GSM-R无线网络优化施工技术分析

廖明明



GSM-R无线网络优化施工技术分析

廖明明

中国铁建电气化局集团第一工程有限公司，河南 洛阳 471013

铁路运输在我国社会经济发展中发挥的作用越来越大。GSM-R系统作为铁路系统移动通信的一项专用系统，在确保铁路运输过程中的高效性和安全性方面起着重要作用。结合施工过程中对GSM-R网络优化的实例，从GSM-R网络的无线覆盖、干扰、切换等方面对GSM-R网络中存在的问题进行了分析，阐述了GSM-R无线网络优化施工技术等方面的内容。

铁路通信；GSM-R系统；无线网络优化

引言

在GSM-R无线网络的施工过程中，由于铁路移动无线通信系统（以下简称GSM-R）的特点，GSM-R无线网络时常存在无线覆盖不达标、外界频率干扰、频繁切换等问题，这就要求我们采取有效的施工方法，提高GSM-R网络运行的可靠性和稳定性，确保铁路行车安全。

1 铁路无线通信对GSM-R系统的要求

GSM-R系统与公网GSM系统存在以下不同：

（1）越区切换频繁：铁路无线通信的覆盖属于带状覆盖，按照列车运行速度250 km/h，小区覆盖距离为4 km来计算，平均57.6 s就切换一次。

（2）多普勒效应严重：当列车速度为300 km/h、载频为900 MHz时，最大多普勒频移可达到250 Hz。如果不能很好地克服，就将影响系统信息传输的误码率，造成无线传输质量下降。

上述不同对GSM-R提出了与GSM系统新的、不同的要求：（1）GSM-R系统应具有在铁路沿线高速、高效切换的能力；（2）GSM-R系统应能够将铁路沿线恶劣的自然环境对于铁路移动通信系统的影响降至最低。

我们在施工中应严格按照施工标准进行施工，同时在基础施工完毕后，加强对铁路无线通信系统的无线网络优化[1]。针对GSM-R无线网络的特点，对各项指标进行优化，确保GSM-R系统运行正常。

2 GSM-R无线网络优化的目的及内容

移动通信的性能主要受到无线传播环境的影响。由于铁路MS随时移动，导致无线信道传播环境随时变化，MS可能处于客运车站等繁华城区，也可以处于隧道、桥梁、沟堑等地形复杂的区域，因此在GSM-R系统中无线电磁波的传播路径异常繁复。在施工过程中GSM-R无线网络优化的目的主要是对无线覆盖弱场区或盲区、同频邻频干扰、异常频繁切换等问题予以解决，使GSM-R系统质量达到最佳状态。

GSM-R无线网络优化的内容主要有：

（1）无线覆盖情况优化：主要是对无线网络覆盖情况进行优化，使无线覆盖达到覆盖指标。

（2）无线频率干扰优化：包括网络同频和邻频干扰问题的解决。

（3）无线资源管理优化：切换参数、小区选择参数、基站功率参数和各类计时器参数的优化。

3 GSM-R无线网络优化方法

3.1 GSM-R系统介绍

（1）本工程在克拉玛依站新设BSC、PCU各1套，在乌鲁木齐核心网机房新设TRAU1套，BSC／PCU通过TRAU设备接入既有核心网。

（2）无线覆盖采用单层网络覆盖方案，沿铁路线设置13座基站。基站与基站控制器之间采用E1环形连接方式，每个E1环一般连接3～4个基站。GSM-R天线采用定向天线，天线固定在45 m铁塔的天线固定支架上，在天线与馈线、馈线与基站收发信机间都通过软跳线电缆转接，基站的馈线采用7/8″电缆[2]。

（3）本工程在克拉玛依站网管室新设OMC-R1套，用于管理本工程新设13套BTS、1套BSC、1套PCU、1套TRAU设备。

3.2 GSM-R系统优化

3.2.1无线覆盖情况优化

无线覆盖情况是无线通信的基础。如果无线覆盖情况不好，那么无线通信无从谈起。但是无线覆盖不是越强越好，无线覆盖场强满足：机车顶部天线接收信号门限电平值Prmin为-98 dBm（地点覆盖率为95%）。

施工中无线覆盖不达标存在的原因主要有：

（1）地形复杂，无线传播衰耗变化较大，导致移动台接收质量不达标。

（2）天线倾角或方位角安装不符设计要求，或者是设计角度与现场地形不符。

针对以上原因，在无线覆盖情况不达标时优化的方法有：

（1）首先查看该基站覆盖区内的地形，再结合场强测试结果，重点分析无线覆盖不满足的要求地段。根据无线电波传播模型，预估此地段无线电衰耗。根据预估值判断是否需要调整基站发射功率或者天线角度。

3.2.2无线频率干扰优化

无线频率干扰方面，虽然在项目建设初期进行了电磁环境测试，但是在施工调试时仍遇到过许多公网频率干扰的情况[3]。

频率干扰判定准则为（工程上）：同频载干比C/I≥12 dB；邻频载干比C/I≥-6 dB。

针对频率干扰的优化的方法有：

对于是否存在同频、邻频干扰，可采用Hata模型先做无限连路预算。路径损耗公式为：

3.2.3无线资源管理优化

无线管理资源优化是确保无线通信畅通的关键。在列车高速运行过程中对切换的频次和质量要求很高，这就要求我们在无线管理资源方面要重点提高切换性能。影响切换性能的原因主要有以下几个参数：上下行质量接收门限，上下行链路边缘切换门限，乒乓切换保护时间，切换判决（次）及距离切换门限。

（1）质量接收门限和链路边缘切换门限的关系。对于常规性切换，通常都是以接收电平为标准的。较好电平下的质量恶化，通常来说都被称为挽救性切换。干扰等因素，导致在较好电平下没有因边缘性切换而发生小区改变，而是质量突然恶化使得BSC认为当前小区无法保持手机良好通话状态，从而命令手机发生切换。

（2）RUN_HANDOVER。它规定了进行切换判决之前BSC在上次切换判决后需要收到报文信息的次数累加。只有当报文信息次数可以被RUN_HANDOVER等分，而又无呼叫清除及功率控制判决需求时，将进行切换判决算法。取值范围为1～31，单位为SACCH的帧长，参考值为2。其中乒乓切换保护时间和切换判决次数亦根据RUN_HANDOVER设置[3]。

（3）距离切换容限（HOMARGINDIST）。当移动用户上报的TA值大于距离切换容限后，并且当邻小区电平高于服务区电平容限值时便进行切换。距离切换容限参数的设置不宜过小，若设置过小可能引起乒乓切换。

小区选择参数主要有：MS允许接入的最小接收电平、小区重选偏置（步长）。

（1）MS允许接入的最小接收电平是针对MS接入而言的,即只有当下行信号达到这个参数的要求时才允许MS接入GSM-R网络。MS允许接入的最小接收电平以十进制表示，取值范围为47～110，该工程设备默认设置为105 dBm。

（2）小区重选偏置（CELL_RESELECT_OFFSET）它表示对C2的人为修正值，以十进制数表示，单位为dB，取值范围为0～63，表示0～126 dB（以2 dB为步长），默认值为0。

基站功率参数主要是指基站发射功率值。

定时器参数主要有：T3101、T3103、T3107、T3109、T3122计时器参数。

（1）T3101：用于控制立即分配过程耗时的BSC计时。在立即指派过程中，BSC要求BTS提供SDCCH以建立信令通道。T3101参数格式采用十进制，参考值为3 s；取值范围为0～255 s。此计时器的参数设置不宜过大。

（2）T3103：基站控制器按照此参数规定小区保留业务信道的时间。业务信道保留小区是指切换发起小区和目标小区。T3103参数格式采用十进制，参考值为5 s；取值范围为0～255 s。此计时器参数不宜设置过大，一般设置10 s。

（3）T3107：为了让业务信道保持一定的时间，以便移动台可以返回原信道。在移动台的分配过程中，基站控制器将触发T3107计时器，在收到基站收发信机发出的分配完成信息时T3107计时器复位。T3107参数格式采用十进制，参考值在信道资源充足时取10 s、在信道资源紧张时可降至5 s；取值范围为0～255 s。

（4）T3109：BSC根据计时器T3109对SACCH的拆除过程限时。T3107参数格式采用十进制，参考值：12 s，大于Radio Link Timeout的值；取值范围为0～255 s。若T3109太小，就会出现Radio Link Timeout还没到时，即无线链路尚未释放，而对应的无限资源已被用于重新分配；若T3109太大则会造成系统资源的浪费[4]。

（5）T3122：是在移动用户在请求信道申请失败后，重新发起信道请求的时间。T3122参数格式采用十进制，参考值为10 s。

4 GSM-R无线网络优化在实际工程中的应用

4.1 无线覆盖弱场

如图1所示，BLBG03-ALT03至BLBG-ALT02区间中间位置切换点区域出现明显弱场。

图1

（1）原因分析：距离BLBG-ALT03基站TA=4处电平出现陡降，弱场持续至距离BLBG-ALT04基站TA=6；根据03基站电平快衰的现象，此处弱场应为地形原因所导致，需要现场查看地形。

（2）处理方法：将03和02基站的对向天线均上抬3°，功率提升至43 dBm，若03基站位于山顶则03基站天线暂时保持不动。02基站天线向弯道处调整10度配合现场测试，查看电平是否有所改善。

复测结果如图2所示：

图2

通过调整天线及提升BLBG-ALT02、03的功率，弱场处较处理前测试数据改善约10 dB，切换点场强值＞-85 dBm,未见高质差点，改善效果明显。此处轨道处于两个山坡之间，受地形遮挡，电平快衰落无法避免但快衰落点上BLBG-ALT01基站电平强度保持稳定，从应用角度可以考虑添加03向01基站的切换关系做为此快衰落点的应急切换，伴随列车前行，车载台会正常切回BLBG-ALT02基站[5]。

4.2 频繁切换

如图3所示，在BLBG-ALT02与BLBG-ALT01区间出现频繁切换（乒乓切换）现象。

图3

（1）原因分析：目前两站之间的切换门限为8 dB，并且因为当地形原因导致02基站电平快衰落是向01基站的切换滞后。

（2）处理方法：将BLBG-ALT01基站向阿勒泰方向天线向上抬3°同时功率提升至43 dBm，切换门限恢复4 dB。

复测结果如图4所示：

图4

通过调整后切换点处BLBG-ALT01场强值高于-60 dBm，说明天线调整和基站功率提升改善较大，频繁切换现象消除。后期根据无线网络运行情况考虑将BLBG-ALT01基站功率适当下调。

4.3 频率干扰

如图5所示，在BT-BLBG04向BT-BLBG03区间出现频繁切换（邻频干扰原因导致）现象。

图5

（1）原因分析：BT-BLBG04向BT-BLBG03基站切换出现问题，由于BT-BLBG05基站的BCCH1002电平出现强复苏，04向05基站回切后没有03基站邻区导致最终质差掉话。

（2）处理方法：按照编号方案频率分配，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都出现了邻频干扰，从而导致05的频点复苏，导致误切。建议将BT-BLBG05基站执行改频1002&1009改为1015&1013，复测。

复测结果如图6所示。

通过调整后，邻频干扰现象消除，但是仍存在因不正常切换导致的掉话现象。

（1）原因分析：BT-BLBG04向BT-BLBG03基站切换由于测试台回切BT-BLBG05导致回切掉话。

图6

（2）处理方法：05基站已经完成改频排除了邻频抬升，但05基站场强在切换点后仍然强于04基站电平，说明05基站向小里程方向过覆盖严重。需要对05基站小里程方向天线进行适当的调整，初步考虑下压倾角6°。

再次复测结果如图7所示。

图7

经过对BT-BLBG05小里程天线的下压，改善明显，04基站未再向05基站回切，测试台正常切换至03基站。

5 结束语

紧跟设计技术创新，紧贴现场施工实际，以关键技术、关键工序为研究对象，从无线覆盖标准要求出发，消化吸收国内先进的施工技术与经验，对GSM-R无线通信系统进行了优化。从施工准备、操作方法及质量控制、安全、环保措施及注意事项等方面制定了详尽、切实可行的规定和措施，针对性强、要求具体、措施得当、图文并茂、可操作性强，对于同类项目的施工具有重要的借鉴意义和指导作用，有力地推动了工程整体进展，极大地提高无线网络覆盖面，保证了工期、质量和系统安全。

[1]吴静.集包四线特殊地段无线覆盖研究[J].铁道标准设计，2013（4）：111-115.

[2]姜笑.铁路GSM-R系统电磁环境测试的分析与对应策略[D].北京：北京邮电大学，2011.

[3]钟章队，吴昊，李翠然，等.铁路数字移动通信系统（GSM-R）无线网络规划与优化[M].北京：清华大学出版社，北京交通大学出版社，2012.

[4]贺晓星.高速铁路GSM网络优化方案设计[D].北京：北京邮电大学，2011.

[5]乔珩.GSM-R无线网络测试系统的设计与实现[D].武汉：华中科技大学，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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