GSM-R同址雙基站異常切換原因分析及其優(yōu)化方案

代小虎

（中國(guó)鐵路武漢局集團(tuán)有限公司電務(wù)部，湖北武漢 430071）

0 引言

GSM-R網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換是實(shí)現(xiàn)其網(wǎng)絡(luò)不間斷通信的核心技術(shù)之一，由越區(qū)切換時(shí)延造成的掉話約占總掉話數(shù)的40%，且通信質(zhì)量低［1］。越區(qū)切換是高速鐵路寬帶無(wú)線通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)，對(duì)保障列車的行車安全和通信可靠性具有重要意義［2］。高鐵CDMA2000移動(dòng)用戶呈線狀分布的特性，存在集中式小區(qū)頻繁切換、小區(qū)重選、位置更新及多普勒頻移等問(wèn)題，容易導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)切換成功率低、掉話率高、通話質(zhì)量差等缺陷［3］。在此，結(jié)合合武客運(yùn)專線、京廣高鐵共用基站越區(qū)切換失敗問(wèn)題查找及其解決方案，探討防止異常切換的有效手段，從而提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)運(yùn)用的可靠性。

1 同址雙基站切換問(wèn)題分析

2009年4月1日，合武客運(yùn)專線開(kāi)通，同年12月26日，京廣高鐵武廣段通車，2012年12月26日，京廣高鐵全線貫通。京廣高鐵與合武客運(yùn)專線在K1179+800位置交越并線，其中京廣高鐵GSM-R系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織的組網(wǎng)方式，合武客運(yùn)專線采用單網(wǎng)覆蓋的組網(wǎng)方式。帶寬不足和切換頻繁是高速鐵路現(xiàn)階段發(fā)展寬帶移動(dòng)通信所面臨的關(guān)鍵問(wèn)題［4］。由于鐵路無(wú)線頻率資源少，單基站覆蓋容災(zāi)能力最差，交織站址冗余覆蓋容災(zāi)能力最強(qiáng)，但投資成本較高［5］，為避免重復(fù)設(shè)置基站造成頻率資源浪費(fèi)以及同頻或鄰頻干擾問(wèn)題，因此在合武客運(yùn)專線、京廣高鐵并線區(qū)段采用共用基站的方式，在交越位置的基站將決定列車在進(jìn)、出并線區(qū)段時(shí)小區(qū)切換的順序，這將成為決定列車在沿京廣高鐵或合武客運(yùn)專線方向運(yùn)行時(shí)通信不中斷的重要環(huán)節(jié)，因此為防止在交越位置基站故障時(shí)帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)，在該位置設(shè)置同址雙基站，即孝感北—橫店?yáng)|26A/B（XGB-HDD26A/B）。

實(shí)際運(yùn)用中，京廣高鐵孝感北—橫店?yáng)|區(qū)間下行方向，在XGB-HDD26A/B小區(qū)附近K1180+800位置存在偶發(fā)異常切換，繼而引發(fā)切換失敗和C3超時(shí)問(wèn)題，該區(qū)域?yàn)榫V高鐵和合武客運(yùn)專線的交匯處，XGBHDD26A/B附近的基站分布見(jiàn)圖1，基站服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)關(guān)系見(jiàn)表1。

圖1 XGB-HDD26A/B附近的基站分布

表1 基站服務(wù)小區(qū)和鄰小區(qū)關(guān)系

從圖1和表1可以看出，該區(qū)域基站較多，切換關(guān)系較為復(fù)雜。高速鐵路GSM-R動(dòng)態(tài)檢測(cè)能夠測(cè)試本小區(qū)及鄰小區(qū)電平、干擾、通話質(zhì)量等，從而根據(jù)檢測(cè)情況調(diào)整基站參數(shù)設(shè)置[6]，XGB-HDD26小區(qū)附近動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 XGB-HDD26小區(qū)附近動(dòng)態(tài)檢測(cè)結(jié)果

XGB-HDD26A/B基站的天饋系統(tǒng)：XGB-HDD26A和XGB-HDD26B為同址雙基站結(jié)構(gòu)，其天饋系統(tǒng)示意見(jiàn)圖3。

圖3 XGB-HDD26A/B基站天饋系統(tǒng)示意圖

XGB-HDD26A基站的天饋系統(tǒng)使用1層平臺(tái)，共3副天線，分別面向京廣高鐵上行、京廣高鐵下行和合武客運(yùn)專線上行方向，其天線基本信息見(jiàn)表2。

XGB-HDD26B基站的天饋系統(tǒng)使用2層平臺(tái)，共3副天線，同樣分別面向京廣高鐵上行、京廣高鐵下行和合武客運(yùn)專線上行方向，其天線基本信息見(jiàn)表3。

由于該位置地理位置比較特殊，是京廣高鐵與合武客運(yùn)專線上、下行小區(qū)切換的樞紐，為了避免單基站故障造成切換失敗，在此處設(shè)置為同址雙基站以作備份，正常情況下使用XGB-HDD26A，當(dāng)XGBHDD26A故障時(shí)，XGB-HDD26B承擔(dān)26A的樞紐職能。

表2 XGB-HDD26A基站天線基本信息

表3 XGB-HDD26B基站天線基本信息

1.1 切換失敗原因分析

1.1.1 切換順序統(tǒng)計(jì)分析

京廣高鐵孝感北—橫店?yáng)|26A/B附近，下行方向主要有以下3種越區(qū)切換方式：

（1） 順序切換：XGB-HDD25→XGB-HDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（橫店?yáng)|站）。

（2）非順序切換（未造成切換失敗或C3超時(shí)）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（橫店?yáng)|站）。

（3）非順序切換（造成切換失敗或C3超時(shí)）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD25→切換失敗或C3超時(shí)。

造成該處C3超時(shí)的主要原因是第（3）種非順序切換。

1.1.2 接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

針對(duì)上述第（3）種情況，提取C3-Abis接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

（1）XGB-HDD25→XGB-HDD26B切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖4。在K1179+026位置發(fā)生XGB-HDD25→XGBHDD26B小區(qū)切換時(shí)，服務(wù)小區(qū)XGB-HDD25的電平強(qiáng)度為-58 dBm，其鄰小區(qū)XGB-HDD26A、XGBHDD26B的電平強(qiáng)度分別為-60 dBm和-47 dBm，切換類型為更好小區(qū)（better cell）。

圖4 XGB-HDD25→XGB-HDD26B切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

（2）XGB-HDD26B→XGB-HDD27切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖5。當(dāng)運(yùn)行至K1181+507附近發(fā)生第2次切換，服務(wù)小區(qū)XGB-HDD26B的電平強(qiáng)度為-59 dBm，其鄰小區(qū)XGB-HDD27的電平強(qiáng)度為-50 dBm，切換類型為better cell。XGB-HDD26A和XGB-HDD26B無(wú)鄰小區(qū)關(guān)系。

圖5 XGB-HDD26B→XGB-HDD27切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

（3）XGB-HDD27→XGB-HDD26A切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖6。繼續(xù)前行至K1181+757附近時(shí)發(fā)生第3次切換，服務(wù)小區(qū)XGB-HDD27的電平強(qiáng)度為-55 dBm，鄰小區(qū)XGB-HDD26A的電平強(qiáng)度為-53 dBm，切換類型為better cell。

對(duì)比切換前后，XGB-HDD27和XGB-HDD26A小區(qū)的電平強(qiáng)度非常接近，僅（±2～3）dB的差值。

（4）XGB-HDD26A→XGB-HDD25切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)見(jiàn)圖7。當(dāng)繼續(xù)前行至K1182+828時(shí)發(fā)生第4次切換，發(fā)生切換時(shí)服務(wù)小區(qū)XGB-HDD26A的電平強(qiáng)度為-62 dBm，鄰小區(qū)XGB-HDD27和XGB-HDD25的電平強(qiáng)度分別為-48 dBm和-56 dBm。

圖7 XGB-HDD26A→XGB-HDD25切換接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)

由于14：15：06在K1181+757發(fā)生了XGB-HDD27對(duì)XGB-HDD26A的小區(qū)切換，當(dāng)14：15：34在K1182+828處時(shí)，由于設(shè)置了XGB-HDD27對(duì)XGBHDD26A的防回切時(shí)間為30 s，而發(fā)生本次切換時(shí)在運(yùn)行28 s后，出現(xiàn)了符合切換條件的小區(qū)XGB-HDD27和XGB-HDD25，雖然同為鄰小區(qū)的XGB-HDD27電平強(qiáng)度要比XGB-HDD25高出很多，由于受到防回切時(shí)間30 s的限制因而無(wú)法完成切換。

當(dāng)切換完成后，占用XGB-HDD25的1015頻點(diǎn)，業(yè)務(wù)信道（TCH）頻點(diǎn)：1017，電平強(qiáng)度為-61 dBm，而此處與XGB-HDD27距離很近，且XGB-HDD27的頻率設(shè)置為1014和1016，電平強(qiáng)度為-48 dBm，比XGBHDD25高出13 dB，滿足鄰頻干擾的條件，因而直接下行質(zhì)差掉話，造成C3超時(shí)。

1.1.3 異常切換分析

綜合以上4階段切換數(shù)據(jù)，XGB-HDD27→XGBHDD26A和XGB-HDD26A→XGB-HDD25兩個(gè)小區(qū)切換階段存在異常。

（1）XGB-HDD27→XGB-HDD26A。當(dāng)移動(dòng)終端發(fā)生XGB-HDD26B→XGB-HDD27小區(qū)切換后，僅運(yùn)行了4 s就發(fā)生了XGB-HDD27→XGB-HDD26A的小區(qū)切換，并且XGB-HDD27和XGB-HDD26A小區(qū)的電平強(qiáng)度非常接近，因此可考慮增大該處XGB-HDD27對(duì)XGBHDD26A功率預(yù)算切換門限值（HOM值）的方式避免回切。

XGB-HDD27對(duì)XGB-HDD26A的HOM值為64，即高1 dB；而XGB-HDD27對(duì)XGB-HDD26B的HOM值為67，即高4 dB，因此考慮不改變正常上行方向XGBHDD27對(duì)XGB-HDD26A/B切換順序的前提下，將XGB-HDD27對(duì)XGB-HDD26A的HOM值修改為66。

（2）XGB-HDD26A→XGB-HDD25。此處小區(qū)異常切換主要是XGB-HDD27→XGB-HDD26A的防回切時(shí)間還未超時(shí)導(dǎo)致，下一站橫店?yáng)|站為合武客運(yùn)專線、京廣高鐵共用車站，京廣高鐵下行方向，部分列車減速經(jīng)橫店?yáng)|站進(jìn)入合武客運(yùn)專線，部分列車正常速度通過(guò)橫店?yáng)|站繼續(xù)沿京廣高鐵運(yùn)行，本次異常切換列車運(yùn)行的平均速度為225 km/h，運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)為28 s，正常速度310 km/h通過(guò)用時(shí)約為20.3 s，如果采用調(diào)整防回切參數(shù)避免這一階段的異常切換，必須將防回切參數(shù)從30 s減至20 s，但是如此大的調(diào)整可能會(huì)造成其他未知問(wèn)題，因此暫不采用。

1.1.4 綜合檢測(cè)數(shù)據(jù)分析

XGB-HDD26A/B位置下行方向測(cè)試結(jié)果見(jiàn)圖8。從圖8可見(jiàn)，XGB-HDD25在K1179+500附近發(fā)起了小區(qū)切換，由于在K1179+000—K1179+500區(qū)間XGBHDD26A的電平比XGB-HDD26B的電平整體水平低，且最大差值達(dá)到13 dB，因此最后切換到XGB-HDD26B小區(qū)。重新對(duì)XGB-HDD26A/B異常切換造成的C3超時(shí)進(jìn)行分析，發(fā)現(xiàn)凡是從XGB-HDD25切換到XGBHDD26A的列車，其后的切換正常，沒(méi)有發(fā)生C3超時(shí)；而從XGB-HDD25切換到XGB-HDD26B的列車，其后的切換均非正常順序，部分列車出現(xiàn)了C3超時(shí)，且對(duì)于此處雙基站的設(shè)置，XGB-HDD26B本身就是XGBHDD26A的備份基站。

圖8 XGB-HDD26A/B位置下行方向測(cè)試結(jié)果

根據(jù)上述分析結(jié)果，解決思路是：如果能夠控制在XGB-HDD26A正常工作的情況下，下行方向XGBHDD25小區(qū)下的所有列車均切換到XGB-HDD26A小區(qū)，就可以解決此處異常切換和C3超時(shí)的問(wèn)題。為保證XGB-HDD25小區(qū)優(yōu)先切換至XGB-HDD26A小區(qū)，需要具備2個(gè)條件：一是XGB-HDD25小區(qū)與XGBHDD26B小區(qū)在該區(qū)間不發(fā)生切換；二是XGBHDD26A小區(qū)的電平強(qiáng)度比XGB-HDD26B小區(qū)高，且滿足切換條件。綜合以上分析，通過(guò)降低XGBHDD26B基站的發(fā)射功率可以達(dá)到該目的。

1.2 原因定位

綜上所述，造成XGB-HDD26A/B小區(qū)異常切換的原因?yàn)椋海?）XGB-HDD27→XGB-HDD26A小區(qū)的異常回切；（2）XGB-HDD26B小區(qū)的覆蓋異常。

2 優(yōu)化方案及其效果

2.1 優(yōu)化方案

XGB-HDD25小區(qū)對(duì)XGB-HDD26A小區(qū)和XGBHDD26B小區(qū)的HOM值分別為66（高3 dB）和69（高6 dB），由于XGB-HDD25在切換至XGB-HDD26B前，只有在K1179+400之后，XGB-HDD26B的電平值才持續(xù)比XGB-HDD25高6 dB以上；而在K1179+400位置XGB-HDD26A的電平值也已經(jīng)抬升至-55 dBm，隨后快速達(dá)到-47 dBm以上，因此可先將XGB-HDD26B基站的發(fā)射功率降低6 dB，之后再進(jìn)行微調(diào)。

（1）XGB-HDD26A小區(qū)正常情況下切換位置的變化。當(dāng)XGB-HDD26B基站降低發(fā)射功率6 dB后，在K1179+500位置，XGB-HDD26B的電平值約為-53 dBm，而此處XGB-HDD25的電平值約為-56dBm，而此處XGBHDD26A的電平值約為-48dBm，因此降低6 dB應(yīng)可滿足最初設(shè)置條件。

（2）XGB-HDD26A故障情況下的切換。當(dāng)XGBHDD26A故障時(shí)，則需要XGB-HDD25向XGB-HDD26B小區(qū)進(jìn)行切換，因此當(dāng)XGB-HDD26B降低6 dB之后，在K1179+700附近移動(dòng)臺(tái)測(cè)到XGB-HDD26B的電平強(qiáng)度如下：移動(dòng)臺(tái)測(cè)到的電平強(qiáng)度=基站發(fā)射功率-天饋系統(tǒng)損耗-距離100 m的空間損耗，其中基站滿功率發(fā)射的電平值為46 dBm，考慮降低6 dB的發(fā)射功率后此處取值40 dBm，天饋系統(tǒng)損耗取值7 dBm，空間損耗取值71.47 dBm，最后算得移動(dòng)臺(tái)測(cè)到的電平強(qiáng)度為-38 dBm，而此處XGB-HDD25的電平強(qiáng)度為-57 dBm，因此滿足其切換條件，不會(huì)因功率降低影響XGB-HDD26B所起到的冗余覆蓋。

2.2 優(yōu)化效果

通過(guò)調(diào)整XGB-HDD27對(duì)XGB-HDD26A小區(qū)HOM值和降低XGB-HDD26B基站發(fā)射功率，觀察3日內(nèi)下行方向所有列車的小區(qū)切換均為XGB-HDD25→XGBHDD26A小區(qū)切換。針對(duì)還有極少數(shù)列車存在切往XGB-HDD26B的情況，調(diào)整XGB-HDD25對(duì)XGBHDD25B的HOM值，由69提高至71，最終解決這一問(wèn)題。至此，京廣高鐵XGB-HDD26A/B雙基站位置異常切換問(wèn)題得到解決。

2.3 小區(qū)切換的重要參數(shù)

2.3.1 HOM值

HOM值是用于定義“功率預(yù)算切換”的切換電平門限。由于功率預(yù)算發(fā)生的切換是由于移動(dòng)臺(tái)（MS）選擇better cell，此值定義了作為MS待切換鄰小區(qū)（ADJC）的功率偏差值，以決定此ADJC是否符合此差值條件被MS切入。

當(dāng)MS位于小區(qū)邊緣時(shí)，可能會(huì)有若干相鄰小區(qū)作為待切換目標(biāo)候選小區(qū)，通過(guò)設(shè)置這些ADJC中不同的HOM值可以控制MS的切換方向。

對(duì)于較易產(chǎn)生乒乓切換的小區(qū)交界處，可以通過(guò)不同的HOM值設(shè)置來(lái)抑制反復(fù)的乒乓切換。

HOM取值范圍：0～126，單位：1 dB，0＝-63 dB。

2.3.2 防回切參數(shù)

防回切參數(shù)用于在一定時(shí)長(zhǎng)內(nèi)限制定向重試（Directed Retry）后的切回嘗試請(qǐng)求。

由于業(yè)務(wù)信道擁塞，在開(kāi)啟了Directed Retry時(shí)，TCH指配會(huì)對(duì)合適的相鄰小區(qū)嘗試Directed Retry過(guò)程。當(dāng)Directed Retry成功后，防止回切限制時(shí)長(zhǎng)（TIMERFHO）開(kāi)始計(jì)時(shí)，則在TIMERFHO規(guī)定的時(shí)長(zhǎng)內(nèi)，禁止已指配到此ADJC中的Directed Retry連接由于功率預(yù)算（PBGT）原因而對(duì)原小區(qū)進(jìn)行切換請(qǐng)求嘗試。只有當(dāng)計(jì)時(shí)器的值達(dá)到TIMERFHO規(guī)定值之后，才允許進(jìn)行功率余量原則切換（PBGT HO）嘗試。

取值范圍：1～320，單位：10 s。

3 相關(guān)建議

在進(jìn)行GSM-R網(wǎng)絡(luò)參數(shù)調(diào)整時(shí)，需要對(duì)問(wèn)題小區(qū)及其附近所有小區(qū)的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋、切換進(jìn)行統(tǒng)籌考慮，經(jīng)過(guò)計(jì)算后方可實(shí)施參數(shù)的修改，避免出現(xiàn)新的問(wèn)題［7］。

由于并線區(qū)段及交叉區(qū)域的距離非常接近，從無(wú)線角度來(lái)講，若頻率分配稍有不慎或周邊地區(qū)突發(fā)干擾信號(hào)，就會(huì)引起同頻干擾、鄰道干擾、互調(diào)干擾等各種情況的發(fā)生，給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作帶來(lái)了極大困難。需要結(jié)合實(shí)際地理位置考察、全球定位系統(tǒng)（GPS）、服務(wù)質(zhì)量（QoS）值及場(chǎng)強(qiáng)圖的分析，提出網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案，有效解決網(wǎng)絡(luò)干擾及切換問(wèn)題［8］。針對(duì)并線交叉區(qū)段位置設(shè)置雙基站，需要對(duì)雙基站的覆蓋進(jìn)行細(xì)致調(diào)整，避免在主用基站正常工作的情況下，備用冗余基站代替其參與切換，造成切換異常。

為了克服基于接收信號(hào)強(qiáng)度的越區(qū)切換觸發(fā)機(jī)制的局限，可以考慮建立基于發(fā)送切換邀請(qǐng)的準(zhǔn)周期觸發(fā)機(jī)制，使越區(qū)切換的觸發(fā)更及時(shí)、準(zhǔn)確和可靠，防止乒乓切換現(xiàn)象的發(fā)生［9］。

越區(qū)切換成功率均隨列車運(yùn)行速度的增加而降低，而LTE-R的越區(qū)切換成功率高于GSM-R，且受列車運(yùn)行速度增加的影響較小，在后續(xù)鐵路建設(shè)中，建議采用LTE-R通信網(wǎng)絡(luò)［10-11］。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著我國(guó)高鐵線路的不斷延伸，GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋范圍不斷擴(kuò)大，因此確保GSM-R系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)用是面臨的重大責(zé)任和挑戰(zhàn)，需要在工作中不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，摸索規(guī)律，不斷優(yōu)化方案，從而采取有效措施改善網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行環(huán)境，為鐵路運(yùn)輸安全有序提供有力保證。