铁路GSM-R网络的优化设计

缪海波

（中铁建电气化局集团南方工程有限公司 湖北省武汉市 430017）

近年来，我国铁路建设飞速发展，从发达城市开始逐渐延伸到西南的山区等地。这使得铁路的无线网络通信系统遇到了较大的难题，当前铁路通信主要使用GSM‐R 网络系统，为了进一步提高铁路通信质量，确保铁路运行安全，本文对铁路GSM‐R 网络优化设计进行了简要分析，希望能够对铁路建设有所帮助。

1 铁路GSM-R网络的现状和存在的不足

1.1 铁路GSM-R网络的现状

当前社会对于铁路的无线通信功能提出了更高的要求，数据通信内容越来越多，使得铁路通信方面暴露出许多不足之处。调度命令的传输、车次号的传输以及列车尾风压值的传输是铁路通信的主要传输内容，使得GSM‐R 网络系统承载了过多的数据量，系统的设计优化成为关键。在很多偏远地区的铁路建设，受到山体以及建筑物的遮挡，使得GSM‐R 网络系统的网络覆盖率受到较大影响，无线信号覆盖困难，加上铁路线路等级的不同，给GSM‐R 网络系统带来了较大负担。GSM‐R 网络基站的规划也存在不合理的现象，未能够结合铁路的信号需求来进行规划，导致铁路的枢纽信号被干扰的现象频繁出现，通信也受到影响。我国的铁路GSM‐R 网络还应当从实际情况出发，进一步优化设计，提高铁路各线路的通信质量[1]。

1.2 铁路GSM-R网络存在的不足

1.2.1 体系结构方面的不足

铁路系统在运行的过程中，铁路工作人员要对整个运行情况以及设备故障情况进行实时的监督和了解，这一过程需要用到无线通信系统，当前铁路运行所使用的无线通信系统主要是GSM‐R 网络系统，该项通信系统在体系结构方面还存在这一些不足之处，在运行过程中存在着一些安全漏洞，可能会影响着铁路系统的安全运行，带来严重的经济损失。

1.2.2 规划设计方面的不足

铁路GSM‐R 网络在频率资源方面存在明显缺陷，这主要是由于铁路的基础设施建设和规划设计等方面存在不足，我国铁路的建设规模正在不断扩大，建设的环境也发生了改变，随着铁路建设的环境逐渐恶劣，外界因素对于铁路无线通信系统的影响也越来越大，面对这种情况，铁路GSM‐R 网络的频率干扰现象逐渐严重，给铁路的中心枢纽方面的切换设置、无线小区规划以及频率的分配都带来了很大的困扰，在无线小区规划方面会出现小区重选的现象，在切换设置方面会出现切换混乱的问题，影响着铁路通信网络的质量。

1.2.3 BSC 接入方面存在不足

BSC 接入方面没有科学的规划方法，一些铁路开始设置BSC设备，但设备的统一性规划存在明显不足，不仅影响着铁路的整体通信质量，对铁路线的维护管理工作也造成一定影响。此外，在线路的规划方面还缺少预留规划，使得后续接线成为难题，分线路覆盖和频率的接线要考虑到主线路的具体需求，这就使得GSM‐R 网络的分线路接入更加困难。

2 铁路GSM-R网络优化设计方案

2.1 网络覆盖方案的优化

2.1.1 优化覆盖方案的原则

铁路GSM‐R 网络的优化方案及覆盖原则都应以节省频率损耗以及降低工程建设资金为基础，在具备贡献覆盖条件的并线区段建立共用基站进行覆盖，以达到节省建设成本的目的。在并行区段使用共用基站时，需要根据经过此线路列车的需求和基站容量进行规划设计。比如铁路网中典型的多轨道交汇区域，在交汇点、交叉带联络线等结构中都可以采用共基站覆盖模式，而交叉无联络线这类结构可根据频率资源的使用情况建设共基站或分基站的覆盖方式[2]。而信息交汇较多，临近城市枢纽地区的覆盖方案中需要考虑最低信号强度需求，满足列控线路冗余覆盖，在并线区段也可采用交织或同址覆盖，不仅可以降低枢纽内基站间的信号干扰，还能够提高信号强度。不过在建设基站过程中要尽量控制天线高度，以防干扰到铁路中其他线路。

2.1.2 覆盖方案优化设计

覆盖方案的优化设计必须结合实际工程建设情况进行分析，我国国土辽阔，铁路覆盖广泛，青藏铁路和京沪高铁的覆盖设计截然不同。铁路GSM‐R 覆盖方案的优化设计以三方面为主：

（1）直放站优化设计，主要用于铁路GSM‐R 进入隧道或无线信号不良地区时，采用光纤直放与电缆结合的方式，类似于信号增强效果。

（2）无线网络的优化设计，一般情况下无线信道是不会受影响的，但在实际基站选址过程中会受限于地理环境，间距建设不够均匀，部分基站覆盖不全面，可以借由调整天线俯仰角，来控制基站的覆盖范围，可以使无线网络覆盖到更远处，并减少覆盖能量消耗的问题。

（3）在信号越区切换时可能会受到外界干扰而造成覆盖效果不良的现象，在基站设计建设中需考虑列车跨区进行切换所需的必要距离和时间，将基站切换后重叠距离进行计算，满足列车速度和信号切换的要求。

2.1.3 覆盖网络的规划仿真

利用TCP 或其他仿真软件将需要规划设计的铁路GSM‐R 基站添加到数字地图上进行分析。正常情况下基础设定的覆盖情况以及天线方向都会有一定偏差，最终输出包括基站名称、天线方向和天线倾角等参数列表，依据这些参数可以知道大部分地区的仿真与实测结果应能够满足铁路GSM‐R 覆盖要求，但在个别区域的覆盖需要对基站天线参数进行调整。并且根据仿真线路的实际情况，城区与农村传播模型不同，损耗参数也有一定区别，仿真出现的误差也多是由于无线传播模型、数字地图等原因，不过都可以通过网络优化措施解决。

2.2 容量规划和信道配置

铁路GSM‐R 网络通信中的负荷是随时随地都在发生变化的，在不同的区域网络负荷情况也不相同，不同时间内同一区域的网络负荷也有差别。因此在优化工程中需要考虑在一段时间内线路所经过区域的负荷情况。在某些区域话务量出现较大提升，使用覆盖、参数、减扩容等方法无法解决容量负荷时，可以利用将基站区分裂来解决容量问题，尤其是部分节点可靠性较高的情况下，可以配置备用单元，在工作需求或故障时启用。目前半确定性模型是应用最为广泛的信道模型，复杂度中等实现难度可以调整，能够使用设备性能进行配置。在配置过程中需对通信系统进行实地测量，确定在测试环境下得到数据的准确性，之后统计数据，采取参数生成算法进行仿真。其配置灵活方便，不需要对详细勘测特定环境。

2.3 优化频率规划方案的原则

列车作为高速运行的移动台，在考虑规划方案时必须要求能够及时切换和重选，如果线路途径小区网络受到干扰，其重选切换的测量精度和及时性会受到影响，并且在慢速和低穿透损耗的情况下对用户通话质量的影响更大。铁路GSM‐R 网络不断发展使频率资源较为精确，很难再增加一段专用频率，优化频率就更为关键。规划方案的原则遵循同站不邻频或同频，共用基站相邻、相对或同向不应使用同一频点，在修改基站频点的过程中要充分考虑基站小区覆盖的无线网络环境。根据当前或仿真网络覆盖情况对不同基站进行调整，充分利用频率资源，优化线路沿线小区的频率资源。

2.4 数据有效清理与软件升级

2.4.1 数据清理

在实施网络优化阶段，对于GSM‐R 无线通信系统中的冗长数据，应及时清除，避免系统中产生的数据出现不完整后果。同时，为了促使GSM‐R 技术在铁路工程中的网络通信服务中展现出真正效用，还需进行参数合理设计，即针对通信数据中使用的交换机设备，重调其参数，借助测试软件对通信系统故障进行检测，特别是语音通信业务，防止影响铁路通信质量。为了保证GSM‐R 通信系统发挥出真正效用，在数据清理环节，还应注重信号监测，判断系统是否具有通畅的传输信号。常见的信号监测方法包括信号指令法，用于对信号指令产生的预警结果，分析信号传递情况，在其信号质量差条件下，还应通过信号质量的调节，促使系统拥有良好的通信环境，这样才能保证铁路具有完善的通信体系。

2.4.2 软件升级

针对铁路SGM‐R 网络进行优化，还需要进行软件升级操作，便于增强网络系统的适应性，也能促使系统具备突出的信息采集能力，由此增加信息获取准确度。

（1）相关人员应当准确识别频谱资源，待确定好参数后，可对其功能进行完善；

（2）还需要融入智能技术，促使网络通信业务具备智能化特征，继而避免无线电在传输中遇到需求问题；

（3）还可在原有铁路通信系统中应用蓝牙传输技术。而且还可借助信号传感器，选择适合的应用算法，保证GSM‐R 网络具有良好的信息传输条件。尤其对于铁路网络通信系统用户，可运用蓝牙信号的传递，促使在铁路运输、行驶期间能够具备准确的信号传递能力。

2.5 优化网络通信维护规划

对铁路GSM‐R 网络进行优化时，还需要注重网络维护，尤其是无线电网络通信系统的有效维护，避免系统出现故障，致使信号传输遇到阻力。一方面，对于网络系统的管理职责予以确定，可从制度编制角度，规定铁路运输管理部门中各人员的岗位职责，尤其是系统维护人员，应安排好维护周期，持久保证系统性能稳定，也能适当规避系统故障风险。另一方面，还需要设置专门的维护管理小组，用于督促维护人员及时制定可行性维护规划，防止因系统管理不到位，造成网络传输系统无法为铁路运输业的发展带来助力。GSM‐R 网络在铁路信息化管理改革中占据重要地位。所以，对其加以优化时，还应当保证管理人员与维护人员，按照事先固定好的职责要求，做好本职工作，促使铁路通信系统中的GSM‐R 信号能够保持稳定传输状态。尤其对于系统漏洞，也需要加强修复，以免出现系统安全事故，违背铁路安全生产目标。

3 BSC接入优化设计方案

3.1 优化BSC接入的原则

在接入BSC 时应注意遵循以下几点原则：将BSC 接入核心网MSC 设备要尽可能减少枢纽内跨BSC 切换的情况，以此来加强网络的通信质量水平；列控线路应根据不同的线路分别设置单独的BSC 设备；要保证列控线路的质量，在列控线路和非列控线路并行区域范围内的基站应接入列控线路的BSC 设备；最后在接入过程中还应注意结合现有的工程方案[3]。

3.2 BSC接入优化设计选择

BSC 接入有三个主要的优化设计方案。

（1）在枢纽处单独安装BSC 设备并将枢纽内的全部基站都接入新安装的BSC 设备上，线路可以在进入和离开枢纽的时候实现跨BSC 切换。这一方案的优点在于可以对所有设备进行集中管理，减少枢纽跨BSC 切换的情况，缺点在于集中管理会导致BSC 发生故障时影响所有枢纽线路的通信，而且该方案涉及到对全部基站的重新调整，增加了安装、维护和管理的难度。

（2）将单独的客专基站接入到相对应的BSC 设备中；将城际下属区域内所设的所有基站接入城际集中设立的BSC 设备中；将动车基站接入对应的BSC 设备中；在枢纽地区，使两个客专在集中站点附近进行跨BSC 切换，城际和客专在集中的基站附近进行跨BSC 切换。该方案在调整之后，各个线路进入枢纽时均只需要进行一次跨BSC 切换，满足了在列控线路设立单独的BSC 设备这一优化设计原则，更加有利于设备的维护和管理，对现有线路的影响较小。

（3）在各个线路都单独安装一个BSC 设备，这一方案虽然可以保证每条线路都拥有自己单独的BSC 设备，在设备出现故障的时候只会对相应的单条线路产生影响，方便维护管理，但由于各个线路在枢纽区域存在交叉和并线等情况，使频率和覆盖等资源条件受到限制，因此，各个线路的基站覆盖更多会使用联合规划设置的方式，也就是在基站区域选用共用基站进行覆盖，这导致各个线路单独设置的BSC 设备在共用基站覆盖的范围内受到影响和限制。该方案最大的缺点在于很难在枢纽内实施，所以该方案仍有待完善。

通过对以上三种BSC 接入优化设计方案进行分析，并对三个方案的GSM‐R 网络通信质量和设备维护管理效果进行对比，可以发现第二个接入优化方案具有更好的性能，更有利于保证列控线路的质量安全。

4 结论

综上所述，当前铁路GSM‐R 网络的现状并不理想，在体系结构和规划设计等方面都存在着不足之处，影响铁路通信的稳定性和安全性。由本文分析可知，铁路GSM‐R 网络优化设计方案包括：网络覆盖方案的优化、容量规划和信道配置以及优化频率规划方案的原则。此外，BSC 的接入方面也应当进行优化设计。