郑西客运专线GSM-R高速网络优化的经验

蔡俊福 阚绍忠

（中铁建电气化局集团有限公司，北京 100043）

1 概述

郑西客运专线是我国中长期铁路规划客运专线中徐兰客运专线（徐州—郑州—西安—宝鸡—兰州）的重要组成部分，已于2010年2月6日正式开通运营。郑西客运专线设计速度350 km/h，采用基于GSM-R的CTCS-3级列车控制系统指挥行车，在业务繁忙时将实现350 km/h、3 min追踪间隔的高速运行。

GSM-R网络能够在铁路沿线的开阔地、山区、隧道和丘陵等各种地形地貌条件下提供无缝网络服务，是实现CTCS-3级列车控制安全数据传输的基础平台。CTCS-3车载ATP和地面无线闭塞中心（RBC）之间利用GSM-R网络进行双向命令与状态信息交互，完成列车位置跟踪、移动授权、紧急停车、临时限速等关键信息的传送。

CTCS-3系统是保证列车高速运行的关键，GSM-R网络要为CTCS-3级安全数据传输提供安全可靠的通道，高速条件下的无线网络优化就显得尤为关键。只有GSM-R无线网络完成高速条件下的优化工作，才能满足列控系统对于GSM-R的QoS指标要求，保证车地之间的列控安全数据可靠传输。

对于列车控制数据传输而言，良好的通信服务质量直接关系到铁路运输安全和效率，而在此之前，对高速运行状态下的CSD数据业务还没有成熟的优化方法。本文主要结合郑西客运专线全线GSM-R无线网络高速条件下的优化，并配合CTCS-3运行试验，进行覆盖优化调整、越区切换优化、服务质量优化等方面的经验总结，以期对后续客运专线优化提供参考。

2 高速网络优化测试系统结构

如图1所示，高速条件下的网络优化测试系统主要包括GSM-R高速场强测试系统，GSM-R高速QoS测试系统，GSM-R Abis、A和PRI接口监测系统，QoS地面服务器等。其中，GSM-R高速场强测试系统由高速场强接收机和专用软件组成，用于GSM-R无线网络覆盖优化。GSM-R高速QoS测试系统由列控专用模块和专用QoS软件组成，用于测试GSM-R网络电路数据和GPRS业务的服务质量，同时在地面接口实时跟踪移动台的呼叫流程、数据传输情况、上下行电平和质量、越区切换等，为网络优化提供基础数据和技术支撑。

3 覆盖优化调整

3.1 优化调整目标

郑西客运专线采用单网交织覆盖，该覆盖方式可大大提高网络的可靠性和覆盖能力。场强覆盖测试优化目标是在列车高速运行状态（350 km/h）下，基站全部开启、仅开启奇数基站和仅开启偶数基站的情况下，都应符合95%时间地点概率条件下，接收机天线输入端最小接收电平高于-92 dBm。同时，还要避免不相邻基站之间的过覆盖，设置合理的重叠区，保证切换重叠区的长度。

3.2 覆盖调整理论依据

在完成低速和高速无线网络优化的过程中，针对重叠区大小、过覆盖、覆盖不足和乒乓切换等，优化初期为达到期望的覆盖效果，可以通过调整天线的俯仰角和方位角，使得天线的主瓣在垂直面和水平面上发生改变，从而使天线辐射能量分布覆盖区域发生变化。

郑西客运专线基站和直放站主要使用了4种天线，APX86-906516L-CT0和80010141（凯瑟琳）供基站使用，为交叉极化天线，AP906516-CT0和K732267（凯瑟琳）主要供直放站使用。以绝大多数基站使用的APX86-906516L-CT0为例，可以通过计算得出天线俯仰角与覆盖距离的关系。APX86-906516L-CT0增益为17dBi，水平波束为65°，垂直波束为6.8°，其垂直方向的辐射如图2所示，其主要的辐射范围为主波瓣方向，下面通过计算给出半功率角（增益降低3 dB）和轨面交点和基站的距离关系（假设天线距离轨面高度为30 m），根据几何计算可得表1。分析表1数据可知，当天线下倾角设置小于2°时，天线半功率角辐射的能量有一部分到无穷远，甚至向天空辐射，对于天线能量来说比较浪费，同时容易造成越区覆盖；当天线下倾角设置为4°时，天线能量主要集中在231～2 865 m范围内；当天线下倾角设置为6°时，天线能量主要集中在181～661 m范围内。因此，郑西线基站间距一般按照4°～7°进行设置。同时，根据场强覆盖测试结果，对覆盖过远或覆盖衰减过快的地点，通过调整天线俯仰角达到覆盖要求。

表1 半功率角（增益降低3 dB）与轨面交点和基站的距离关系

3.3 基站覆盖优化

在优化过程中，要求保证单基站工作正常，双方向覆盖基本对称；考虑到高速余量，郑西线上相邻基站覆盖交叉点电平在-60 dBm以上；交织基站覆盖交叉点电平在-75 dBm以上。

优化过程中，首先排除设备故障（驻波比超标、抱杆不垂直、接头松动、线缆损坏和传输问题），然后根据场强测试数据生成的覆盖曲线调整基站俯仰角、方向角和基站输出功率。进行调整的同时，考虑全基站模式和降级模式，在不能兼顾时，结合参数调整达到优化目标。

3.4 直放站覆盖优化

在单网交织覆盖模式下，1个直放站同时接两个宿主基站，一路为主信号，一路为从信号，要求直放站输出功率正常，同时主从信号相差为6 dB左右（6 dB左右是保证主从信号能够区分的合理值，要求大于切换门限4 dB，避免乒乓切换，同时要保证从信号不能过低）。实施优化过程中，首先要排除设备故障，如设备掉电、驻波比超标、光模块损坏、功放损坏、衰减器损坏、接头松动和尾纤接错等。

其次，解决直放站主从信号覆盖相差过小或过大，具体方法：首先确认直放站宿主基站输出功率；其次确认是否有设备故障；最后现场测试问题直放站所连近端机TP点功率、对应直放站远端机光模块输入功率、直放站远端机射频输出功率，根据各点测试数据进行综合分析，找到问题根源，并进行相应调整（调整基站功率、直放站衰减器大小等）。

4 越区切换优化

越区切换的优化目标是开通全部基站、仅开通奇数基站及仅开通偶数基站3种情况下越区，保证切换中断时间小于0.5 s（95%），切换成功率不小于99.5%，两次切换的间隔大于20 s，切换位置相对均匀，无紧急切换和乒乓切换发生。越区切换的优化主要依据Abis接口跟踪到的用户发生切换的时间、地点和切换原因，从而调整切换参数。

针对350 km/h高速运行的要求，BSC相关参数设置如表2所示。

切换性能的最优化，需要以良好、均匀的场强覆盖为基础。但仅仅通过覆盖调整不能彻底避免乒乓切换和异常切换，此时需要调整基站参数（邻区参数、切换余量和乒乓切换保护时间等），对比调整前后的测试数据，进行分析和验证，逐渐逼近于最优状态。

表2 BSC相关参数设置

在覆盖正常的情况下，对于某些直放站区段切换滞后，通过Abis接口监测数据分析发现：直放站主从信号在设计切换点附近的覆盖均高于-47 dBm，基站子系统对大于-47 dBm的测量值均按-47 dBm处理，不进行切换判决，导致切换滞后。对于此类问题，一般通过降低直放站上下行增益或在直放站射频输出端增加衰减器来实现，调整值大小通过场强覆盖曲线和Abis接口测量报告值进行分析得出。

相比低速运行，动车组在高速运行过程中发现模块切换滞后的现象比低速更为严重。对于基站站距较短的区段，由于启用切换保护时间和之前多个小区切换滞后的积累，使得在某个小区内迟迟达不到切换保护时间，最后容易发生下行电平或质量切换。因此在高速运行时，在前面低速优化的基础上，根据区段特点，将切换门限尽量降低，某些特定地点还可以将切换门限调整为0 dB或负值。

例如：某两个小区之间切换滞后，如图3所示，切换前的TA值是6，切换后的TA值是2，空间地带两者相差大，说明切换滞后。通过调整切换门限后，切换关系达到设计要求，如图4所示。

5 网络服务质量测试优化

5.1 优化主要内容

高速条件下的网络服务质量优化，主要针对传输干扰时间、传输无差错时间和连接丢失率等进行。

5.2 服务质量优化主要问题分析

5.2.1 克服网内外同频、邻频干扰

在优化过程中，对上下行质量在4级以上的，要进行集中处理。质量较差，意味着存在干扰，在清频工作未完成之前，首先需要判断干扰源是来自网内还是网外。根据频组复用原则，采用7频组复用时，在降级模式下，质量较差小区对应的基站开启时，其相邻频组的同频基站均处于关闭状态。若在这种降级模式下干扰有较大改善，说明干扰可能来自于网内，需要根据同频基站的距离和覆盖强度进行调整。反之则可能来自于网外，需根据电磁环境测试的结果进行对比，发现干扰频点，进行清频工作。

5.2.2 直放站上行干扰问题

由于直放站设备对移动台上行电平的接收能力的非线性效应以及直放站设备底噪对施主基站造成的干扰，导致直放站区段上行质量较差，在优化过程中主要采用降低直放站上行增益的方法来解决，也可采用更改相应基站的MsTxPWRmax参数来解决。

例如：部分区段上行质量差，上行质量6～7级，如图5所示。通过将直放站上行增益下调3 dB后，上行质量得到改善（0级），如图6所示。

5.2.3 连接丢失分析处理

高速测试时，发现部分隧道洞口区段容易发生掉话，现象为上行质量突然变为7级以上，测量报告不连续，且基本发生在一个列车运行方向。经分析认为，这些区段存在直放站天线向隧道内辐射的情况，容易与隧道中漏缆的覆盖形成相互干扰，同时，根据Abis接口得到的测量报告发现，TA值与实际不符，TA更新明显慢。因此，根据上述分析，通过取消直放站向隧道内辐射的天线，并修改extended Timing Advance Window参数，使BTS每隔2 s即4个测量报告便更新一次TA，加快更新周期，克服TA更新慢而引起的基站在对应时隙收到的信息不完整或被另一个呼叫的信息所干扰而导致上行质量持续7级的情况。因此，采用连续直放站进行覆盖时，在列车高速运行的情况下，要特别关注距离参数即TA值的设置。

6 开通运营后的技术保障

网络优化是一个长期的过程，贯穿网络建设、调试和开通运营后的各个阶段。郑西客运专线于2010年2月6日正式开通运营后，仍然对运营列车CTCS-3级数据传输进行实时跟踪分析，通过详细的数据分析，对两处新出现的下行质量较差导致切换失败的地点，采取改变切换点的方式进行优化，保证了CTCS-3级数据传输的可靠性。开通运营后，GSM-R网络和CTCS-3级列控系统运行稳定，有效提高了列车运行效率。

7 结束语

本文基于郑西客运专线全线高速网络优化过程，分析和总结了网络覆盖优化、越区切换优化和网络服务质量测试优化中遇到的典型问题和解决办法，以期为后续客运专线网络优化提供借鉴。

[1] 钟章队， 李旭， 蒋文怡， 等．铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）[M]．北京，中国铁道出版社， 2007．

[2] Subset 093 V2.3.0 GSM-R interface Class 1 Requirements．

[3] UIC Project EIRENE System Requirements Specification(V15.0), UIC规范[S]，2006.

[4] ERTMS/GSM-R Quality of Service Test Specification（V3.0）[S].