GSMR越区切换算法的仿真与分析

生庆月 蔡娟

摘要：在CTCS3级列车运行控制系统中作为车地信息的传输通道，保证了列车运行的安全。而越区切换的成功与否，关系到列车能否及时接收到来自TCC（Train Control Center，列控中心）的列控信息，并且由越区切换失败引发的掉话故障将导致车地信息传输的中断，危害着列车运行的安全。本文利用Hata模型分析了切换门限值对越区切换的影响。以传统的基于功率估计的提前切换算法为基础，提出了切换算法的优化模型并利用MATLAB9.0进行仿真。通过延迟切换触发的方式，使切换的触发避开了重叠区内发生乒乓效应的影响，从而提高了越区切换的成功率。

关键词：GSMR;CTCS3;越区切换;时延;功率

1 概述

随着我国高速铁路的大规模建设，CTCS3级列车控制系统在我国高速铁路中得到了广泛运用，通信信号一体化的重要性也逐渐凸显。在CTCS3级列车运行控制系统中，GSMR网络提供了安全、可靠的无线环境，利用GSMR无线通信网络进行地车双向数据传输，成为列车在高速下运行的安全、平稳强有力的技术支持。

多数区域的GSMR网络的组网采用线状网络覆盖方式，导致在高速运行状态下的列车发生高频率的越区切换。GSMR网络若采用硬切换技术进行越区切换，每进行一次越区切换将会造成车地通信的短暂中断，从而影响列控数据传输业务，降低了通信质量，将直接影响列车运行安全。因此，研究越区切换对CTCS3级车运行控制系统产生的影响，以及对双层网络中的越区切换进行优化意义重大。

2 GSMR网络的越区切换原理

2.1 越区切换的原理

GSMR网络在铁路沿线的小区中多是采用线状网络覆盖方式，并且半径相对不大，因此列车在高速运行的过程中，越区切换将会频繁地发生。在MS发起呼叫的过程中，MS侧负责对无线网下行链路性能相关参数的测量，以及对邻近小区信号电平的测量;基站侧则负责测量小区内每个被服务MS的上行接收电平，并对链路信号的质量进行评估。当有异常情况被检测到时，基站立刻将告警信号发送给MSC或BSC，MSC或BSC接收到告警信号后会立即寻找一个新的小区或信道，同时触发越区切换。若切换成功，释放原信道，通话继续在新信道上进行[1]。

2.2 越区切换的时延

在2.1节中所提到的切换过程的特点，结合高速铁路上列车切换频繁的特点，进一步对切换过程的四个阶段中所造成的时延进行研究。由MS和BSS共同完成相关数据周期性的测量过程，周期也是固定的，因此其时延也是个定值;触发过程是在BSS内完成的，这一过程的时延包括BSS预处理过程的时延和BSS门限值判决时延，门限值判决的算法较简单其时延可忽略，预处理过程的时延由参数配置和计算方法等两个因素所决定，需要着重研究;选择过程的时延主要为切换执行过程中选择目标小区时产生的时延，取决于BSC的处理能力;执行过程中不同交换点信令交互的复杂程度也是各不相同的，因此其时延也会有所差异。

3 越区切换的仿真分析

3.1 车地通信無线信道模型

3.1.1 路径损耗模型

在900MHz的GSMR网络中，适用于宏小区的无线传播模型有很多种。由于公式化的Hata模型，其计算所需的各种参数相对容易获得且模型简单，因此被广泛使用[2]。

Hata模型市区中值路径的表达式为式（1）：

PLH（dB）=59.55+26.16lgf-13.82lght-a（hr）+（44.9-6.55lght）lgd（1）

在这一算法中，k1、k2的值依实际环境调整。Speed_Static设置为80km/h，在列车运行速度低于Speed_Static时将不采取提前切换策略，MS执行正常的功率估计切换算法;当列车运行速度超过Speed_Static时，MS采用提前切换策略，切换容限随速度动态降低，使MS能够更快切换到目标小区中。列车速度比固定值高K km/h时，动态可调切换容限减小HOMargin_Dynamic_Offset（n）dB，当其值为3dB，式（11）中k1和k2分别取值为k1=200，k2=150，HOMargin（n）=6dB。

3.3 切换算法的仿真与分析

使用MATLAB9.0对切换模型进行数值仿真并加以分析。仿真所需相关参数设置如下：小区半径为R=3km，阴影衰落的标准方差σ=6dB，工作频率f=900MHz，MS天线高度hr=4m，重叠区长度a=600m，基站高度ht=30m[6，7]。

图1是只考虑路径损耗时，相邻两个基站的接收电平随距离变化的信号模型，图中两条曲线的交点表示越区切换的发生。

图1 只考虑路径损耗时的信号模型

慢衰落一般服从对数正态分布，图2是标准方差为6.5dB时服从对数正态分布的阴影衰落模型。

图2 阴影衰落模型

图3是在只考虑路径损耗的信号模型中加入阴影衰落后的信号模型，图中两条接收电平的曲线在重叠区有多处交汇，意味着MS在重叠区将会发生乒乓切换，甚至掉话。

图3 加入阴影衰落后的信号模型

图4和图5分别是中等速度下、高速下切换门限值改进前后的对比图。其中门限值较高的一条函数曲线为优化后的信号曲线。

图4 中等速度下优化前后切换门限值与速度关系

图5 高速下优化前后切换门限值与速度关系

两相邻小区的重叠区的长度是有限的，随着列车运行速度的提高，留给移动台执行越区切换的时间会相对减少，因此越区切换的难度也随之增加。这时，降低切换门限值减小使MS提前进行切换，变相延长可用于执行越区切换的时间，从而提高了越区切换的成功率。

从图4和图5我们可以看出，随着列车运行速度的加快，切换门限值逐渐减小。考虑到阴影衰落的影响，发生乒乓效应的可能性增大，使越区切换的难度随列车运行速度的提高而逐渐提高。改进后提高切换门限值的方式，推迟了MS触发越区切换，这样就实现了推迟向目标小区切换的目的，防止了因乒乓切换而发生的变化，提高了越区切换的成功率。

4 结语

在CTCS3级列车运行控制系统中，GSMR网络为列车信息的传输提供了安全、可靠的传输通道，保障了列车在高速环境下运行的安全。通过建立两种算法的数学模型，利用MATLAB9.0软件对两模型进行了数值计算仿真分析，并得出结论。通过提高切换门限值的方法，减小了乒乓效应发生的可能性，从而提高越区切换的成功率。

随着GSMR网络技术的不断发展与完善，仍有许多诸如小区参数的设置、信道的调试和修正等多方面的问题，需要进一步研究并提出解决方案。

参考文献：

[1]钟章队，李旭，蒋文怡.铁路综合数字移动通信系统（GSMR）.北京：中国铁道出版社，2003：89.

[2]李棍，王喆.无线通信电波传播模型的研究[J].无线通信技术，2008（1）：1012.

[3]黄飞.GSMR承载CTCS3业务的通信质量分析[D].杭州：浙江大学，2010：4450.

[4]黄吉莹，马君，钟章队.客运专线中GSMR越区切换的研究.铁道通信信号，2006，42（5）：5153.

[5]刘小强.GSMR无线网络覆盖实现及越区切换性能研究[D].北京：北京交通大学，2007：2842.

[6]Y Li，Yusong Yan.Fuzzy Logic Based Handoff Decision Algorithm in GSMR Network.Wireless Mobile and senior Network，Shanghai，2007：505508.

[7]南海兰，王湘，钟章队.GSMR网络小区覆盖半径的算法研究.铁道学报，2005，27（1）：6669.

基金项目：2018年，重庆公共运输职业学院，“信号基础设备维护”课程建设与改革（项目编号：YSJG20180505）

作者简介：生庆月（1992—），男，汉族，黑龙江哈尔滨人，本科，助教，研究方向：铁路通信信号;蔡娟（1986—），女，汉族，四川广安人，硕士，讲师，专任教师，研究方向：轨道交通信号自动控制。