鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計

繆海波

（中鐵建電氣化局集團(tuán)南方工程有限公司 湖北省武漢市 430017）

近年來，我國鐵路建設(shè)飛速發(fā)展，從發(fā)達(dá)城市開始逐漸延伸到西南的山區(qū)等地。這使得鐵路的無線網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)遇到了較大的難題，當(dāng)前鐵路通信主要使用GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，為了進(jìn)一步提高鐵路通信質(zhì)量，確保鐵路運(yùn)行安全，本文對鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計進(jìn)行了簡要分析，希望能夠?qū)﹁F路建設(shè)有所幫助。

1 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀和存在的不足

1.1 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀

當(dāng)前社會對于鐵路的無線通信功能提出了更高的要求，數(shù)據(jù)通信內(nèi)容越來越多，使得鐵路通信方面暴露出許多不足之處。調(diào)度命令的傳輸、車次號的傳輸以及列車尾風(fēng)壓值的傳輸是鐵路通信的主要傳輸內(nèi)容，使得GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)承載了過多的數(shù)據(jù)量，系統(tǒng)的設(shè)計優(yōu)化成為關(guān)鍵。在很多偏遠(yuǎn)地區(qū)的鐵路建設(shè)，受到山體以及建筑物的遮擋，使得GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)覆蓋率受到較大影響，無線信號覆蓋困難，加上鐵路線路等級的不同，給GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)帶來了較大負(fù)擔(dān)。GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)基站的規(guī)劃也存在不合理的現(xiàn)象，未能夠結(jié)合鐵路的信號需求來進(jìn)行規(guī)劃，導(dǎo)致鐵路的樞紐信號被干擾的現(xiàn)象頻繁出現(xiàn)，通信也受到影響。我國的鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)還應(yīng)當(dāng)從實(shí)際情況出發(fā)，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計，提高鐵路各線路的通信質(zhì)量[1]。

1.2 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)存在的不足

1.2.1 體系結(jié)構(gòu)方面的不足

鐵路系統(tǒng)在運(yùn)行的過程中，鐵路工作人員要對整個運(yùn)行情況以及設(shè)備故障情況進(jìn)行實(shí)時的監(jiān)督和了解，這一過程需要用到無線通信系統(tǒng)，當(dāng)前鐵路運(yùn)行所使用的無線通信系統(tǒng)主要是GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，該項(xiàng)通信系統(tǒng)在體系結(jié)構(gòu)方面還存在這一些不足之處，在運(yùn)行過程中存在著一些安全漏洞，可能會影響著鐵路系統(tǒng)的安全運(yùn)行，帶來嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。

1.2.2 規(guī)劃設(shè)計方面的不足

鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)在頻率資源方面存在明顯缺陷，這主要是由于鐵路的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)和規(guī)劃設(shè)計等方面存在不足，我國鐵路的建設(shè)規(guī)模正在不斷擴(kuò)大，建設(shè)的環(huán)境也發(fā)生了改變，隨著鐵路建設(shè)的環(huán)境逐漸惡劣，外界因素對于鐵路無線通信系統(tǒng)的影響也越來越大，面對這種情況，鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)的頻率干擾現(xiàn)象逐漸嚴(yán)重，給鐵路的中心樞紐方面的切換設(shè)置、無線小區(qū)規(guī)劃以及頻率的分配都帶來了很大的困擾，在無線小區(qū)規(guī)劃方面會出現(xiàn)小區(qū)重選的現(xiàn)象，在切換設(shè)置方面會出現(xiàn)切換混亂的問題，影響著鐵路通信網(wǎng)絡(luò)的質(zhì)量。

1.2.3 BSC 接入方面存在不足

BSC 接入方面沒有科學(xué)的規(guī)劃方法，一些鐵路開始設(shè)置BSC設(shè)備，但設(shè)備的統(tǒng)一性規(guī)劃存在明顯不足，不僅影響著鐵路的整體通信質(zhì)量，對鐵路線的維護(hù)管理工作也造成一定影響。此外，在線路的規(guī)劃方面還缺少預(yù)留規(guī)劃，使得后續(xù)接線成為難題，分線路覆蓋和頻率的接線要考慮到主線路的具體需求，這就使得GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)的分線路接入更加困難。

2 鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方案

2.1 網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的優(yōu)化

2.1.1 優(yōu)化覆蓋方案的原則

鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化方案及覆蓋原則都應(yīng)以節(jié)省頻率損耗以及降低工程建設(shè)資金為基礎(chǔ)，在具備貢獻(xiàn)覆蓋條件的并線區(qū)段建立共用基站進(jìn)行覆蓋，以達(dá)到節(jié)省建設(shè)成本的目的。在并行區(qū)段使用共用基站時，需要根據(jù)經(jīng)過此線路列車的需求和基站容量進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計。比如鐵路網(wǎng)中典型的多軌道交匯區(qū)域，在交匯點(diǎn)、交叉帶聯(lián)絡(luò)線等結(jié)構(gòu)中都可以采用共基站覆蓋模式，而交叉無聯(lián)絡(luò)線這類結(jié)構(gòu)可根據(jù)頻率資源的使用情況建設(shè)共基站或分基站的覆蓋方式[2]。而信息交匯較多，臨近城市樞紐地區(qū)的覆蓋方案中需要考慮最低信號強(qiáng)度需求，滿足列控線路冗余覆蓋，在并線區(qū)段也可采用交織或同址覆蓋，不僅可以降低樞紐內(nèi)基站間的信號干擾，還能夠提高信號強(qiáng)度。不過在建設(shè)基站過程中要盡量控制天線高度，以防干擾到鐵路中其他線路。

2.1.2 覆蓋方案優(yōu)化設(shè)計

覆蓋方案的優(yōu)化設(shè)計必須結(jié)合實(shí)際工程建設(shè)情況進(jìn)行分析，我國國土遼闊，鐵路覆蓋廣泛，青藏鐵路和京滬高鐵的覆蓋設(shè)計截然不同。鐵路GSM‐R 覆蓋方案的優(yōu)化設(shè)計以三方面為主：

（1）直放站優(yōu)化設(shè)計，主要用于鐵路GSM‐R 進(jìn)入隧道或無線信號不良地區(qū)時，采用光纖直放與電纜結(jié)合的方式，類似于信號增強(qiáng)效果。

（2）無線網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)化設(shè)計，一般情況下無線信道是不會受影響的，但在實(shí)際基站選址過程中會受限于地理環(huán)境，間距建設(shè)不夠均勻，部分基站覆蓋不全面，可以借由調(diào)整天線俯仰角，來控制基站的覆蓋范圍，可以使無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋到更遠(yuǎn)處，并減少覆蓋能量消耗的問題。

（3）在信號越區(qū)切換時可能會受到外界干擾而造成覆蓋效果不良的現(xiàn)象，在基站設(shè)計建設(shè)中需考慮列車跨區(qū)進(jìn)行切換所需的必要距離和時間，將基站切換后重疊距離進(jìn)行計算，滿足列車速度和信號切換的要求。

2.1.3 覆蓋網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃仿真

利用TCP 或其他仿真軟件將需要規(guī)劃設(shè)計的鐵路GSM‐R 基站添加到數(shù)字地圖上進(jìn)行分析。正常情況下基礎(chǔ)設(shè)定的覆蓋情況以及天線方向都會有一定偏差，最終輸出包括基站名稱、天線方向和天線傾角等參數(shù)列表，依據(jù)這些參數(shù)可以知道大部分地區(qū)的仿真與實(shí)測結(jié)果應(yīng)能夠滿足鐵路GSM‐R 覆蓋要求，但在個別區(qū)域的覆蓋需要對基站天線參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。并且根據(jù)仿真線路的實(shí)際情況，城區(qū)與農(nóng)村傳播模型不同，損耗參數(shù)也有一定區(qū)別，仿真出現(xiàn)的誤差也多是由于無線傳播模型、數(shù)字地圖等原因，不過都可以通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化措施解決。

2.2 容量規(guī)劃和信道配置

鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)通信中的負(fù)荷是隨時隨地都在發(fā)生變化的，在不同的區(qū)域網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況也不相同，不同時間內(nèi)同一區(qū)域的網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷也有差別。因此在優(yōu)化工程中需要考慮在一段時間內(nèi)線路所經(jīng)過區(qū)域的負(fù)荷情況。在某些區(qū)域話務(wù)量出現(xiàn)較大提升，使用覆蓋、參數(shù)、減擴(kuò)容等方法無法解決容量負(fù)荷時，可以利用將基站區(qū)分裂來解決容量問題，尤其是部分節(jié)點(diǎn)可靠性較高的情況下，可以配置備用單元，在工作需求或故障時啟用。目前半確定性模型是應(yīng)用最為廣泛的信道模型，復(fù)雜度中等實(shí)現(xiàn)難度可以調(diào)整，能夠使用設(shè)備性能進(jìn)行配置。在配置過程中需對通信系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)地測量，確定在測試環(huán)境下得到數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，之后統(tǒng)計數(shù)據(jù)，采取參數(shù)生成算法進(jìn)行仿真。其配置靈活方便，不需要對詳細(xì)勘測特定環(huán)境。

2.3 優(yōu)化頻率規(guī)劃方案的原則

列車作為高速運(yùn)行的移動臺，在考慮規(guī)劃方案時必須要求能夠及時切換和重選，如果線路途徑小區(qū)網(wǎng)絡(luò)受到干擾，其重選切換的測量精度和及時性會受到影響，并且在慢速和低穿透損耗的情況下對用戶通話質(zhì)量的影響更大。鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)不斷發(fā)展使頻率資源較為精確，很難再增加一段專用頻率，優(yōu)化頻率就更為關(guān)鍵。規(guī)劃方案的原則遵循同站不鄰頻或同頻，共用基站相鄰、相對或同向不應(yīng)使用同一頻點(diǎn)，在修改基站頻點(diǎn)的過程中要充分考慮基站小區(qū)覆蓋的無線網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。根據(jù)當(dāng)前或仿真網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況對不同基站進(jìn)行調(diào)整，充分利用頻率資源，優(yōu)化線路沿線小區(qū)的頻率資源。

2.4 數(shù)據(jù)有效清理與軟件升級

2.4.1 數(shù)據(jù)清理

在實(shí)施網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段，對于GSM‐R 無線通信系統(tǒng)中的冗長數(shù)據(jù)，應(yīng)及時清除，避免系統(tǒng)中產(chǎn)生的數(shù)據(jù)出現(xiàn)不完整后果。同時，為了促使GSM‐R 技術(shù)在鐵路工程中的網(wǎng)絡(luò)通信服務(wù)中展現(xiàn)出真正效用，還需進(jìn)行參數(shù)合理設(shè)計，即針對通信數(shù)據(jù)中使用的交換機(jī)設(shè)備，重調(diào)其參數(shù)，借助測試軟件對通信系統(tǒng)故障進(jìn)行檢測，特別是語音通信業(yè)務(wù)，防止影響鐵路通信質(zhì)量。為了保證GSM‐R 通信系統(tǒng)發(fā)揮出真正效用，在數(shù)據(jù)清理環(huán)節(jié)，還應(yīng)注重信號監(jiān)測，判斷系統(tǒng)是否具有通暢的傳輸信號。常見的信號監(jiān)測方法包括信號指令法，用于對信號指令產(chǎn)生的預(yù)警結(jié)果，分析信號傳遞情況，在其信號質(zhì)量差條件下，還應(yīng)通過信號質(zhì)量的調(diào)節(jié)，促使系統(tǒng)擁有良好的通信環(huán)境，這樣才能保證鐵路具有完善的通信體系。

2.4.2 軟件升級

針對鐵路SGM‐R 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化，還需要進(jìn)行軟件升級操作，便于增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的適應(yīng)性，也能促使系統(tǒng)具備突出的信息采集能力，由此增加信息獲取準(zhǔn)確度。

（1）相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)準(zhǔn)確識別頻譜資源，待確定好參數(shù)后，可對其功能進(jìn)行完善；

（2）還需要融入智能技術(shù)，促使網(wǎng)絡(luò)通信業(yè)務(wù)具備智能化特征，繼而避免無線電在傳輸中遇到需求問題；

（3）還可在原有鐵路通信系統(tǒng)中應(yīng)用藍(lán)牙傳輸技術(shù)。而且還可借助信號傳感器，選擇適合的應(yīng)用算法，保證GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)具有良好的信息傳輸條件。尤其對于鐵路網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)用戶，可運(yùn)用藍(lán)牙信號的傳遞，促使在鐵路運(yùn)輸、行駛期間能夠具備準(zhǔn)確的信號傳遞能力。

2.5 優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)通信維護(hù)規(guī)劃

對鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化時，還需要注重網(wǎng)絡(luò)維護(hù)，尤其是無線電網(wǎng)絡(luò)通信系統(tǒng)的有效維護(hù)，避免系統(tǒng)出現(xiàn)故障，致使信號傳輸遇到阻力。一方面，對于網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的管理職責(zé)予以確定，可從制度編制角度，規(guī)定鐵路運(yùn)輸管理部門中各人員的崗位職責(zé)，尤其是系統(tǒng)維護(hù)人員，應(yīng)安排好維護(hù)周期，持久保證系統(tǒng)性能穩(wěn)定，也能適當(dāng)規(guī)避系統(tǒng)故障風(fēng)險。另一方面，還需要設(shè)置專門的維護(hù)管理小組，用于督促維護(hù)人員及時制定可行性維護(hù)規(guī)劃，防止因系統(tǒng)管理不到位，造成網(wǎng)絡(luò)傳輸系統(tǒng)無法為鐵路運(yùn)輸業(yè)的發(fā)展帶來助力。GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)在鐵路信息化管理改革中占據(jù)重要地位。所以，對其加以優(yōu)化時，還應(yīng)當(dāng)保證管理人員與維護(hù)人員，按照事先固定好的職責(zé)要求，做好本職工作，促使鐵路通信系統(tǒng)中的GSM‐R 信號能夠保持穩(wěn)定傳輸狀態(tài)。尤其對于系統(tǒng)漏洞，也需要加強(qiáng)修復(fù)，以免出現(xiàn)系統(tǒng)安全事故，違背鐵路安全生產(chǎn)目標(biāo)。

3 BSC接入優(yōu)化設(shè)計方案

3.1 優(yōu)化BSC接入的原則

在接入BSC 時應(yīng)注意遵循以下幾點(diǎn)原則：將BSC 接入核心網(wǎng)MSC 設(shè)備要盡可能減少樞紐內(nèi)跨BSC 切換的情況，以此來加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量水平；列控線路應(yīng)根據(jù)不同的線路分別設(shè)置單獨(dú)的BSC 設(shè)備；要保證列控線路的質(zhì)量，在列控線路和非列控線路并行區(qū)域范圍內(nèi)的基站應(yīng)接入列控線路的BSC 設(shè)備；最后在接入過程中還應(yīng)注意結(jié)合現(xiàn)有的工程方案[3]。

3.2 BSC接入優(yōu)化設(shè)計選擇

BSC 接入有三個主要的優(yōu)化設(shè)計方案。

（1）在樞紐處單獨(dú)安裝BSC 設(shè)備并將樞紐內(nèi)的全部基站都接入新安裝的BSC 設(shè)備上，線路可以在進(jìn)入和離開樞紐的時候?qū)崿F(xiàn)跨BSC 切換。這一方案的優(yōu)點(diǎn)在于可以對所有設(shè)備進(jìn)行集中管理，減少樞紐跨BSC 切換的情況，缺點(diǎn)在于集中管理會導(dǎo)致BSC 發(fā)生故障時影響所有樞紐線路的通信，而且該方案涉及到對全部基站的重新調(diào)整，增加了安裝、維護(hù)和管理的難度。

（2）將單獨(dú)的客?；窘尤氲较鄬?yīng)的BSC 設(shè)備中；將城際下屬區(qū)域內(nèi)所設(shè)的所有基站接入城際集中設(shè)立的BSC 設(shè)備中；將動車基站接入對應(yīng)的BSC 設(shè)備中；在樞紐地區(qū)，使兩個客專在集中站點(diǎn)附近進(jìn)行跨BSC 切換，城際和客專在集中的基站附近進(jìn)行跨BSC 切換。該方案在調(diào)整之后，各個線路進(jìn)入樞紐時均只需要進(jìn)行一次跨BSC 切換，滿足了在列控線路設(shè)立單獨(dú)的BSC 設(shè)備這一優(yōu)化設(shè)計原則，更加有利于設(shè)備的維護(hù)和管理，對現(xiàn)有線路的影響較小。

（3）在各個線路都單獨(dú)安裝一個BSC 設(shè)備，這一方案雖然可以保證每條線路都擁有自己單獨(dú)的BSC 設(shè)備，在設(shè)備出現(xiàn)故障的時候只會對相應(yīng)的單條線路產(chǎn)生影響，方便維護(hù)管理，但由于各個線路在樞紐區(qū)域存在交叉和并線等情況，使頻率和覆蓋等資源條件受到限制，因此，各個線路的基站覆蓋更多會使用聯(lián)合規(guī)劃設(shè)置的方式，也就是在基站區(qū)域選用共用基站進(jìn)行覆蓋，這導(dǎo)致各個線路單獨(dú)設(shè)置的BSC 設(shè)備在共用基站覆蓋的范圍內(nèi)受到影響和限制。該方案最大的缺點(diǎn)在于很難在樞紐內(nèi)實(shí)施，所以該方案仍有待完善。

通過對以上三種BSC 接入優(yōu)化設(shè)計方案進(jìn)行分析，并對三個方案的GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量和設(shè)備維護(hù)管理效果進(jìn)行對比，可以發(fā)現(xiàn)第二個接入優(yōu)化方案具有更好的性能，更有利于保證列控線路的質(zhì)量安全。

4 結(jié)論

綜上所述，當(dāng)前鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)的現(xiàn)狀并不理想，在體系結(jié)構(gòu)和規(guī)劃設(shè)計等方面都存在著不足之處，影響鐵路通信的穩(wěn)定性和安全性。由本文分析可知，鐵路GSM‐R 網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化設(shè)計方案包括：網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案的優(yōu)化、容量規(guī)劃和信道配置以及優(yōu)化頻率規(guī)劃方案的原則。此外，BSC 的接入方面也應(yīng)當(dāng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。