哈大客专GSM-R系统工程网络优化研究

2013-05-08刘盛尧

铁路通信信号工程技术 2013年1期

刘盛尧

（北京全路通信信号研究设计院有限公司，北京 100073）

刘盛尧，男，硕士毕业于北京交通大学，工程师，哈大客专GSM-R系统集成负责人。主要研究方向为GSM-R系统集成及设计，曾参与大秦2亿t扩能改造工程、京沪高铁等项目。

1 概述

哈大客运专线线路正线全长893 km，贯穿东北三省，是我国中长期铁路规划中“四纵四横”高速铁路网的“一纵”，为世界上第一条投入运营的穿越高寒地区的高速铁路。哈大客运专线采用了先进的CTCS-3（以下简称C3）级列车控制系统，GSM-R系统负责承载C3列控业务数据车地间的传送，因此对GSM-R系统网络指标提出了更高的要求，全面细致的网络优化工作是GSM-R系统网络指标能否满足要求的保障。

2 网络优化前提

网络优化是使GSM-R网络各项指标满足承载业务的要求，但无法客服设计上的缺陷，因此合理的设计是网络优化的前提。

2.1 合理的基站设置

C3级铁路的GSM-R网络不仅需要保证正常情形下的场强覆盖及服务质量，而且需保证传输无差错时间（传输恢复时间）大于20 s，如果站距过小将从根本上无法满足这一指标要求，站距过大会影响到覆盖场强，通过

理论计算站距应大于2 km，再考虑切换触发地点的不确定性，还应适当加大，因此站距可控制在3 km左右。哈大客运专线正线GSM-R数字移动通信系统基站子系统采用单网交织的覆盖方案，基站平均站距约为2.8 km，允许在单点故障的情况下仍然能够满足通信要求。

2.2 合理频率规划

GSM-R系统频段带宽4 M（上行885-889 MHz，下行930-934 MHz），可用频点19个，C3级铁路GSM-R数字移动通信系统基站子系统目前主要采用单网交织的覆盖方案，由于可用频点有限，这就对频率规划提出了更高的要求，不但要考虑邻站的频率关系还要考虑隔站（奇数站、偶数站）的频率关系，以避免网内干扰。哈大客专GSM-R频率规划采用7频组的方式，如表1所示，可有效的避免网内干扰，备用频点5个，便于车站、枢纽等频点需求量大区段的频率规划。

2.3 合理的天馈线设置

哈大客专采用的基站天线型号是凯瑟琳 80010203v01，为17 dBi双极化天线，水平波瓣宽度为65°，垂直波瓣为9.3°，由于天线的主要辐射方向为其主瓣方向左右，增益降低3 dB时的一个夹角（即半功率角），因此其所覆盖的范围，应该是主要的覆盖目标，因此天线的方位角需根据线路走向并结合单网交织覆盖的需要进行设置。

表1 7频组频点列表

GSM-R天线挂高要综合考虑地形、线路、站距等综合因素，按照几何学原理，在天线挂高一定的情况下，半功率角与轨面相交的点与基站间的相对距离如表2所示。

可见，下倾角为0°或2°时，整个半功率角辐射出的能量并不能完全投射向轨面，部分能量向天空（水平面以上方向）辐射，不仅对基站输出能量造成了浪费，且容易导致远处的覆盖较强而形成越区覆盖；当下倾角设置为6°或8°时，半功率角辐射出的全部能量投射向轨面，且能量主要集中于160～1273 m的范围内（6°下倾角）或134～513 m的范围内（8°下倾角）；并且还要考虑到车载天线高度（约4.5 m）；综合考虑哈大客专GSM-R天线初始下倾角为4°。

表2 半功率角与轨面交点距离统计表

合理的天馈线设置可以大大减少网络优化过程中天馈线调整的工作量。

3 测试系统

哈大客专GSM-R网络优化的测试系统是基于铁路行业标准测试方法，结合客运专线网优实际工作以及C3试验测试的具体需求而形成的，主要应用于 GSM-R 网络服务质量（QoS）检测、优化、维护方面的QoS测试、路测综合信息的采集和实时分析、以及无线网络覆盖等工作。系统结构及用户终端组成如图1所示。

4 网络优化工作

4.1 网络优化内容

哈大客专GSM-R系统工程网络优化主要包括3个部分内容。

第一部分，干扰优化：通过搭载轨道车测试以及现场定点测试，排除外部干扰对GSM-R系统的影响；通过测试数据比对、设备参数调整排除内部干扰对GSM-R系统的影响。

第二部分，低速状态下的网络优化：通过搭载低速轨道车，对无线场强覆盖指标进行优化，按照测试、调整、复测步骤循序进行。

第三部分，高速状态下的网络优化：通过搭载高速动车，对全数及半数（奇数、偶数）基站非列控类业务指标和列控类（CSD）业务指标进行优化。按照测试、调整设备参数及天馈线、复测逐步完成。

4.2 干扰优化

哈大客专GSM-R系统的干扰优化工作贯穿于网络优化工作的始末，以下将从外部干扰优化、内部干扰优化两方面介绍。

4.2.1 外部干扰优化

1）优化测试

由于工程周期长，电磁环境测试进行的时间较早，为深入了解网络当前的状态，网优工作开始前对全线的电磁环境重新做了一次测试，测试结果表明大部分区段的均在-95 dBm到-100 dBm之间，已无明显的带内干扰，可以满足网络优化的需要。

随着哈大客专的临近开通，各公网运营商为提高其服务质量在铁路沿线新建了大量基站，这些基站都距离铁路较近（500 m以内），并且为避免高铁车体损耗而使用高功率载频板和高增益天线，导致GSM-R网络收到非常强的外部信号而自身解调灵敏度下降，在网优测试过程中发现这些基站虽没有占用GSM-R专用频段，但却在邻近区段出现由于质差而导致的掉话、Trec、Tti不达标等问题。

在频繁出现问题的地点，使用测试设备加装定向天线朝向公网基站进行呼叫测试，此时，主叫电平-54 dbm，质量持续6-7级，如图2所示。

定向天线背向公网基站，主叫电平-53 dbm，质量持续0级，如图3所示。

经过与无线电管理委员会及公网运营商协商适当降低此站铁路方向发射功率后，解决了此处质差的问题。

2）解决措施

由于无线电波是在一个开放的环境下传输，要想彻底消除干扰的影响是无法做到的，只能通过有效的手段降低影响，在网络优化过程中进行了大量的测试，经过对数据的对比分析得出可以通过如下手段消除或降低干扰的影响。

* 排除网外干扰

对高铁沿线进行全面的电磁环境测试，排除占用GSM-R专用频段的现象；排查铁路沿线是否存在直放站设备，直放站设备会造成全频段的干扰；对于高铁沿线覆盖的公网基站，建议运营商适当降低发射功率；建议沿线各运营商对于高铁测试中发现存在器件老化等设备问题的基站进行设备整改（加装滤波器）或更换。

* 调整网络参数

调整频点，通过分析测试数据，修改现网频点以避开干扰；频点优选，通过网络参数调整，优先占用没有受到干扰的频点；调整切换门限，通过调整切换门限改变切换区域的位置以避开干扰对切换的影响。

4.2.2 内部干扰排查

由于直放站本身的接受能力以及设备的底噪影响，在测试中发生各别直放站的上行质量差，导致无线链路连接失败。如图4所示，上行通信质量持续7级。

通过比对分析，有可能与直放站上行增益设置过大有关，将直放站的上行增益降低3 dB后，再无质差现象，测试结果显示上行质量0级，如图5所示。

4.3 低速网络优化

低速网络优化通过搭载低速测试车对全线覆盖性能进行了摸底测试进一步规范网络参数，通过调整使GSM-R网络覆盖更趋合理，为高速网络优化打下良好的基础。

4.3.1 工参核查

对哈大客专所有BSC设备的小区LAC、CI、频点、BSIC以及邻区添加等各项参数进行全面核查；同时打开网管系统全速率上行语音质量测量、载频干扰带测量，使用本地维护终端对全网小区在GSM-R频段内进行主分集频点扫描，对所有小区的上行干扰带情况进行了统计分析，以保证GSM-R无线环境良好；设定合理的基站发射功率，因为发射功率过大不仅对设备性能有影响还易产生越站干扰，发射功率过小会导致覆盖场强不足，通过对测试数据分析并结合以往线路经验，哈大客专GSM-R基站发射功率设置为40 W。

4.3.2 天馈系统调整

在无线网络优化中，天线下倾角、方位角调整是一种常见的重要手段，通过天线的下倾角、方位角的调整，使得天线的主瓣朝向在垂直面、水平面上发生全方位的改变，使得天线辐射能量的分布在其覆盖区域内发生变化，以获得期望的无线覆盖效果。测试结果表明，由于现场的地形原因，以及部分基站的选址受制于现场客观环境的限制，其间距不够均匀，导致部分基站的覆盖不够理想，个别基站的覆盖过远或过近，因此通过天线下倾角、方位角调整以保证全线的基站覆盖场强连续性和稳定性。

如图6所示，DHX-FYB17大里程方向覆盖过远，与DHX-FYB18切换点位置靠近DHXFYB18，且过DHX-FYB18站后DHX-FYB17电平仍然很强，DHX-FYB17大里程方向覆盖过远，存在越区覆盖现象，将DHX-FYB17北向下倾角下压2°由4°调整为6°，方位角由20°调整为30°。

调整完后，登车复测DHX-FYB17覆盖正常，如图7所示。

4.4 高速网络优化

高速网络优化工作中的目标和原则是：使全线无线网络在覆盖合理前提下实现参数的合理配置，最终达到指标要求。

4.4.1 高速环境下多普勒效应的影响

基站与移动台的相对速度会引入随机的频率调制，这是由于存在多普勒效应的影响，考虑GSM-R所采用的900 MHz频率并按照车速350 km/h来计算，则最大多普勒频移为291.7 Hz，多普勒效应导致了接收信号的失真，使得接收信号的频谱发生扩展，因此会导致误码率的瞬间提高，表现为出现传输干扰的概率相应增加。哈大客专使用的GSM-R基站设备采用了自动频率校正算法（AFC，Automatic Frequency Correction），该算法是针对快速移动特点而设计的，使移动台在500 km/h的条件下能够高可靠性的保证无线链路的稳定链接，保证通信业务不中断和优质的通话质量。

4.4.2 天馈系统调整

对高速环境下发现的明显覆盖问题及切换不合理区域，同样可以通过现场天馈调整的手段进行优化。

4.4.3 参数优化

高速网络优化其中最主要的工作是切换参数优化，切换参数优化主要考虑两次切换的间隔应大于20 s（350 km/h时，按照2 km考虑）、切换位置相对均匀、无回切或乒乓切换现象。需要特别说明的是，对于高速环境和低速环境，参数设置的具体数值有较大不同，例如小区间切换磁滞和切换门限，高速时希望切换尽早发生，避免“犹豫不决”的切换判定，导致切换发生到下个基站附近，因此这两个参数都应设得较小；而低速时则希望切换的判定更加“谨慎”，避免乒乓切换，因此这两个参数都应设得较大。在高速网络优化的优化中，是以高速列控业务为主，因此参数设置都依据高速环境。

但参数优化只是对网络的“精雕细琢”，对于明显的覆盖问题还需要调整天馈线来优化。

1）Trec小于20 s优化案例

通过测试数据可以发现，ASX-LY05和ASXLY06之间，占用ASX-LY05时间短导致Trec时间小于20 s。调整前统计指标如表3所示。

表3 调整前Trec时间

将ASX-LY04对ASX-LY05的出小区切换磁滞由4调整为2，出小区切换门限由68调整为66。调整后ASX-LY05占用时间大于20 s，Trec值满足要求。调整前统计指标如表4所示。

表4 调整后Trec时间

2）乒乓切换优化案例

测试车在沈阳—大连方向行驶，行至YKDXJHXLS07小里程方向，YKD-XJHXLS07与YKD-XJHXLS06发生乒乓切换。分析测试数据认为，YKD-XJHXLS06向YKD-XJHXLS07方向切换较容易发生，因此占用YKD-XJHXLS06后回切至YKD-XJHXLS07，如图8所示。

将YKD-XJHXLS06向YKD-XJHXLS07的出小区切换磁滞由4调整为6，出小区切换门限由68调整为70。调整后此区段乒乓切换现象消失，如图9所示。

4.4.4 半数（奇数站、偶数站）基站优化

哈大客专GSM-R系统采用单网交织的网络结构，提高了系统的可靠性，即无线设备单点故障时，系统整体性能不下降。因此，在全数基站网络优化完成后，需要进行半数基站（包括奇数站、偶数站）的优化。半数站优化要确保全基站的优化成果，因此不再调整天馈线，而是通过调整奇数或偶数站间的切换参数，必要时要考虑开启防回切参数，与全数站相比需将奇数或偶数站切换余量参数设大一些，需要改小的时候要谨慎，以防止全数站时发生乒乓切换。