铁路数字移动通信GSM—R无线网络的优化

果琮

摘要：该文阐述了GSM-R无线网络优化的必要性，比较了GSM-R网络优化与公网GSM网络优化的相同和不同之处，介绍了网络优化的一般方法，总结了铁路GSM-R无线网络现存的主要问题，分析了问题产生的原因并提出了优化解决方案。

关键词：GSM-R；网络优化

中图分类号：TP393 文献标识码：A 文章编号：1009-3044（2015）25-0015-04

1 前言

随着近10年的铁路大发展，GSM-R系统作为我国城际铁路、高速铁路、客运专线的专用通信系统，承载中国高铁的CTCS-3列车控制系统，是我国铁路通信系统的发展方向。我国自从2005年在大秦线建成GSM-R系统以来，取得了惊人的发展成就，截至目前，已建成GSM-R核心节点12个，GSM-R无线网络13000多公里。

GSM-R建网初期，发展速度快，建设周期短，路内对GSM-R系统的认识也不够深入，网络规划和建设阶段均可能存在一些问题；铁路沿线的地理环境和电磁环境一直在发展变化；另外，随着设备使用时间的增长而逐渐老化，某些方面的性能将不可避免有所下降。上述原因都可能导致GSM-R通信质量下降，严重的还可能影响到铁路的正常运行，因此非常有必要对已投入使用的GSM-R系统进行网络优化。

网络优化要从交换、无线、传输等多方面入手，全面优化网络质量，本文着重讨论GSM-R无线网络的优化。

2 公网GSM网络优化与铁路GSM-R网络优化比较

公网GSM的用户数保持高速增长，网络采用蜂窝网状覆盖；而GSM-R系统在同一线路上的用户数基本固定或者增长较慢，网络基本采用线状覆盖。GSM-R网络的这些特点决定了其优化也具有自己的特点。

GSM-R网优的目的在于提高通信质量，保证铁路运输组织、控制的安全，公网网优的动力在于，提高通信质量，减少投诉，提高企业在行业内的竞争力，同时提高系统资源的使用效率，增加容量，增加收入；按照GSM-R维护规程的要求GSM-R网络的性能的测试和优化应该保持常态化，而公网多在网络扩容时或有较多投诉时启动对网络的优化。GSM-R优化段使用的手段也不太一样，如公网经常采用邻区关系调整来解决切换和掉话，而GSM-R的邻区关系则相对固定，不能随意调整；公网网络常常会采用网络分层来解决话务均衡问题，GSM-R则基本不用此手段。

虽然如此，但GSM-R的优化流程和方法与公网却是一致的，都遵循“测试→分析→调整优化→再测试→再分析→再调整优化”的反复循环过程。

3 GSM-R无线网络优化的一般方法

概括来说，对GSM-R的优化的基本方法是设备排障、网络测试和优化实施及验证。

具体说来，无线网络优化主要包括以下几个步骤：数据采集、数据分析、优化方案制定、方案实施和检验。

3.1 数据采集

数据采集包括OMC网管统计数据、路测数据、CQT测试数据、用户申告情况以及其它仪表的测试结果等，包括接通率、掉话率、切换成功率、场强、干扰、载干比、基站位置地图、基站故障报告、站型、天线型号、方位角、发射功率、所使用的天馈线类型、驻波比、天线增益、天线高度等。

3.2 数据分析

对所有采集的数据进行分析，发现网络中存在的问题，如基站硬件故障、信号盲区、干扰分布、网外干扰源的定位、网络参数的设置是否合理等。

3.3 优化方案制定

通过分析，制定几个可供选择的优化方案。这些方法制定后，从中分析比较，寻找出优选方案。如频率调整、小区覆盖范围调整、小区参数调整等。

3.4 方案实施和验证

选定好优化方案后，就可按照方案进行实施。如果质量有所改善，或存在的质量问题得到解决，则本次优化作业结束，否则返回制定和实施优化方案，重新优化。

4 目前 GSM-R无线网络主要存在的问题、识别及解决方法

在按照《GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）》（科技运[2008]170号）对已开通的GSM-R线路进行场强及服务质量测试时，网络QoS下降的主要表现是连接建立成功率、连接断开率即掉话率、切换成功率、列控CSD数据的传输干扰等指标不符合要求。用路测软件添乘测试时，网络性能下降则表现在接通率不合格、掉话、和通话质量差三个方面。

本人经对多条GSM-R线路的测试分析后发现，引起上述服务质量下降的常见原因是场强弱、干扰以及参数设置不合理造成的切换失败。

下面就GSM-R网络优化中的常见问题进行分析。

4.1 弱场分析及解决

4.1.1弱场原因分析

1）设备故障；

2）设备的老化造成发射到空间的能量减少，从而达不到刚开通时的场强覆盖水平；

3）铁路沿线地理环境的变化等如新建建筑物或其他大的遮挡物如（大型施工场物料堆放等）的遮挡、季节变化、树木长大等因素都可能引起覆盖弱化。

4.1.2弱场的现象识别

判断覆盖盲区的方法：

1） 场强测试接收机测试信号< -92dBm；弱信号掉话百分比偏高；

2）路测分析RxLevel < -87dBm；

3） 掉话率较高等。

4.1.3弱场解决方法

解决弱信号主要手段有：增加基站、增加直放站、加挂漏缆、调整基站天线高度、俯仰角、增加发射功率等，具体使用那种手段要视现场的实际情况而定。

4.2干扰分析及解决

GSM-R系统是干扰受限系统，干扰会降低话音质量甚至发生掉话。网络优化应对干扰信号的种类、强度、性质以及来源进行测试、分析。

4.2.1干扰来源分析

1）公网GSM和CDMA系统可能带来对GSM-R的干扰。我国的GSM-R采用E-GSM频段的885-889/930-934MHz，中国移动和中国联通的GSM系统也可能使用该频率，中国电信的CDMA频段与GSM-R的上行频段邻近；

2）不同线路的GSM-R相互干扰。随着我国GSM-R线路的增多，各条铁路的GSM-R往往是单独设计、规划，对其它线路考虑较少甚至不考虑，造成不同线路的交叉处特别是大枢纽地区出现相互干扰；

3）一些民用设施（如高速公路的ETC）或军用设施发出较强的电波，工业干扰、电源火花干扰、天电干扰和其它专业的邻近电波等也都可能对GSM-R无线网造成干扰。

4.2.2网络存在干扰时的现象

存在比较严重的频率干扰地方，一般会表现为网络质量不高，掉话率、切换成功率、无线接通率、阻塞率等指标均相对不好，话音质量差；

1） 从路测结果分析通话时的信号质量和电平，信号的电平较高，但信号质量却较差；

2） C/I值较低；

3） 常常发生小区内切换；

4） 信号电平值较高的情况下发生质量切换等。

4.2.3干扰解决方法

1）定期对BTS的收发信系统进行检查，减少杂散发射与响应；定期对BTS的主时钟进行调整（频偏越小越好），减少所用信道受其它信道的干扰；

2）调整网络中受干扰的频率，避开干扰频点；

3）利用频率分析仪、定向天线、测试手机等工具查找、定位干扰源。若干扰源来自其它GSM-R线路，则需要重新优化频率规划；若干扰源来自外来系统，则可通过无委会交涉请求其避开GSM-R的频率。

4）新线路GSM-R频率规划时，要综合考虑其相邻或交叉线路的GSM-R频率使用情况。

对于系统的内部干扰，还可以通过网络仿真平台对这个线路的同邻频干扰情况进行分析等手段来分析解决。

4.3切换分析及解决

4.3.1 GSM-R无线网络中切换中常见的问题

1）该切不切，导致语音质量和信号质量均变差；

2）频繁切换，导致语音质量变差；

3）切换掉话；

4）切换失败率过高；

5）由于切换参数设置，导致切换处理过慢而掉话；

4.3.2切换原因分析

1）信号强度太弱或盲区，切换因切入小区的信号强度太弱而失败；

2）切换目标小区没有剩余空闲信道，导致切换失败；

3）切换目标小区存在干扰，导致与新小区的连接失败而切换失败；

4）越区切换参数设置不合理，导致切换失败；

a）上行电平切换门限、下行电平切换门限、切换余量等定义不合理，致使越区切换失败；

b）信号强度滞后值设置不当，信号强度滞后值设置太小，基站没有足够的时间处理切换呼叫，造成呼叫在切换时丢失。（但若设置太大，又会引起许多不必要的切换）。

c）切换带设置不合理，切换带设置过大，导致切换过缓，主服务小区已不是场强最大的小区，造成掉话；切换带设置过小，高速行驶的列车来不及切换，也容易掉话；

5）孤岛效应导致切换失败：由于山峰等的反射，使基站在很远处出现“孤岛”，而与之有切换关系的相邻基站却因地形的阻挡覆盖不到，这样就造成“孤岛”与相邻基站之间没有切换关系，当移动终端占用上“孤岛”的信号时，很容易因没有切换关系而引起切换失败掉话。

4.3.3切换解决

1）解决弱场和干扰，见4.1和4.2；

2）为避免因目标小区没有空闲信道供切换，可以将重要的、可靠性要求高的呼叫如列控业务、调度业务设置较高的优先级，即使目标小区没有空闲信道，仍能通过eMLPP业务抢占优先级低的呼叫占用的信道，完成切换；

3）优化切换参数

GSM-R网络用到的切换有很多种情况，如基于功率预算的切换（PBGT）、基于距离的切换（如TA切换）、基于上下行功率的切换、基于上下行质量的切换等，涉及到的参数也很多，具体参数的调整视具体情况而定。

这里以常见的PBGT切换为例，简述参数的设置。PBGT切换参数主要是窗口A，窗口内满足条件的个数B，以及HO_MARGIN值。如果连续的A个测量报告的测量值中有B个满足切换门限的要求，则满足切换条件。如果希望切换快捷，则可以适当降低A的值以及B的值，或降低HO_MARGIN；如果希望切换变得迟钝一些，则可以适当提高A的值以及B的值，或提高HO_MARGIN。如发生乒乓切换的区域，可以提高切换发生的门槛。

4.4掉话分析及解决

掉话现象是系统各种不良因素的综合体现，对网络的服务质量影响很大。

在GSM-R无线网络中，掉话应该包括SDCCH信道上的掉话和TCH上的掉话，SDCCH掉话即引起接通率降低，关于SDCCH掉话的情况将在4.5中讲述，本节主要讨论TCH信道上的掉话。

4.4.1掉话原因分析

1）弱信号掉话：受地形地貌、建筑物的影响，由于信号快衰落、信号覆盖原因而引起的掉话。

2）干扰引起掉话；

3）切换失败引起掉话；

4）硬件故障掉话：收发信机、天馈系统存在故障，将直接导致掉话；天馈线损伤、进水、打折和接头处接触不良，均会降低发射功率和收信灵敏度，产生掉话；

5）传输质量掉话：传输误码、滑码、帧丢失等引起A接口和Abis接口的物理层的2Mbit/sPCM链路，传输信令、话音及数据错误或丢失造成掉话；

6）其他原因引起掉话：如同步、移动终端质量差、移动终端软件死机等原因都将导致掉话。

4.4.2掉话解决方法

掉话的解决需要根据实际情况采取不同策略。

1） 弱信号掉话解决：同4.1弱场的分析及解决；

2） 干扰掉话解决：同4.2干扰分析及解决；

3） 切换掉话解决：同4.3切换分析及解决；

4） 硬件故障掉话解决：到基站现场进行测试，利用天馈线测试仪判断故障原因及故障点，检测从合路器至天线的驻波比，若VSWR大于正常值，及时更换故障天线和接头；分析从网管中的有关告警和统计，发现故障原因。

5） 传输质量掉话解决：定期进行传输同步检查和传输质量检查，检查2M电缆的接头，减少由于传输质量产生的掉话。

6） 使用硬、软件质量都满足合格的移动终端，定期检测、维护移动终端。

4.5接通率分析及解决

在GSM-R网中，SDCCH的掉话即引起接通率下降，TCH信道上的掉话问题已在4.4中讨论，本节采用信令流程分析来讨论SDCCH上的接通率。

4.5.1接通率原因分析

覆盖盲区、BCCH载频干扰、基站故障等都将导致随机接入失败，这里不再赘述。

GSM-R系统移动终端的呼叫信令过程较复杂，且无线环境存在不确定性，因而接通率往往较难控制。下面以移动终端作被叫时的信令流程为例，分析其中容易出错的几个环节，进行有针对性的讨论。

图1 移动终端被叫A接口信令

1）位置更新导致终端无法响应寻呼或发起呼叫导致接通失败：若寻呼到来时，碰巧被叫MS正在做位置更新，此时MS无法对该寻呼做出响应。这种情况一般发生在铁路局的交界处或位置区边界；

2）MS启动立即指配（Immediate assign）过程时，有可能在RACH信道上与其他MS发生碰撞，如果最大重发次数（max_retrans，可设1，2，4，7）设为1，则容易发生接通失败；

3）A接口拥挤或小区里无TCH供分配导致接通失败；

4）成功分配TCH后接通失败。若手机收到了“分配”消息，那说明A接口和BSC部分都没有发生拥挤，如果手机又回到独立专用控制信道发送“分配失败”消息，则可能由于TCH载频干扰或硬件故障引起的。

5）信令路由指向不合理。信令路由不合理可能导致接续时间过长，将导致呼叫的失败，降低接通率。

4.5.2提高接通率方法

1）解决覆盖盲区、无线干扰、基站故障；

2）确保设备完好率，中继完好率，信道完好率，定期检查，保证设备运行正常。定期对BTS传输质量检查，检查2M口接头等，减少Abis掉话；

3）调整最大重发次数。提高最大重发次数可以提高无线接通率，但是会增加CCCH和SDCCH的负荷。对于GSM-R来说，SDCCH的负荷并不大，因此可以适当提高最大重发次数（4或7次）。

4）提高发送信道请求的时隙间隔（tx_integer），可以减少在RACH上发生碰撞的概率，从而提高接通率。但该方法会延长接续时间。

5）建立合理的路由表：交换机内建立合理的话务、信令路由表。

5 结束语

GSM-R无线网络优化是一个不断对系统参数及硬件设备进行动态调整的过程，修改某个参数可能提高某一性能，同时可能伴随降低其它性能的后果，这就需要来仔细均衡。优化过程中要有详细的记录，应编写优化方案和工作计划表。修改参数时，应事先向铁路局请点实施，并事先得相关通信段的确认，对于影响整个系统的参数的修改要谨慎，以免对系统造成灾难性的后果。优化工作完成以后，应该提交优化前后系统参数、性能比较结果。另外，参数调整并不是一劳永逸的工作，需要根据实际网络运行状态的变化进行调整。

参考文献：

[1] GSM-R无线网络覆盖和服务质量（QoS）测试方法（V1.0）（科技运[2008]170号）.

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[4] 3rd Generation Partnership Project；Technical Specification Group Core Network；Digital cellular telecommunications system （Phase 2+）；Mobile radio interface layer 3 specification（Release 1998） 3GPP TS 04.08 V7.14.0 （2001-09）.