高速铁路频率资源利用率优化方法

丁珣

随着我国高铁建设的开展，全路已经开通的GSM-R线路越来越多，在一些大的铁路枢纽以及线路较密集的城市中心地带，GSM-R基站的站点也越来越多，随之带来的问题是频率资源越来越紧张［1-2］。频率资源的制约会限制站点布置，在某些特殊情况下还会涉及到大量既有线网络调整，包括既有频率修改、减少既有站点频率配置、关停既有站点等，而既有线网络特别是CTCS-3级线路的调整会带来安全隐患，调整前、后需要进行充分的验证工作［3-4］。针对频率资源紧张的问题，提出了基于“直接重试”功能的频率资源利用率优化方法，并在实际应用中得到了验证。

1 频率规划

根据我国的无线频率资源规划，铁路可用频段为GSM900频段，上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，共4 MHz频率带宽，21个载频，频道序号为999～1019，其中999、1019频点作为保护频点不建议使用，实际可用频点只有19个，频道序号为1000～1018［5-6］。

在进行GSM-R网络覆盖规划时，不仅要考虑覆盖电平，同时也要考虑频率规划。频率规划会对GSM-R组网带来诸多制约因素，良好的频率规划是网络服务质量的基础［7］。频率规划时要同时考虑同频干扰、邻频干扰和互调干扰等因素，并使载干比C/I满足以下要求。

1）同频道载干比：控制信道及列控业务信道C/I≥12 dB。

2）邻频道载干比：C/I≥-6 dB。

3）偏离载波400 kHz时的干扰保护比：C/I≥-38 dB。

目前GSM-R网络覆盖方式主要有单网覆盖和单网交织覆盖2种。单网覆盖模式下基站间距6～8 km，单网交织覆盖模式下基站间距为3～4 km。按照《铁路数字移动通信系统（GSM-R）设计规范》［8］要求，基站载频数量应根据业务需求（即语音类业务、列车运行控制类电路域数据业务、分组域业务信道）来确定，目前常用的配置为车站基站采用3个载频，区间基站采用2个载频［9-10］。

以京沪高铁、京九线、京雄高铁交叉并线区段为例，如图1所示，京沪高铁为既有列控线路，单网交织覆盖，基站间距3 km左右，相关基站蓝色部分表示原有频率配置为2个载频；京九线为既有非列控线路，单网覆盖，基站间距5 km左右，图中相关基站蓝色部分表示原有频率配置均为2个载频；京雄高铁为新建列控线路，单网交织覆盖，在BJDX-DXJC01A和BJDX-DXJC01B为同站址双网覆盖，且频率规划前基站工程已经实施完成。由于既有线路基站已将可用频率资源几乎分配殆尽，而京沪高铁为既有列控线路，为保证其行车安全，在尽可能少调整其频率配置的前提下，进行频率规划，得出的最优频率方案如下：红色部分表示京沪高铁和京九线调整部分的频率，以及京雄高铁新上基站的频率分配方案。可以看出，交叉区段京沪高铁3个基站、京九线3个基站进行降载频配置后，京雄高铁BJDX-DXJC03基站仍只有1个载频。

图1 京沪高铁、京九线、京雄高铁交叉并线区段原频率规划方案

采用该频率方案时，由于京雄高铁BJDXDXJC03基站只有1个载频，共8个信道，其中BCCH信道、SDCCH信道为专用信道，另外还需配置1个静态GPRS信道，因此剩余可供语音业务和列控电路域数据业务可用信道数仅为5个，在联调联试阶段就出现了因为信道数量不足而语音呼叫建立失败，以及语音呼叫被列控业务呼叫强拆的情况。

2 优化方案

在频率资源紧张的情况下，为了充分有效地运用有限的信道，提出了基于“直接重试”功能的频率资源利用率优化方法。

2.1 直接重试功能

直接重试是一种特殊的切换，在信道指配过程中，由于服务小区无业务信道可供分配或者服务小区负荷过重，BSC发起直接重试流程，把MS分配到相邻小区并发起切换。直接重试可以减少因服务小区业务信道拥塞而引起的呼叫接入失败，提高接入成功率；同时平衡各个小区的话务负荷，避免小区间话务负荷失衡。

直接重试也就是在信道指配过程中由于没有无线资源可供分配使用，向其相邻小区发起的一种切换，该切换是由信令信道向话音信道的一种切换。具体流程：MS占用本小区（A小区）起呼时，本小区TCH没有信道资源（可能拥塞或故障），系统将把MS分配到空闲邻小区（B小区）的TCH上，这相当于一种切换，这种切换并不是由开始起呼的小区（A小区）的TCH切换到邻小区（B小区）的TCH，而是立即指配在A小区完成，TCH指配在B小区完成。

2.2 优化后的频率规划

通过开启直接重试功能可实现前、后2个相邻基站对信道资源的共享，据此对频率规划方案进行优化。如图2所示，既有基站既有频率配置用蓝色表示，既有基站频率调整后的配置以及新上基站频率配置用红色表示。京九线为非列控线路，业务量较京雄高铁、京沪高铁少了电路域列控业务，维持单载频方案；京沪高铁维持原有频率配置方案，不做任何改动；在交叉区段，京雄高铁采用单载频配置方案，通过直接重试功能，实现任意2个相邻基站共享2个载频，共计10个业务信道。

图2 优化后的频率规划

3 方案验证

为验证直接重试功能的有效性，在工程调试阶段，选取京雄高铁的DaXingJiChang站（小区LAC：8469，CI：6）和DXJC-GAD01（小 区LAC：8469，CI：7）站作为试验基站。由于该基站和DXJC-GAD01基站均为隧道内基站，电磁环境优良，有用信号中只有DaXingJiChang站所带RRU发射的频点为1005的信号作为主用信号，以及DXJC-GAD01站所带RRU发射的频点为1010（BCCH）、1018（TCH）的信号作为从信号，主从相差6 dB，覆盖曲线见图3。因为该区段只有2个基站的有用信号，在分析时更直观，所以选取 该区段进行分析。

图3 试验区域覆盖曲线

第一步，模拟试验基站信道数足够时的呼叫并进行分析。在DaXingJiChang站信道数足够时，在该站发起语音呼叫，A接口的信令流程正常。其中CM SERVICE REQUEST信令的详细解析中，Cell Identifier中的CGI：4602084696，可以看出发起呼叫所在小区为LAC：8469，Cell Identity：6代表的是DaXingJiChang站，如图4所示。ASSIGNMENT COMPLETE信令解析为常规的码流，表示在DaXingJiChang站分配了一个Full rate TCH信道，呼叫所占信道属于DaXingJiChang站，见图5。

图4 A接口CM SERVICE REQUEST信令解析

图5 A接口ASSIGNMENT COMPLETE信令解析

第二步，开启DaXingJiChang站“直接重试”功能，并关闭TCH载频。在该站下做5个CSD长呼呼叫，将该站下可用的5个信道全部占用，再用测试终端在该无可用业务信道的基站下进行移动呼固定的语音呼叫，观察该低优先级呼叫是否能建立成功，若建立成功分析该终端的信道指配情况。

通过试验发现，该语音呼叫建立成功，且A接口信令流程没有发生变化，但是ASSIGNMENT COMPLETE信令内容较常规信令内容有所增多，如图6所示，信令内容较图5增加了信道指配变化情况的内容，即增加了Cell Identifier信息，该内容显示业务信道指配到了CGI：4602084696基站的一个Full rate TCH信道，CGI中的LAC为8469，Cell Identity：7代表的是DXJCGAD01站，呼叫建立在DXJC-GAD01基站。

图6 “直接重试”功能开启后的A接口ASSIGNMENT COMPLETE信令解析

整个呼叫流程的Abis接口信令如表1所示，在呼叫过程中发生了一次特殊的切换，在SETUP信令之后，BSC向基站BJDX-GAD01发起了CHANNEL ACTIVATION信令；基站BJDX-GAD01向BSC确认信道激活后，BSC向基站DaXingJiChang发起了HANDOVER COMMAD信令，以及去激活信令和释放相关信道的指令；基站BJDX-GAD01向BSC返回HANDOVERDETECTION、ESTABLISH INDICATION和HANDOVER COMPLETE信令，至此完成了切换的全流程，即实现直接重试功能的全流程。CONNECT信令显示呼叫已经在BJDXGAD01站建立成功，后续拆线流程均在BJDXGAD01站下完成。通过信令流程以及信令解析可以得知，通过开启“直接重试”功能实现了相邻基站之间的业务信道共享，并且从测试结果来看，连接建立时间符合指标要求，未对业务产生影响。

表1 “直接重试”功能开启后的Abis接口信令流程

续表

4 结论

综上分析，基于“直接重试”功能的频率资源利用率优化方法是有效的，通过该方法，两个相邻基站实现了对信道资源的共享，呼叫正常建立，用户体验没有区别，对列控数据传输也没有影响。与原方案相比，有效提高了频率资源的利用率。该方法可有效解决我国高速铁路枢纽和交叉并线区段GSM-R频率资源规划紧张的问题，值得在复杂的枢纽地段和交叉并线区段推广使用。