鄭西客運專線GSM-R高速網絡優化的經驗

蔡俊福 闞紹忠

（中鐵建電氣化局集團有限公司，北京 100043）

1 概述

鄭西客運專線是我國中長期鐵路規劃客運專線中徐蘭客運專線（徐州—鄭州—西安—寶雞—蘭州）的重要組成部分，已于2010年2月6日正式開通運營。鄭西客運專線設計速度350 km/h，采用基于GSM-R的CTCS-3級列車控制系統指揮行車，在業務繁忙時將實現350 km/h、3 min追蹤間隔的高速運行。

GSM-R網絡能夠在鐵路沿線的開闊地、山區、隧道和丘陵等各種地形地貌條件下提供無縫網絡服務，是實現CTCS-3級列車控制安全數據傳輸的基礎平臺。CTCS-3車載ATP和地面無線閉塞中心（RBC）之間利用GSM-R網絡進行雙向命令與狀態信息交互，完成列車位置跟蹤、移動授權、緊急停車、臨時限速等關鍵信息的傳送。

CTCS-3系統是保證列車高速運行的關鍵，GSM-R網絡要為CTCS-3級安全數據傳輸提供安全可靠的通道，高速條件下的無線網絡優化就顯得尤為關鍵。只有GSM-R無線網絡完成高速條件下的優化工作，才能滿足列控系統對于GSM-R的QoS指標要求，保證車地之間的列控安全數據可靠傳輸。

對于列車控制數據傳輸而言，良好的通信服務質量直接關系到鐵路運輸安全和效率，而在此之前，對高速運行狀態下的CSD數據業務還沒有成熟的優化方法。本文主要結合鄭西客運專線全線GSM-R無線網絡高速條件下的優化，并配合CTCS-3運行試驗，進行覆蓋優化調整、越區切換優化、服務質量優化等方面的經驗總結，以期對后續客運專線優化提供參考。

2 高速網絡優化測試系統結構

如圖1所示，高速條件下的網絡優化測試系統主要包括GSM-R高速場強測試系統，GSM-R高速QoS測試系統，GSM-R Abis、A和PRI接口監測系統，QoS地面服務器等。其中，GSM-R高速場強測試系統由高速場強接收機和專用軟件組成，用于GSM-R無線網絡覆蓋優化。GSM-R高速QoS測試系統由列控專用模塊和專用QoS軟件組成，用于測試GSM-R網絡電路數據和GPRS業務的服務質量，同時在地面接口實時跟蹤移動臺的呼叫流程、數據傳輸情況、上下行電平和質量、越區切換等，為網絡優化提供基礎數據和技術支撐。

3 覆蓋優化調整

3.1 優化調整目標

鄭西客運專線采用單網交織覆蓋，該覆蓋方式可大大提高網絡的可靠性和覆蓋能力。場強覆蓋測試優化目標是在列車高速運行狀態（350 km/h）下，基站全部開啟、僅開啟奇數基站和僅開啟偶數基站的情況下，都應符合95%時間地點概率條件下，接收機天線輸入端最小接收電平高于-92 dBm。同時，還要避免不相鄰基站之間的過覆蓋，設置合理的重疊區，保證切換重疊區的長度。

3.2 覆蓋調整理論依據

在完成低速和高速無線網絡優化的過程中，針對重疊區大小、過覆蓋、覆蓋不足和乒乓切換等，優化初期為達到期望的覆蓋效果，可以通過調整天線的俯仰角和方位角，使得天線的主瓣在垂直面和水平面上發生改變，從而使天線輻射能量分布覆蓋區域發生變化。

鄭西客運專線基站和直放站主要使用了4種天線，APX86-906516L-CT0和80010141（凱瑟琳）供基站使用，為交叉極化天線，AP906516-CT0和K732267（凱瑟琳）主要供直放站使用。以絕大多數基站使用的APX86-906516L-CT0為例，可以通過計算得出天線俯仰角與覆蓋距離的關系。APX86-906516L-CT0增益為17dBi，水平波束為65°，垂直波束為6.8°，其垂直方向的輻射如圖2所示，其主要的輻射范圍為主波瓣方向，下面通過計算給出半功率角（增益降低3 dB）和軌面交點和基站的距離關系（假設天線距離軌面高度為30 m），根據幾何計算可得表1。分析表1數據可知，當天線下傾角設置小于2°時，天線半功率角輻射的能量有一部分到無窮遠，甚至向天空輻射，對于天線能量來說比較浪費，同時容易造成越區覆蓋；當天線下傾角設置為4°時，天線能量主要集中在231～2 865 m范圍內；當天線下傾角設置為6°時，天線能量主要集中在181～661 m范圍內。因此，鄭西線基站間距一般按照4°～7°進行設置。同時，根據場強覆蓋測試結果，對覆蓋過遠或覆蓋衰減過快的地點，通過調整天線俯仰角達到覆蓋要求。

表1 半功率角（增益降低3 dB）與軌面交點和基站的距離關系

3.3 基站覆蓋優化

在優化過程中，要求保證單基站工作正常，雙方向覆蓋基本對稱；考慮到高速余量，鄭西線上相鄰基站覆蓋交叉點電平在-60 dBm以上；交織基站覆蓋交叉點電平在-75 dBm以上。

優化過程中，首先排除設備故障（駐波比超標、抱桿不垂直、接頭松動、線纜損壞和傳輸問題），然后根據場強測試數據生成的覆蓋曲線調整基站俯仰角、方向角和基站輸出功率。進行調整的同時，考慮全基站模式和降級模式，在不能兼顧時，結合參數調整達到優化目標。

3.4 直放站覆蓋優化

在單網交織覆蓋模式下，1個直放站同時接兩個宿主基站，一路為主信號，一路為從信號，要求直放站輸出功率正常，同時主從信號相差為6 dB左右（6 dB左右是保證主從信號能夠區分的合理值，要求大于切換門限4 dB，避免乒乓切換，同時要保證從信號不能過低）。實施優化過程中，首先要排除設備故障，如設備掉電、駐波比超標、光模塊損壞、功放損壞、衰減器損壞、接頭松動和尾纖接錯等。

其次，解決直放站主從信號覆蓋相差過小或過大，具體方法：首先確認直放站宿主基站輸出功率；其次確認是否有設備故障；最后現場測試問題直放站所連近端機TP點功率、對應直放站遠端機光模塊輸入功率、直放站遠端機射頻輸出功率，根據各點測試數據進行綜合分析，找到問題根源，并進行相應調整（調整基站功率、直放站衰減器大小等）。

4 越區切換優化

越區切換的優化目標是開通全部基站、僅開通奇數基站及僅開通偶數基站3種情況下越區，保證切換中斷時間小于0.5 s（95%），切換成功率不小于99.5%，兩次切換的間隔大于20 s，切換位置相對均勻，無緊急切換和乒乓切換發生。越區切換的優化主要依據Abis接口跟蹤到的用戶發生切換的時間、地點和切換原因，從而調整切換參數。

針對350 km/h高速運行的要求，BSC相關參數設置如表2所示。

切換性能的最優化，需要以良好、均勻的場強覆蓋為基礎。但僅僅通過覆蓋調整不能徹底避免乒乓切換和異常切換，此時需要調整基站參數（鄰區參數、切換余量和乒乓切換保護時間等），對比調整前后的測試數據，進行分析和驗證，逐漸逼近于最優狀態。

表2 BSC相關參數設置

在覆蓋正常的情況下，對于某些直放站區段切換滯后，通過Abis接口監測數據分析發現：直放站主從信號在設計切換點附近的覆蓋均高于-47 dBm，基站子系統對大于-47 dBm的測量值均按-47 dBm處理，不進行切換判決，導致切換滯后。對于此類問題，一般通過降低直放站上下行增益或在直放站射頻輸出端增加衰減器來實現，調整值大小通過場強覆蓋曲線和Abis接口測量報告值進行分析得出。

相比低速運行，動車組在高速運行過程中發現模塊切換滯后的現象比低速更為嚴重。對于基站站距較短的區段，由于啟用切換保護時間和之前多個小區切換滯后的積累，使得在某個小區內遲遲達不到切換保護時間，最后容易發生下行電平或質量切換。因此在高速運行時，在前面低速優化的基礎上，根據區段特點，將切換門限盡量降低，某些特定地點還可以將切換門限調整為0 dB或負值。

例如：某兩個小區之間切換滯后，如圖3所示，切換前的TA值是6，切換后的TA值是2，空間地帶兩者相差大，說明切換滯后。通過調整切換門限后，切換關系達到設計要求，如圖4所示。

5 網絡服務質量測試優化

5.1 優化主要內容

高速條件下的網絡服務質量優化，主要針對傳輸干擾時間、傳輸無差錯時間和連接丟失率等進行。

5.2 服務質量優化主要問題分析

5.2.1 克服網內外同頻、鄰頻干擾

在優化過程中，對上下行質量在4級以上的，要進行集中處理。質量較差，意味著存在干擾，在清頻工作未完成之前，首先需要判斷干擾源是來自網內還是網外。根據頻組復用原則，采用7頻組復用時，在降級模式下，質量較差小區對應的基站開啟時，其相鄰頻組的同頻基站均處于關閉狀態。若在這種降級模式下干擾有較大改善，說明干擾可能來自于網內，需要根據同頻基站的距離和覆蓋強度進行調整。反之則可能來自于網外，需根據電磁環境測試的結果進行對比，發現干擾頻點，進行清頻工作。

5.2.2 直放站上行干擾問題

由于直放站設備對移動臺上行電平的接收能力的非線性效應以及直放站設備底噪對施主基站造成的干擾，導致直放站區段上行質量較差，在優化過程中主要采用降低直放站上行增益的方法來解決，也可采用更改相應基站的MsTxPWRmax參數來解決。

例如：部分區段上行質量差，上行質量6～7級，如圖5所示。通過將直放站上行增益下調3 dB后，上行質量得到改善（0級），如圖6所示。

5.2.3 連接丟失分析處理

高速測試時，發現部分隧道洞口區段容易發生掉話，現象為上行質量突然變為7級以上，測量報告不連續，且基本發生在一個列車運行方向。經分析認為，這些區段存在直放站天線向隧道內輻射的情況，容易與隧道中漏纜的覆蓋形成相互干擾，同時，根據Abis接口得到的測量報告發現，TA值與實際不符，TA更新明顯慢。因此，根據上述分析，通過取消直放站向隧道內輻射的天線，并修改extended Timing Advance Window參數，使BTS每隔2 s即4個測量報告便更新一次TA，加快更新周期，克服TA更新慢而引起的基站在對應時隙收到的信息不完整或被另一個呼叫的信息所干擾而導致上行質量持續7級的情況。因此，采用連續直放站進行覆蓋時，在列車高速運行的情況下，要特別關注距離參數即TA值的設置。

6 開通運營后的技術保障

網絡優化是一個長期的過程，貫穿網絡建設、調試和開通運營后的各個階段。鄭西客運專線于2010年2月6日正式開通運營后，仍然對運營列車CTCS-3級數據傳輸進行實時跟蹤分析，通過詳細的數據分析，對兩處新出現的下行質量較差導致切換失敗的地點，采取改變切換點的方式進行優化，保證了CTCS-3級數據傳輸的可靠性。開通運營后，GSM-R網絡和CTCS-3級列控系統運行穩定，有效提高了列車運行效率。

7 結束語

本文基于鄭西客運專線全線高速網絡優化過程，分析和總結了網絡覆蓋優化、越區切換優化和網絡服務質量測試優化中遇到的典型問題和解決辦法，以期為后續客運專線網絡優化提供借鑒。

[1] 鐘章隊， 李旭， 蔣文怡， 等．鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）[M]．北京，中國鐵道出版社， 2007．

[2] Subset 093 V2.3.0 GSM-R interface Class 1 Requirements．

[3] UIC Project EIRENE System Requirements Specification(V15.0), UIC規范[S]，2006.

[4] ERTMS/GSM-R Quality of Service Test Specification（V3.0）[S].