磁东线GSM-R网络优化技术分析与总结

摘  要：随着近年来中国高速铁路的蓬勃发展以及普速铁路的升级换代，GSM-R在中国铁路通信系统中发挥着越来越重要的作用。网络优化作为GSM-R工程建设的重要环节，直接影响网络覆盖合格与否。文章以磁东线铁路工程施工为例，对GSM-R网络测试中发现的典型问题进行了梳理分析，给出了相应的解决对策，并对网络优化技术经验进行了归纳总结，为类似的工程问题解决提供相关参考。

关键词：磁东线；GSM-R；网络优化；场强弱覆盖；乒乓切换；频率干扰

中图分类号：TN92；U285.21  文献标识码：A  文章编号：2096-4706（2023）07-0057-06

Abstract： With the vigorous development of high-speed railways in China and the upgrading of ordinary speed railways in recent years， GSM-R plays an increasingly important role in China's railway communication system. Network optimization， as an important link of the construction of GSM-R projects， directly affects the eligibility of network coverage. Taking the construction of the Cidong line Railway Project as an example， this paper analyzes the typical problems found in the GSM-R network testing， provides corresponding solutions， and summarizes the experience of network optimization technology， providing relevant reference for solving similar engineering problems.

Keywords： Cidong line; GSM-R; network optimization; field strength coverage; Ping-pong handover; frequency interference

0  引  言

近年来，随着中国高速铁路的蓬勃发展以及普速铁路的升级换代，GSM-R作为一种GSM平台上的专门为满足铁路应用而開发的数字式公共无线通信系统，在中国铁路通信系统中起着越来越重要的作用。鉴于GSM-R主要用于铁路调度集中、列车运行控制，并支持高速列车最终实现铁路通信信号一体化，其对安全性、可靠性要求极高。但GSM-R存在很多不稳定因素，在施工过程中如何通过各种技术手段和措施进行测试和调整优化，保证系统维持较好的运行状态，解决系统存在的各种问题，显得尤为重要。本文以磁东线铁路工程施工为例，对GSM-R网络测试中发现的典型问题进行分析并给出了相应的解决对策，并对网络优化过程技术经验进行了总结，希望对类似工程有所参考借鉴。

1  工程概况

磁莱铁路磁窑至东都段（简称“磁东线”）位于山东省中部，全长66.158 km，共建设GSM-R无线通信系统基站10座，接入济南调度楼新设基站控制器BSC设备，全线采用单层网进行无线信号覆盖。设计场强覆盖要求：对本工程范围内的所有铁路区域进行无线场强连续覆盖，在全线95%的时间地点概率，满足最小可用接收电平-98 dBm的覆盖率指标。

2  动检路测情况

根据业务需要以及GSM-R数字移动通信网络技术体制和设计要求，铁路沿线最小接收电平应保持在-98 dBm以上，而考虑到一般情况下业务的载干比为12 dB，因此要求干扰电平应该低于-110 dBm。利用热滑车、动检车对磁东线进行往返测试，使用场强接收机对覆盖电平进行全线的测试（测试中不必严格按照4 cm取样点的要求，而是一次将所有在用频率都采集到）；测试时使用时间触发机制，对磁东线进行铁路全频段扫描并记录数据；使用路测软件WitUI，结合SAGEM490测试手机，进行语音呼叫测试，记录小区切换、通话质量、电平值等数据。网络测试发现的问题主要有以下几个方面：

1）HF-CY01基站至HuaFeng基站间弱覆盖。HF-CY01基站至HuaFeng基站中间交接区域在K10+600里程附近上、下行基站网络信号覆盖较差，造成接收机检测信号弱，语音呼叫测试时出现掉话现象。

2）CY-GL02基站至CY-GL01基站间乒乓切换。CY-GL02基站至CY-GL01基站中间交接区域在K28-K29里程区段范围内上、下行基站均有较强的网络信号覆盖，信号强度多次交叠，造成接收机检测信号在两个基站间频繁切换，语音呼叫测试时出现乒乓切换现象。

3）CiYao基站覆盖问题。在CiYao基站附近，场强覆盖不均，强度较弱，语音呼叫在此基站附近出现呼叫中断，呼叫建立后未占用其规划频点1003，也未占用其邻区HuaFeng基站规划频点1017。通话时所占用频点为1009和1013，并出现回切现象，故1009和1013频点为干扰频点。

3  网络测试问题分析及优化

根据测试结果分析，磁东线GSM-R网络的主要问题有：

1）部分小区存在场强弱覆盖区域，导致呼叫中断。

2）部分小区存在乒乓切换现象。

3）部分小区存在频率干扰。

下面就针对具体案例分析问题的成因、解决方法和过程。

3.1  HF-CY01至HuaFeng基站间弱覆盖问题分析及优化

HF-CY01至HuaFeng基站间测试电平图如图1所示。

回放测试数据，车辆从HuaFeng向HF-CY01（HF-CY01向HuaFeng）方向运行时，在线路里程K10+500～K10+700区域，测试终端占用HF-CY01信号，出现频繁呼叫中断、通话延迟，通话质量差（5～6级），质量差区域约200 m，经测试该区域HuaFeng、HF-CY01基站无线信号电平值在-93～-100 dBm之间，未检测到其他频点干扰，因此初步分析该区域质量差，主要是由于弱覆盖引起的。

HF-CY01基站线路里程为K6+310，HuaFeng基站线路里程为K14+415，两个相邻基站间距为8 105 m。由于两基站间地形为平原地形，铁路线路相对平直无较大弯道，根据覆盖规划，两基站小区覆盖采用平均覆盖原则，考虑重叠覆盖区域，两基站各需覆盖线路长度为4 100 m左右。弱覆盖区域距HF-CY01基站线路长度约3 700～3 900 m，属于HF-CY01基站小区覆盖范围，且在弱覆盖区域附近无高山或高大建筑物对信号造成遮挡，因此我们首先判断该弱覆盖问题是由于HF-CY01基站场强覆盖距离不足造成的。解决方案应从提高HF-CY01基站覆盖范围进行考虑。

提高基站的覆盖范围一般可以通过提高基站的发射功率，调整天线挂高、方向角、下倾角，或更换高增益天线等手段来处理。若仍然无法提高覆盖可以考虑新增基站，采用基站+直放站等方法解决。

提高基站的发射功率是提高场强覆盖最简单有效的方式，本线路所有基站的默认发射功率均为40 W，最高可以提高至60 W。但是为了给后期运营维护阶段网络参数的调整留有余量，在非不得已的情况下一般不通过提高基站的发射功率来提高无线覆盖范围。因此我们首先考虑对天线进行调整，以期能够取得效果。

基站的天线越高，基站的覆盖范围越大。因此适当提高基站的天线高度，可以扩大基站的覆盖范围，弱覆盖的情况会得到相当程度的缓解。但是该基站天线已安装在铁塔最上层平台，如果要提高天线安装高度需要另外建设更高的铁塔，馈线也因为长度增加需要更换，成本较高，因此该方案不可取。

在安装高度相同的情况下，基站天线的下倾角越小，基站覆盖范围越大。但下倾角过小，整个天线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。因此，要合理的调整基站天线的下倾角。调试组将HF-CY01基站天线下倾角从原来的4°上调至3°，复测后发现弱覆盖问题有所改善，200 m弱覆盖区域减少到50 m，但仍然未能完全解决问题。再次上调基站天线下倾角至2°，复测50 m弱覆盖仍然存在，且在HuaFeng基站覆盖小区内检测到较强的HF-CY01基站信号，并对HuaFeng基站小区信号造成影响，调试组只得将下倾角调回3°。通过调整天线下倾角无法完全解决HF-CY01基站弱场覆盖问题，调试组尝试对天线的方位角进行调整。

通过调整天线的方位角，使得天线的主瓣正对弱覆盖区域。该方法实施方便，是一种常用的优化弱覆盖的手段，但由于弱覆盖区域距离基站较远，无法通过观察来判断天线是否正对弱覆盖区域。调试组通过手机指南针软件对HF-CY01基站和弱覆盖区域的经纬度数据进行采集，通过谷歌地图在线查询出HF-CY01基站和弱覆盖区域在地图上的点位，并通过数据计算出弱覆盖区域在HF-CY01基站西偏南5°左右区域，由此可以计算出正对弱覆盖区域的天线方位角为265°。在调整天线方位角为265°后进行场强复测，HF-CY01基站信号在原弱覆盖区域场强均在-84 dBm以上，语音呼叫正常，越区切换正常，达到设计标准要求。

3.2  CY-GL02至CY-GL01基站间乒乓切换问题分析及优化

在CY-GL02至CY-GL01基站之间，出现乒乓切换，如图2所示。

通过图2可以看出，在CY-GL02至CY-GL01基站间进行语音呼叫测试时，1007和1009两个频点在小区边界区域发生了5次来回切换，在GSM网络中出现这种现象我们一般称之为乒乓切换。

通过对CY-GL02至CY-GL01场强覆盖情况进行分析，如图3所示，发现在K28～K29区段范围内CY-GL02、CY-GL01基站均有较强的网络信号覆盖（＞-90 dBm），信号多次交叠，造成接收机检测信号在两个基站间频繁切换，因此在语音呼叫测试时会出现乒乓切换现象。

根据对小区覆盖规划区域范围复核，发现上、下行基站小区交接位置在K28+320附近，对比场强覆盖数据发现CY-GL02基站在本小区覆盖范围K28+400～K29+200区域信号强度在-85 dBm至-75 dBm之间。而CY-GL01基站在该区域场強均大于-80 dBm，最高值达到-65 dBm，远高于CY-GL02基站信号强度，造成接收机检测信号从CY-GL01基站切换到CY-GL02基站后又再次切换回CY-GL01基站。由此，可以判断乒乓切换现象是由于CY-GL01基站过覆盖引起的。

过覆盖与弱覆盖的成因刚好相反，是由于基站信号太强，超出本小区覆盖范围，影响到相邻小区的覆盖，在小区交界处存在过度的覆盖重叠，过覆盖的现象就是信令拥塞以及由于干扰带来的掉话和切换频繁，移动台在相邻基站间来回切换。我们可以采用解决弱覆盖问题类似的方法，通过反向调节来处理过覆盖问题。

调试组在采取下压天线的下倾角、调整方位角等优化手段调整基站小区覆盖过程中发现在消除乒乓切换现象的同时造成部分区域的弱覆盖现象，无论如何调整天线参数都无法同时避免乒乓切换和弱覆盖问题的出现。在尝试对基站的发射功率进行调整后依然无法解决问题。

通过对多次复测的数据进行对比分析，发现在不造成弱覆盖的情况下产生乒乓切换的地点主要集中在图3中A、B两处所示的区域。进过现场勘察发现CY-GL01基站至CY-GL02基站之间有一处较大的弯道（图2右侧紫色线条所示），检测车在经过CY-GL01基站后与基站的直线距离先是增长，在经过弯道后直线距离反而缩短，再随铁路继续前行后增长，因此CY-GL01基站在A、B区域始终会产生比相邻区域更强的场强覆盖，如果将CY-GL01基站在A、B区域场强降低到CY-GL02基站场强以下，则在A、B区域两侧会产生一段弱覆盖区域。

因为无法避免CY-GL01基站在A、B区域信号增强的问题，调试组考虑能否将切换区域向大里程（CY-GL02基站）方向调整，扩大CY-GL01基站的规划覆盖范围，将整个弯道（含A、B区域）全部纳入CY-GL01基站覆盖，并通过下压CY-GL02基站天线下倾角的方式将CY-GL02基站覆盖区域缩小至B区域以外。再次复测后发现效果并不理想，在调整后的小区交界处经常出现掉话、通话延迟等问题，通话质量不理想。

通过再次对测试的数据进行对比分析，筛选后发现其中一组数据中CY-GL01基站在A、B区域的信号与CY-GL02基站在A、B区域的信号强度差别最小为6 dB，经过对比切换门限，发现强度差刚好比切换门限大1 dB。通过将切换门限调高至7 dB，复测后发现乒乓切换现象消除，语音通话质量良好，问题消除。

3.3  CiYao基站覆盖问题分析及优化

在CiYao基站附近，场强覆盖不均，强度较弱，语音呼叫出现中断，如图4所示。

回放测试数据，车辆从CiYao向HF-CY01（HF-CY01向CiYao）方向运行时，在磁窑镇附近，距CiYao基站直線距离约1 100～1 600 m处，终端占用CiYao信号，通话质量差（6～7级），电平值在-95 dBm到-105 dBm之间，质量差区域约500 m。强制占用CiYao基站频点复测试场强覆盖如图5所示，与动检测试结果一致。

经现场勘察分析，磁东线与京沪高铁在磁窑镇附近存在交越，前期为了避免CiYao基站对京沪高铁影响，针对性地对CiYao基站降低功率、下压天线下倾角，造成CiYao基站附近弱覆盖，引起语音呼叫中断，同时在呼叫重新建立后并未再占用CiYao基站规划频点1003及其邻区HuaFeng基站规划频点1017。而是占用频点1009和1013，并在两频点间来回切换，如图6所示。

因此频点1009和1013可以确定为干扰频点，综合分析在CiYao基站附近同时存在弱覆盖和频点干扰问题，且弱覆盖和频点干扰在相同区域内。弱覆盖是由于CiYao基站功率和天线设置问题引起，频点干扰问题还需进一步确认。

通过对干扰频点1009和1013进行测试，频点1009在CiYao基站附近干扰很严重，最高达到-47 dBm，如图7所

示。频点1013在CiYao基站附近干扰最高达到-60 dBm，如图8所示。

如果要避免干扰，需要将1009和1013频点在该区域的场强降低到-110 dBm以下。经过调查发现1009和1013频点为京沪高铁使用频点（如图9中京沪基站A、B），在受干扰区域刚好在磁东线与京沪高铁线路交越区域附近，因此降低1009和1013频点在该区域的场强会影响京沪高铁自身的覆盖质量，该方法不可取。

在无法消除交越区域频点干扰的情况下，如果提高CiYao基站在该区域的场强覆盖，不仅自身的问题得不到有效的解决，还会对京沪高铁在用线路的网络覆盖造成干扰，得不偿失。因此在解决弱覆盖和频点干扰问题时必须合并考虑。

在尝试调整基站天线、发射功率、切换门限等多种优化手段后均未取得良好效果，包括在对京沪高铁基站的覆盖进行调整也没有消除干扰问题。经进一步研究，提出采用将干扰频点纳入本线路小区覆盖的方案，即通过添加外部邻区的方式，将干扰频点覆盖范围作为相邻小区，同时调整基站覆盖范围和切换门限，使得移动台在CiYao基站频点和干扰频点之间正常切换。经现场测试验证，确认方案可行。

通过对比1009频点在交越区域的场强比1013频点要强，但1013频点场强也超过了干扰电平的最低要求，因此我们选定京沪高铁基站A（1009频点基站）作为CiYao基站的外部邻区，并对1013频点场强覆盖范围进行缩减，消除1013频点干扰。再通过调整CiYao基站和HuaFeng基站的覆盖范围，将京沪高铁基站A小区设置为CiYao基站小区的下行小区，将HuaFeng基站小区设置为京沪高铁基站A小区的下行小区。复测移动台能够正常切换，语音通话无掉话和延迟，问题得到解决。

4  结  论

在网络优化中比较常见的问题主要有弱覆盖、过覆盖等场强覆盖问题以及频率干扰等。

一般来说，基站站址、小区载频、无线覆盖方式、邻区关系等都是在网络调试前就已经确定了的，但基站的覆盖范围、越区切换点的位置及切换次序等指标还是可以调整的，我们可以通过调整这些指标来优化覆盖问题。

场强覆盖问题一般形成原因主要是小区覆盖边缘、越区覆盖、小区参数设置不合理、天线被遮挡、基站功率参数设置不合理等。解覆盖问题可以通过检查基站参数设置，现场确认天线有无阻挡，调整天线工程参数（方向角、下倾角、天线挂高、天线安装位置等），更换高增益天线，新增基站或直放站等方法解决。

在解决弱覆盖问题时，优化手段由易到难，优先可考虑调整下倾角、方向角、天线挂高等物理参数，调整基站发射功率、更换天线型号、调整切换及重选等网络参数可以作为备用优化手段，在前面优化手段均无法解决的条件下，再进行站点搬迁、新增站点。

频率干扰是网络优化中常见的问题，话音信道上的干扰会造成串话，或者用户听到很大的背景噪声，信令信道上的干扰则会导致误码率的升高，使呼叫遗漏或阻塞。因此我们在启动新建网络前一般要先进行清频工作，但是并不能完全杜绝干扰问题的出现。频率干扰主要有同频干扰和邻道干扰，针对这两种干扰，通常采取合理分配频率、调节天线覆盖方式、调整基站发射功率的方法来对干扰进行防护。

网络优化是GSM-R工程建设的重要组成部分，是一个相对繁复而且琐碎的工作，在实际优化中必须认真分析问题原因，在多次试错的过程中找到针对性措施，同时在优化过程中积累充足经验。

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作者简介：李娟（1983—），女，汉族，湖北黄冈人，工程师，本科，研究方向：铁路通信工程。