基于高性能射线追踪技术的复杂交叉并线场景GSM-R网络优化研究

孙鲁泉，刘静，张玉

GSM-R系统虽然已在铁路应用多年，但GSM-R网络的运维和优化目前仍然面临着巨大的压力［1］。由于遮挡或反射等原因造成信号快速衰落，进而引发信号覆盖等问题，因此需对GSM-R网络进行优化。目前对GSM-R无线网络覆盖、干扰问题的排查，主要是在发现接口检测报告存在疑似干扰或发生无线通信超时事件后，再由工作人员前往现场，采用扫频仪、场强仪等排查频谱数据，对网络是否存在干扰进行分析、判断和优化。网络优化专家根据频谱数据和过往经验做出网络优化决策和方案后，需要工作人员反复进行人工调试和测量，以达到网络优化效果。整个网络优化周期，从明确网络优化需求、分析网络优化问题、做出网络优化决策、实施网络优化方案到验证网络优化效果，需要耗费大量的人力和物力。因此，研究面向GSM-R网络的高精度优化技术，具有迫切的需求，以及重要的研究意义和应用价值［2］。

研究面向GSM-R网络的高精度优化技术需要充分考虑目标优化场景的无线信道特征［3］。高性能射线追踪仿真技术可将抽象的电波传播等效为直观的射线，通过理论和计算实现对无线电磁波传播效果的推演，对仿真场景的无线信道进行精细建模［4］。基于少量实测数据进行校正后，高性能射线追踪模型具备对实际场景中无线信道的准确建模能力，对无线信号在实际场景中的传播特性进行准确表征，进而为无线通信系统性能和覆盖范围的优化提供有力支撑。

在GSM-R网络维护过程中，存在完全并线、三岔路口并线、十字路口并线、铁路与编组站完全并线、铁路与编组站相交并线等多种交叉并线场景［5］。由于线路地形复杂多样，交叉并线区域的网络维护无法完全参考既有网络优化经验 ，且根据具体场景进行分析的难度也非常大［6］，一直以来是GSM-R网络运维的关键难点。

本文以西安北银西高速、西宝高速、西成客专交叉并线区域内的GSM-R网络优化问题为典型案例，研究高性能射线追踪技术在复杂交叉并线场景中GSM-R网络优化的应用，通过充分仿真推演网络投入运行后的各方面性能表现，进而复现GSM-R网络问题、分析网络问题出现的根本原因、提出网络优化方案、预测网络优化效果，弥补基于反复人工调试与测量的网络优化方案效率低的短板，为高铁交叉并线区域GSM-R网络优化提供参考和技术积累。

1 复杂交叉并线场景的GSM-R网络问题分析

1.1 西安北交叉并线场景

基于充分的行业调研，以西安北银西高铁、西宝高铁、西成客专3条铁路线在西安北的交叉汇聚区段为研究场景，进行复杂交叉并线场景的GSM-R网络分析和优化。2023年1～5月，上述区域内的动检车检测数据显示，在该交叉并线区段内发生多起无线信号小区切换异常问题，并引起列车通信质差。以下重点对该复杂交叉并线场景下的GSM-R网络现状和存在问题进行分析。

西安北交叉并线场景线路及基站分布情况见图1。

图1 西安北交叉并线区域线路及基站分布

图1中，基站的BCCH频点编号见表1；红色虚线方框所标识的区域为银西高铁、西宝高铁、西成客专在西安北交叉并线区域，该区域内信号切换涉及3条铁路线的枢纽基站XAB_XYX01（XAB_SHYXLS01）、银西高铁沿线基站ShiHeYangXLS和西宝高铁沿线基站XAB_XYX02。XAB_XYX01位于银西高铁、西宝高铁、西成客专3条铁路线交汇区域，为枢纽基站，即3条铁路线的无线信号在线路交汇区域附近均会接入XAB_XYX01。ShiHeYangXLS与西宝高铁的地理位置较近，该基站会对西宝高铁的信号切换产生干扰。XAB_XYX02与银西高铁线路和西成客专线路距离较近，该基站会对银西高铁信号和西成客专信号在临近线路交汇区域的信号切换产生干扰。

表1 西安北交叉场景中基站的频点编号

因此，在西安北交叉并线区域的GSM-R网络维护过程中，需要重点关注银西高铁沿线基站Shi-HeYangXLS在西宝高铁的信号覆盖，以及西宝高铁沿线基站XAB_XYX02在银西高铁、西成客专的信号覆盖范围和质量。以下将详细对银西高铁、西宝高铁、西成客专线路及沿线基站进行介绍，并基于2023年1～5月动检车异常数据对3条线路的GSM-R网络问题分别进行分析。

1.2 银西高铁网络

银西高铁线路及其沿线基站详细分布情况如图1所示，列车向东行驶至与西宝高铁、西成客专交汇区域为上行行驶方向，反之则为下行方向。在银西高铁现有GSM-R通信系统中，上行方向列车信号设计切换顺序为：SHYXLS_XYB02—SHYXLS_XYB01—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，下行方向列车切换顺序与上行相反。

2023年2～4月，动检车沿银西高铁上行方向行驶，发生了多起信号实际切换顺序与设计切换顺序不符的异常切换问题，异常检测场强见图2。图2中，横轴为高铁线路的公里标，纵轴为动检车接收电平，红色曲线为动检车通信服务小区电平。

图2 银西高铁上行信号切换异常检测场强

由图2可知，在XAB_XYX01的覆盖范围内，其接收电平短暂低于XAB_XYX02，信号切换至XAB_XYX02基站。在无线通信系统的切换保护时间结束后，由于乒乓切换保护时间的限制，信号无法回切至电平最高的基站XAB_XYX01，信号切换至电平次最强的基站SHYXLS_XYB01。

综上，西宝高铁沿线基站XAB_XYX02对银西高铁的信号切换产生了干扰，导致银西高铁上行在XAB_XYX01覆盖范围内信号切换关系混乱。

1.3 西宝高铁网络

西宝高铁线路及其沿线基站分布情况如图1所示，列车向东行驶至与银西高铁、西成客专交汇区域为上行方向，反之则为下行方向。在西宝高铁现有GSM-R通信系统中，上行方向列车信号设计切换顺序为：XAB_XYX03—XAB_XYX02—XAB_XYX01，下行方向列车切换顺序与上行相反。

2023年5月，动检车沿西宝高铁上行方向行驶，发生了信号实际切换顺序与设计切换顺序不符的异常切换问题，异常检测场强见图3。

图3 西宝高铁上行动检车信号切换异常检测场强

由图3可知，在XAB_XYX02向XAB_XYX01切换的区间内，银西高铁线路上ShiHeYangXLS的接收电平高于西宝线上的XAB_XYX02和XAB_XYX01。西宝高铁的信号实际切换顺序为：XAB_XYX02—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，且信号在切换至ShiHeYangXLS后列车通信质量变差。

综上，银西高铁沿线基站ShiHeYangXLS在西宝高铁存在过覆盖问题，导致西宝高铁上行信号切换异常。

1.4 西成客专网络

西成客专线路及其沿线基站分布情况如图1所示，列车向东行驶至与银西高铁、西宝客专交汇区域为上行行驶方向，反之则为下行方向。在西成高铁现有GSM-R通信系统中，上行方向列车信号设计切换顺序为：XAB_XAX02—XAB_XYX02—XAB_XYX01，下行方向列车切换顺序与上行相反。

2023年2月，动检车沿西成客专下行方向行驶，发生了信号切换滞后导致通话质量变差的问题，异常检测场强见图4。

由图4可知，在XAB_XYX01向XAB_XYX02切换的区间内，XAB_XYX01和XAB_XYX02接收电平相对接近，信号切换没有成功。当信号成功从XAB_XYX01切换至XAB_XYX02时，动检车已经离开XAB_XYX02的覆盖区域，到达了XAB_XAX02的覆盖范围内。由于在列车的切换保护时间限制内，信号无法立即切换至XAB_XAX02，列车通信的服务小区为XAB_XYX02，而XAB_XYX02接收电平不断降低，导致通话质量变差并最终掉话。

综上，西宝高铁沿线基站XAB_XYX02与枢纽基站XAB_XYX01在西成客专信号之间的相对关系引起了信号切换滞后，进而导致西成客专通话质量变差。

1.5 西安北交叉并线无线覆盖问题小结

西安北交叉并线区域内，银西高铁上行、西宝高铁上行、西成客专下行均发生信号切换异常问题，且动检车异常检测数据反映的信号切换异常的原因是银西高铁沿线ShiHeYangXLS和西宝高铁沿线XAB_XYX02的信号覆盖欠合理所致，具体表现为：银西高铁信号在交叉并线区域切换至西宝高铁沿线XAB_XYX02后信号切换关系混乱；西宝高铁信号误切换至银西高铁沿线ShiHeYangXLS；西成客专从XAB_XYX01至XAB_XYX02的信号切换滞后。西安北交叉并线区域的信号切换异常问题实际为基站覆盖问题，因此需要对该区域进行准确的无线信道建模，复现上述基站覆盖问题，寻找优化方案。

2 基于射线追踪技术的交叉并线问题复现与优化

2.1 高性能射线追踪技术

首先使用GIS电子地图构建西安北交叉并线区域的地形、地物、建筑；然后使用Sketchup进行建模，构建场景中特有的高架桥结构［7］。

高性能射线追踪仿真模型将抽象的电波传播等效为直观的射线，构建西安北交叉并线场景中的电磁信号传播环境，推演出发射机与接收机之间的无线信号传播路径，对无线信道进行建模［8］。建模时需要以一定测量数据为参考，通过对三维场景模型的几何参数、材料电磁参数，以及传播机理模型的特征参数等多目标进行联合校正，提升射线追踪对仿真场景无线信道特征参数的估计精度，以及射线追踪技术的泛化能力，为基于高性能射线追踪的GSM-R网络维护提供前提条件［9］。在福银高速和西安绕城高速进行数据测量，获取银西线沿线基站ShiHeYangXLS和西成客专沿线基站XAB_XAX02的信号接收功率。之后根据西安绕城高速与西成客专线路地理位置接近区域的测量数据对射线追踪模型进行校正。

通过射线追踪校正技术调整射线追踪仿真传播机理参数，确定在西安北交叉并线场景中传播模型为：直射、透射、绕射、一阶反射、一阶散射。在此基础上，通过西安绕城高速和福银高速测量数据对该场景中的材料电磁参数进行校正，校正后参数见表2。

表2 射线追踪校正后西安北交叉并线场景材料电磁参数

以校正后的材料电磁参数为仿真输入，在使用材料电磁参数校正相同的传播模型的条件下，进行射线追踪仿真，仿真结果与实测数据的对比结果见图5。

图5 射线仿真结果与实测数据对比

由图5（a）可见，银西高铁线的仿真结果与实测数据误差均值为-0.67 dB，均方根误差为7.81 dB；由图5（b）可见，西成客专线仿真结果与实测数据误差均值为2.82 dB，均方根误差为6.22 dB。银西高铁线和西成客专线仿真结果满足与测量数据间误差均值小于3 dB、均方根误差小于8 dB的精度要求，表2中的材料电磁参数能够用于复现西安北交叉并线区域的信号覆盖情况。

2.2 基于高性能射线追踪的GSM-R网优方案

基于高性能射线追踪的GSM-R网络优化方案，以地图、结构模型、基站参数为基础，构建GSM-R网络所在实际物理空间的电磁环境［10-11］，通过校正后的高性能射线追踪模型仿真完成无线信道的准确建模，进而计算覆盖指标，充分仿真推演网络投入运行后的各方面性能。基于高性能射线追踪技术的GSM-R网络优化方案见图6，实施过程如下。

图6 基于高性能射线追踪技术的GSM-R网络优化方案

Step 1以地图、结构模型构建的西安北交叉并线三维场景模型及基站参数信息为基础，进行高性能射线仿真，预测场景覆盖指标，复现西安北交叉并线区域内的异常检测场强。

Step 2根据可视化的高性能射线仿真结果，分析西安北交叉并线区域内信号切换异常问题出现的根本原因。

Step 3根据分析结果，调整基站参数，重新进行射线仿真，预测调整后场景中的信号覆盖情况，提出网络优化方案。

2.2.1 问题复现

基于校正后的高性能射线追踪模型仿真完成无线信道的准确建模，并对西安北交叉并线场景中，银西高铁线上行方向、西宝高铁线上行方向、西成高铁线下行方向出现切换异常的信号覆盖情况进行复现，复现结果见图7。

图7 西安北交叉并线区段信号覆盖情况复现结果

由图7（a）可见，银西高铁上行方向，在XAB_XYX01覆盖区域内，XAB_XYX02的接收功率短暂高于XAB_XYX01，信号存在切换至XAB_XYX02的风险。若无线信号切换至XAB_XYX02，信号会在乒乓切换保护时间内切换至接收功率次最强的SHYXLS_XYB01，在切换保护时间结束后切换回XAB_XYX01，信号切换关系混乱。图8展示了银西线上行的实际切换顺序为ShiHeYangXLS—XAB_XYX01—XAB_XYX02—SHYXLS_XYB01—XAB_XYX01，而非GSM-R网络系统中设计的通信服务小区一直为XAB_XYX01。

图8 银西高铁上行方向信号异常切换顺序

由图7（b）可见，西宝高铁上行方向，在信号从XAB_XYX02基站向XAB-XYX01基站切换的区间内，XAB_XYX02、XAB_XYX01、Shi-HeYangXLS基站接收功率之间的相对关系与动检车测量结果一致，ShiHeYangXLS基站的接收电平高于西宝线上的XAB_XYX02、XAB_XYX01。图9展示了西宝高铁的信号实际切换顺序为XAB_XYX02—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，而非GSM-R网络系统中设计的通信服务小区从XAB_XYX02切换至XAB_XYX01，且列车通信质量在切换至ShiHeYangXLS变差。

图9 西宝高铁上行方向信号异常切换顺序

由图7（c）可见，西成客专下行方向，在信号从XAB_XYX01基站向XAB_XYX02基站切换的区间内，XAB_XYX01、XAB_XYX02、XAB_XAX02接收功率之间的相对关系与动检车测量结果一致。图10展示了西成客专下行方向的信号实际切换顺序为XAB_XYX01—XAB_XYX02—XAB_XAX02，与设计切换顺序一致。由于在信号切换区域内，XAB_XYX01、XAB_XYX02的接收功率相对接近，信号成功从XAB_XYX01切换至XAB_XYX02时，列车实际位置已经离开了XAB_XYX02的覆盖区域，到达了XAB_XAX02的覆盖范围内，会引起切换之后导致的通信质差。

图10 西成专客下行方向信号切换顺序

综上所述，西安北交叉并线区域的射线追踪仿真得出的银西高铁、西宝高铁、西成客专各基站间信号接收功率相对关系与动检车测量结果一致，银西高铁上行、西宝高铁上行均存在信号切换异常问题，西成客专下行会发生信号切换滞后引起的通信质差问题。

2.2.2 网络优化

西安北交叉并线区域内，银西高铁上行和西成客专下行的信号切换异常问题主要原因是西宝高铁沿线基站XAB_XYX02的覆盖范围过大，西宝高铁的切换异常问题主要原因是银西高铁沿线基站ShiHeYangXLS覆盖范围过大。因此，可以通过降低XAB_XYX02和ShiHeYangXLS发射功率，缩小基站覆盖范围，进行网络优化。优化后，银西高铁、西宝高铁的信号切换均会按照原本设计顺序进行切换。而由于西成客专XAB_XYX01的覆盖区域包含了XAB_XYX02的覆盖区域，且信号强度整体优于XAB_XYX02，因此，降低XAB_XYX02功率将使信号不再切换至西宝高铁的XAB_XYX02，西成客专原设计切换顺序优化为仅切换至沿线基站，不会引起其他覆盖问题。

降低XAB_XYX02和ShiHeYangXLS发射功率，对西安北网络覆盖范围进行调整后，西安北交叉并线区域的信号覆盖预测结果见图11。

图11 优化后西安北交叉并线区段信号覆盖情况预测结果

由图11（a）可见，银西高铁上行方向，在XAB_XYX01覆盖区域内，XAB_XYX02的接收功率降低，信号不会切换至XAB_XYX02；Shi-HeYangXLS直接切换至XAB_XYX01，该区段的信号切换不再经由XAB_XYX02。至此银西高铁的信号切换顺序混乱问题得以解决。

由图11（b）可见，西宝高铁上行方向，在XAB_XYX02和XAB_XYX01信号切换区域附近，ShiHeYangXLS的接收功率降低，西宝高铁信号不会切换至银西高铁的ShiHeYangXLS。信号先后接入XAB_XYX02、XAB_XYX01，信号切换顺序正常，且服务小区接收功率在-60 dB以上，西宝高铁的信号覆盖正常，过覆盖导致的切换错误问题得以解决。

由图11（c）可见，西成客专下行方向，XAB_XYX02的接收功率降低，该区段的信号切换不再经由XAB_XYX02，且在信号切换发生区域内，服务小区不会发生信号质差问题；列车信号会直接从XAB_XYX01切换至XAB_XAX02，切换滞后引起的信号质差问题得以解决。

综上，通过调整基站发射功率，银西高铁上行、西宝高铁上行、西成客专下行的列车信号只切换至行驶线路的沿线基站，符合优化设计目标。

3 结论

1）本文分析了西安北银西高铁、西宝高铁、西成客专交叉并线区域内的GSM-R网络发生的列车信号切换异常问题，并提出基于高性能射线追踪的GSM-R网络优化方案。通过基于实测数据校正后的高性能射线追踪模型，对西安北交叉并线区域内的基站在银西高铁、西宝高铁、西成客专的无线信号覆盖情况进行了仿真。仿真结果复现了银西高铁上行方向切换关系混乱问题、西宝高铁上行方向过覆盖导致的异常切换问题、西成客专下行信号切换滞后问题。基于准确和可视化的覆盖仿真结果，分析得出调整西宝高铁XAB_XYX02基站和银西高铁ShiHeYangXLS基站发射功率的优化方案，并对优化后的信号覆盖范围进行了预测。

2）基于射线追踪的仿真预测结果表明，通过调整发射功率，缩小基站的覆盖范围，银西高铁、西宝高铁、西成专客的信号将仅切换至沿线基站，西安北交叉并线区域的信号切换异常问题从根本上得以解决。本文提出的基于高性能射线追踪的GSM-R网络优化方案，弥补了基于反复人工调试与测量过程网络优化方案效率低的短板，可为其他区域内的交叉并线问题提供参考。