(yán)重：當(dāng)列車速度為300?km/h、載頻為900?MHz時，最大多普勒頻移可達(dá)到250?Hz。如果不能很好地克服，就將影響系統(tǒng)信息傳輸?shù)恼`碼率，造成無線傳輸質(zhì)量下降。

上述不同對GSM-R提出了與GSM系統(tǒng)新的、不同的要求：（1）GSM-R系統(tǒng)應(yīng)具有在鐵路沿線高速、高效切換的能力；（2）GSM-R系統(tǒng)應(yīng)能夠?qū)㈣F路沿線惡劣的自然環(huán)境對于鐵路移動通信系統(tǒng)的影響降至最低。

我們在施工中應(yīng)嚴(yán)格按照施工標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，同時在基礎(chǔ)施工完畢后，加強(qiáng)對鐵路無線通信系統(tǒng)的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[1]。針對GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，對各項指標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化，確保GSM-R系統(tǒng)運(yùn)行正常。

2 GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的及內(nèi)容

移動通信的性能主要受到無線傳播環(huán)境的影響。由于鐵路MS隨時移動，導(dǎo)致無線信道傳播環(huán)境隨時變化，MS可能處于客運(yùn)車站等繁華城區(qū)，也可以處于隧道、橋梁、溝塹等地形復(fù)雜的區(qū)域，因此在GSM-R系統(tǒng)中無線電磁波的傳播路徑異常繁復(fù)。在施工過程中GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的目的主要是對無線覆蓋弱場區(qū)或盲區(qū)、同頻鄰頻干擾、異常頻繁切換等問題予以解決，使GSM-R系統(tǒng)質(zhì)量達(dá)到最佳狀態(tài)。

GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的內(nèi)容主要有：

（1）無線覆蓋情況優(yōu)化：主要是對無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況進(jìn)行優(yōu)化，使無線覆蓋達(dá)到覆蓋指標(biāo)。

（2）無線頻率干擾優(yōu)化：包括網(wǎng)絡(luò)同頻和鄰頻干擾問題的解決。

（3）無線資源管理優(yōu)化：切換參數(shù)、小區(qū)選擇參數(shù)、基站功率參數(shù)和各類計時器參數(shù)的優(yōu)化。

3 GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方法

3.1 GSM-R系統(tǒng)介紹

（1）本工程在克拉瑪依站新設(shè)BSC、PCU各1套，在烏魯木齊核心網(wǎng)機(jī)房新設(shè)TRAU1套，BSC／PCU通過TRAU設(shè)備接入既有核心網(wǎng)。

（2）無線覆蓋采用單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案，沿鐵路線設(shè)置13座基站?；九c基站控制器之間采用E1環(huán)形連接方式，每個E1環(huán)一般連接3～4個基站。GSM-R天線采用定向天線，天線固定在45?m鐵塔的天線固定支架上，在天線與饋線、饋線與基站收發(fā)信機(jī)間都通過軟跳線電纜轉(zhuǎn)接，基站的饋線采用7/8″電纜[2]。

（3）本工程在克拉瑪依站網(wǎng)管室新設(shè)OMC-R1套，用于管理本工程新設(shè)13套BTS、1套BSC、1套PCU、1套TRAU設(shè)備。

3.2 GSM-R系統(tǒng)優(yōu)化

3.2.1無線覆蓋情況優(yōu)化

無線覆蓋情況是無線通信的基礎(chǔ)。如果無線覆蓋情況不好，那么無線通信無從談起。但是無線覆蓋不是越強(qiáng)越好，無線覆蓋場強(qiáng)滿足：機(jī)車頂部天線接收信號門限電平值Prmin為-98?dBm（地點(diǎn)覆蓋率為95%）。

施工中無線覆蓋不達(dá)標(biāo)存在的原因主要有：

（1）地形復(fù)雜，無線傳播衰耗變化較大，導(dǎo)致移動臺接收質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。

（2）天線傾角或方位角安裝不符設(shè)計要求，或者是設(shè)計角度與現(xiàn)場地形不符。

針對以上原因，在無線覆蓋情況不達(dá)標(biāo)時優(yōu)化的方法有：

（1）首先查看該基站覆蓋區(qū)內(nèi)的地形，再結(jié)合場強(qiáng)測試結(jié)果，重點(diǎn)分析無線覆蓋不滿足的要求地段。根據(jù)無線電波傳播模型，預(yù)估此地段無線電衰耗。根據(jù)預(yù)估值判斷是否需要調(diào)整基站發(fā)射功率或者天線角度。

3.2.2無線頻率干擾優(yōu)化

無線頻率干擾方面，雖然在項目建設(shè)初期進(jìn)行了電磁環(huán)境測試，但是在施工調(diào)試時仍遇到過許多公網(wǎng)頻率干擾的情況[3]。

頻率干擾判定準(zhǔn)則為（工程上）：同頻載干比C/I≥12?dB；鄰頻載干比C/I≥-6?dB。

針對頻率干擾的優(yōu)化的方法有：

對于是否存在同頻、鄰頻干擾，可采用Hata模型先做無限連路預(yù)算。路徑損耗公式為：

3.2.3無線資源管理優(yōu)化

無線管理資源優(yōu)化是確保無線通信暢通的關(guān)鍵。在列車高速運(yùn)行過程中對切換的頻次和質(zhì)量要求很高，這就要求我們在無線管理資源方面要重點(diǎn)提高切換性能。影響切換性能的原因主要有以下幾個參數(shù)：上下行質(zhì)量接收門限，上下行鏈路邊緣切換門限，乒乓切換保護(hù)時間，切換判決（次）及距離切換門限。

（1）質(zhì)量接收門限和鏈路邊緣切換門限的關(guān)系。對于常規(guī)性切換，通常都是以接收電平為標(biāo)準(zhǔn)的。較好電平下的質(zhì)量惡化，通常來說都被稱為挽救性切換。干擾等因素，導(dǎo)致在較好電平下沒有因邊緣性切換而發(fā)生小區(qū)改變，而是質(zhì)量突然惡化使得BSC認(rèn)為當(dāng)前小區(qū)無法保持手機(jī)良好通話狀態(tài)，從而命令手機(jī)發(fā)生切換。

（2）RUN_HANDOVER。它規(guī)定了進(jìn)行切換判決之前BSC在上次切換判決后需要收到報文信息的次數(shù)累加。只有當(dāng)報文信息次數(shù)可以被RUN_HANDOVER等分，而又無呼叫清除及功率控制判決需求時，將進(jìn)行切換判決算法。取值范圍為1～31，單位為SACCH的幀長，參考值為2。其中乒乓切換保護(hù)時間和切換判決次數(shù)亦根據(jù)RUN_HANDOVER設(shè)置[3]。

（3）距離切換容限（HOMARGINDIST）。當(dāng)移動用戶上報的TA值大于距離切換容限后，并且當(dāng)鄰小區(qū)電平高于服務(wù)區(qū)電平容限值時便進(jìn)行切換。距離切換容限參數(shù)的設(shè)置不宜過小，若設(shè)置過小可能引起乒乓切換。

小區(qū)選擇參數(shù)主要有：MS允許接入的最小接收電平、小區(qū)重選偏置（步長）。

（1）MS允許接入的最小接收電平是針對MS接入而言的,即只有當(dāng)下行信號達(dá)到這個參數(shù)的要求時才允許MS接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)。MS允許接入的最小接收電平以十進(jìn)制表示，取值范圍為47～110，該工程設(shè)備默認(rèn)設(shè)置為105?dBm。

（2）小區(qū)重選偏置（CELL_RESELECT_OFFSET）它表示對C2的人為修正值，以十進(jìn)制數(shù)表示，單位為dB，取值范圍為0～63，表示0～126?dB（以2?dB為步長），默認(rèn)值為0。

基站功率參數(shù)主要是指基站發(fā)射功率值。

定時器參數(shù)主要有：T3101、T3103、T3107、T3109、T3122計時器參數(shù)。

（1）T3101：用于控制立即分配過程耗時的BSC計時。在立即指派過程中，BSC要求BTS提供SDCCH以建立信令通道。T3101參數(shù)格式采用十進(jìn)制，參考值為3?s；取值范圍為0～255?s。此計時器的參數(shù)設(shè)置不宜過大。

（2）T3103：基站控制器按照此參數(shù)規(guī)定小區(qū)保留業(yè)務(wù)信道的時間。業(yè)務(wù)信道保留小區(qū)是指切換發(fā)起小區(qū)和目標(biāo)小區(qū)。T3103參數(shù)格式采用十進(jìn)制，參考值為5?s；取值范圍為0～255?s。此計時器參數(shù)不宜設(shè)置過大，一般設(shè)置10?s。

（3）T3107：為了讓業(yè)務(wù)信道保持一定的時間，以便移動臺可以返回原信道。在移動臺的分配過程中，基站控制器將觸發(fā)T3107計時器，在收到基站收發(fā)信機(jī)發(fā)出的分配完成信息時T3107計時器復(fù)位。T3107參數(shù)格式采用十進(jìn)制，參考值在信道資源充足時取10?s、在信道資源緊張時可降至5?s；取值范圍為0～255?s。

（4）T3109：BSC根據(jù)計時器T3109對SACCH的拆除過程限時。T3107參數(shù)格式采用十進(jìn)制，參考值：12?s，大于Radio Link Timeout的值；取值范圍為0～255?s。若T3109太小，就會出現(xiàn)Radio Link Timeout還沒到時，即無線鏈路尚未釋放，而對應(yīng)的無限資源已被用于重新分配；若T3109太大則會造成系統(tǒng)資源的浪費(fèi)[4]。

（5）T3122：是在移動用戶在請求信道申請失敗后，重新發(fā)起信道請求的時間。T3122參數(shù)格式采用十進(jìn)制，參考值為10?s。

4 GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化在實際工程中的應(yīng)用

4.1 無線覆蓋弱場

如圖1所示，BLBG03-ALT03至BLBG-ALT02區(qū)間中間位置切換點(diǎn)區(qū)域出現(xiàn)明顯弱場。

圖1

（1）原因分析：距離BLBG-ALT03基站TA=4處電平出現(xiàn)陡降，弱場持續(xù)至距離BLBG-ALT04基站TA=6；根據(jù)03基站電平快衰的現(xiàn)象，此處弱場應(yīng)為地形原因所導(dǎo)致，需要現(xiàn)場查看地形。

（2）處理方法：將03和02基站的對向天線均上抬3°，功率提升至43?dBm，若03基站位于山頂則03基站天線暫時保持不動。02基站天線向彎道處調(diào)整10度配合現(xiàn)場測試，查看電平是否有所改善。

復(fù)測結(jié)果如圖2所示：

圖2

通過調(diào)整天線及提升BLBG-ALT02、03的功率，弱場處較處理前測試數(shù)據(jù)改善約10?dB，切換點(diǎn)場強(qiáng)值＞-85?dBm,未見高質(zhì)差點(diǎn)，改善效果明顯。此處軌道處于兩個山坡之間，受地形遮擋，電平快衰落無法避免但快衰落點(diǎn)上BLBG-ALT01基站電平強(qiáng)度保持穩(wěn)定，從應(yīng)用角度可以考慮添加03向01基站的切換關(guān)系做為此快衰落點(diǎn)的應(yīng)急切換，伴隨列車前行，車載臺會正常切回BLBG-ALT02基站[5]。

4.2 頻繁切換

如圖3所示，在BLBG-ALT02與BLBG-ALT01區(qū)間出現(xiàn)頻繁切換（乒乓切換）現(xiàn)象。

圖3

（1）原因分析：目前兩站之間的切換門限為8?dB，并且因為當(dāng)?shù)匦卧驅(qū)е?2基站電平快衰落是向01基站的切換滯后。

（2）處理方法：將BLBG-ALT01基站向阿勒泰方向天線向上抬3°同時功率提升至43?dBm，切換門限恢復(fù)4?dB。

復(fù)測結(jié)果如圖4所示：

圖4

通過調(diào)整后切換點(diǎn)處BLBG-ALT01場強(qiáng)值高于-60?dBm，說明天線調(diào)整和基站功率提升改善較大，頻繁切換現(xiàn)象消除。后期根據(jù)無線網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行情況考慮將BLBG-ALT01基站功率適當(dāng)下調(diào)。

4.3 頻率干擾

如圖5所示，在BT-BLBG04向BT-BLBG03區(qū)間出現(xiàn)頻繁切換（鄰頻干擾原因?qū)е拢┈F(xiàn)象。

圖5

（1）原因分析：BT-BLBG04向BT-BLBG03基站切換出現(xiàn)問題，由于BT-BLBG05基站的BCCH1002電平出現(xiàn)強(qiáng)復(fù)蘇，04向05基站回切后沒有03基站鄰區(qū)導(dǎo)致最終質(zhì)差掉話。

（2）處理方法：按照編號方案頻率分配，05基站1002&1009，04基站1017&1011，03基站1001&1008可以看到，05和03基站的BCCH和TCH都出現(xiàn)了鄰頻干擾，從而導(dǎo)致05的頻點(diǎn)復(fù)蘇，導(dǎo)致誤切。建議將BT-BLBG05基站執(zhí)行改頻1002&1009改為1015&1013，復(fù)測。

復(fù)測結(jié)果如圖6所示。

通過調(diào)整后，鄰頻干擾現(xiàn)象消除，但是仍存在因不正常切換導(dǎo)致的掉話現(xiàn)象。

（1）原因分析：BT-BLBG04向BT-BLBG03基站切換由于測試臺回切BT-BLBG05導(dǎo)致回切掉話。

圖6

（2）處理方法：05基站已經(jīng)完成改頻排除了鄰頻抬升，但05基站場強(qiáng)在切換點(diǎn)后仍然強(qiáng)于04基站電平，說明05基站向小里程方向過覆蓋嚴(yán)重。需要對05基站小里程方向天線進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，初步考慮下壓傾角6°。

再次復(fù)測結(jié)果如圖7所示。

圖7

經(jīng)過對BT-BLBG05小里程天線的下壓，改善明顯，04基站未再向05基站回切，測試臺正常切換至03基站。

5 結(jié)束語

緊跟設(shè)計技術(shù)創(chuàng)新，緊貼現(xiàn)場施工實際，以關(guān)鍵技術(shù)、關(guān)鍵工序為研究對象，從無線覆蓋標(biāo)準(zhǔn)要求出發(fā)，消化吸收國內(nèi)先進(jìn)的施工技術(shù)與經(jīng)驗，對GSM-R無線通信系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化。從施工準(zhǔn)備、操作方法及質(zhì)量控制、安全、環(huán)保措施及注意事項等方面制定了詳盡、切實可行的規(guī)定和措施，針對性強(qiáng)、要求具體、措施得當(dāng)、圖文并茂、可操作性強(qiáng)，對于同類項目的施工具有重要的借鑒意義和指導(dǎo)作用，有力地推動了工程整體進(jìn)展，極大地提高無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋面，保證了工期、質(zhì)量和系統(tǒng)安全。

[1]吳靜.集包四線特殊地段無線覆蓋研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計，2013（4）：111-115.

[2]姜笑.鐵路GSM-R系統(tǒng)電磁環(huán)境測試的分析與對應(yīng)策略[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[3]鐘章隊，吳昊，李翠然，等.鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）無線網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃與優(yōu)化[M].北京：清華大學(xué)出版社，北京交通大學(xué)出版社，2012.

[4]賀曉星.高速鐵路GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案設(shè)計[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011.

[5]喬珩.GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)測試系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)[D].武漢：華中科技大學(xué)，2014.

Analysis of Optimized Construction Technology of GSM-R Wireless Network

Liao Mingming

The 1st Engeering Co., Ltd.of China Railway Construction Electrification Bureau Group, Henan Luoyang 471013

The role of railway transportation in the socio-economic development of our country is increasing. The GSM-R system, as a dedicated system for mobile communication in the railway system, plays an important role in ensuring the high efficiency and safety of the railway transportation process. Based on the examples of GSM-R network optimization in the construction process, the problems in GSM-R networks are analyzed from the aspects of wireless coverage, interference and handover of GSM-R networks,and the optimization construction technology and other aspects of GSM-R wireless networks are described.

railway communication; GSM-R system; wireless network optimization

TN929.53

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