GSM-R通信切換事件對CTCS-3級轉CTCS-2級列控的影響

劉海波

（廣州集團廣州通信段，廣州 510080）

武廣高速鐵路以GSM-R鐵路移動通信系統作為通信網絡承載，采用CTCS-3（簡稱C3）級列控系統技術，滿足時速300 km高速列車正向運行，追蹤間隔3 min的要求，具備反向行車能力，兼容CTCS-2（簡稱C2）級列控系統。在運營中將列車在C3級列控系統控制下行駛稱為C3模式，列車在C2級列控系統控制下行駛稱為C2模式。

1 C3級列控系統整體結構

C3級列控系統包括地面設備和車載設備。地面設備由無線閉塞中心(RBC)、列控中心(TCC)、ZPW-2000（UM）系列軌道電路、應答器（含LEU）、GSM-R通信系統等組成；車載設備（ATP）由車載安全計算機（VC）、含兩個電臺（手機卡）的GSM-R無線通信單元（RTU）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應答器信息接收模塊（BTM）、記錄單元、人機界面（DMI）、列車接口單元（TIU）等組成。

其中RBC是基于故障-安全計算機平臺的信號控制系統，屬于C3級列控系統的地面核心設備。RBC通過GSM-R無線通信系統接收車載設備發送的位置和列車數據等信息，從而根據所控制列車的狀態，其控制范圍內的軌道占用、列車進路狀態、臨時限速命令、災害防護和線路參數、軌道電路、聯鎖進路等信息，產生針對所控列車的移動授權（MA）信息即行車許可，并通過GSM-R無線通信系統將行車許可、線路參數、臨時限速傳輸給C3級車載設備，保證其管轄范圍內列車的運行安全。

ATP中的車載安全計算機，根據地面設備提供的行車許可、線路參數、臨時限速等信息和動車組參數，按照目標-距離連續速度控制模式生成動態速度曲線，監控列車安全運行。并根據計算出的最大允許速度與列車實際行駛速度（從測速模塊中取得）做對比，判斷是否執行制動。

2 C3與C2模式等級變換

當GSM-R通信網絡、車載設備或RBC發生故障時，裝備了C3級系統的列車在可以將列車速度降至C2級允許速度后，自動轉換為C2模式，并關閉與RBC的通信會話。若列車在RBC管轄范圍降為C2模式，列車會在經過RBC邊界的切換預告應答器組后自動呼叫下一個RBC電話號碼，重新執行C3模式啟動流程。

3 通信切換事件對C3模式轉C2模式的影響

列車由C3模式轉C2模式的原因主要有越區切換失敗、RBC切換失敗、RBC或板載訊息機（OBC）主動掛機、車載模塊故障等。本文著重討論GSM-R越區切換失敗造成車載ATP由C3模式轉為C2模式。

3.1 基站小區切換

武廣高速鐵路無線覆蓋采用交織單網覆蓋方式，如圖1所示。這種覆蓋方式的基站重疊區域較深，有一定的基站冗余且互為冗余的基站不分層。當某一基站發生故障時，相鄰兩個基站場強覆蓋可以滿足通信需要，網絡仍能正常工作，頻率利用率高，抗干擾能力好。

目前，GSM-R列車運行速度達到300 km/h，為使移動臺從一個小區移動到另一個小區通話能夠繼續，需要進行頻繁的越區切換，如果小區覆蓋區域為4 km，那么40 s左右就要進行一次越區切換，切換次數頻繁。另外，列車高速穿越小區邊界，如果切換準備時間過長，列車來不及切換就離開了重疊區，會造成通信中斷；如果列車后方BTS的信號較強，網絡根據切換算法選擇后方小區為目標小區，又會導致乒乓切換。設計切換鄰小區列表，是簡化切換過程、避免乒乓切換、提高切換成功率的關鍵。

3.2 GSM-R小區切換過程

根據GSM-R標準，基站至移動臺之間允許的最大信號時延為115 μs，該數值對應空間傳輸距離為35 km?；谠絽^切換的可靠性要求，武廣高速鐵路GSM-R系統基站間距在滿足覆蓋的前提下設置在3～4 km，列車在鐵路沿線高速運行，一次呼叫可能會經過多個小區，由于GSM-R采用了頻率復用，相鄰小區采用不同的頻率，為使通話不被中斷需要自動切換信道，有目的地調整越區切換算法，可以調整小區與網絡結構參數，定義切換方向，減輕小區話務擁塞等作用。

切換的完成主要依賴兩方面：一個是移動臺和BTS的測量報告，另一個是各種切換控制參數?；镜那袚Q控制流程如下。

1）測量報告的保存：測量報告主要保存上下行測量數據、時間提前量（TA）、鄰近小區的測量數據和干擾小區的測量數據。

2）平均值的計算：為了避免復雜的無線傳輸所造成的突變測量值帶來不利影響，BSC在做ieh決策時使用的不再是原始測量數據，而是測量數據的一系列平均值，這樣就減少了突變測量值的影響。

3）閥值比較：BSC將每個預處理后的測量結果與其相關的門限作比較，以判斷是否觸發切換過程。觸發切換過程的門限（切換參數）主要有接收質量（RXQUAL）、接收電平（RXLEVEL）、MS與BTS的距離、預算功率。

4）候選小區的選擇：候選小區是由BTS生成切換目標小區列表，根據切換算法選擇新的信道。

5）切換執行：切換執行過程的主要任務是分配、激活一個新信道，然后切換這個信道上，由MS、BTS、BSC和MSC共同執行。

3.3 GSM-R切換算法

GSM-R切換算法主要有質量切換、電平切換、功率預算性切換和距離切換。

為了提高切換成功率，減少乒乓切換，參考GSM網的切換算法，得出幾種適用于GSM-R的切換算法。

1）覆蓋交叉算法：為了減少覆蓋交叉環境中不必要的切換，可以設置服務小區最低服務信號強度門限，只有低于此門限并滿足標準功率預算切換算法，才發起切換請求。該算法可以降低覆蓋交叉環境中不必要的切換。

2）鄰區切換算法：算法中設置時延，移動臺進入服務區開始計時，在滿足標準功率切換算法并在計時器超時才發起切換請求。該時延的數值要結合小區半徑和列車運行速度綜合考慮設置，算法的目的是減少乒乓切換。

3）小區延時切換算法：設置試驗和鄰小區最低服務信號強度門限，當滿足標準功率預算切換算法并且鄰小區的信號強度超過所設的門限值時開始計時，計數器的值隨賦值的次數增加而增加。該算法能顯示出鄰小區的信號連續增強，能夠減少乒乓切換，保證切換質量。

4）快速移動切換算法：算法中設置延時和動態偏置，在滿足小區延時算法的情況下，在計時期間加上動態偏置，抑制標準功率預算切換。只有在計時期間鄰區信號抑制超過門限值，才發起切換請求。算法的目的是減少乒乓切換。

在實際應用中可以選取上面一種或幾種算法的組合，并根據測試設置合理的參數，提高切換質量。

4 切換失敗分析及相關優化措施

GSM-R是在快速移動的環境下，越區切換的時間應比GSM環境中短，即要求快速切換并使越區切換的算法能夠較好地執行，系統對切換的判斷更加準確、有效。選取切換參數必須注意以下兩個問題：一是為了做出迅速的切換決定，緊急切換（質量切換、電平切換、距離切換）的決定時間應該足夠短；二是為了保證切換決定的正確性，功率預算性切換的決定時間應該足夠長。

另外，配置常用GSM-R測試優化工具，發揮每種工具各自的特點，盡量全面把握網絡的狀態。

1）測試接收機（場強測試軟件）、測試模塊（QoS測試軟件）、測試手機（路測軟件）、便攜式頻譜分析儀、GPS接收機。主要應用在鐵路沿線場強、QoS指標以及信號接收質量、切換（Handover）、TA、三層信令和控制信道（BCCH）、相鄰小區的信息等進行相關測試。

2）接口監視系統。主要應用在對A接口、Abis接口、PRI接口監視，對信令進行監測及統計分析。

3）信令儀。采集不同用戶、不同接口、不同信道的信令數據，對信令進行解碼分析。

引起越區切換失敗的主要原因有覆蓋及干擾、天饋系統問題、BSC及BTS軟硬件問題、傳輸問題、其他問題等。

4.1 覆蓋和干擾

目前，武廣高速鐵路沿線對GSM-R覆蓋盲區主要采用架設光纖直放站和泄漏電纜，作為對基站覆蓋的延伸。

干擾分為系統內部干擾和外部干擾。系統內部干擾主要是由于頻率規劃和小區規劃不當等自身原因造成的同頻、鄰頻干擾等。對于系統內部干擾，目前主要采用更改小區頻點，調整基站天線高度和俯仰角等手段解決。前期株北聯絡線網絡優化方案就通過改變聯絡線基站天線下傾角和方位，有效解決了聯絡線與武廣正線基站可能出現的非正常切換問題。系統外部干擾主要為其他運營商的基站、電視臺大功率電臺、微波雷達、高壓電力線等。解決外部干擾主要采用路測，找出干擾源，協調外單位進行清頻工作，減少對GSM-R系統的影響。

4.2 天饋系統問題

1）駐波比過大。過大的駐波比容易導致通信質量變差，出現掉話，引起駐波比告警原因主要有饋線頭或跳線頭松動或脫落、饋線頭進水、天線或饋線受傷以及干擾等，可以通過重做或緊固饋線頭、跳線頭、打開饋線頭把水控干并晾曬、更換天饋線、查找干擾源等方式克服。

2）小區方位角、下傾角不合理。在基站安裝過程中每個定向小區均有A、B兩副天線，當兩副天線的方位角不同時，會形成A和B所覆蓋區域不一致。在A覆蓋區的用戶可以收到控制信號SDCCH，但用戶一旦被指定為由另一副天線發射出的TCH時，就會造成掉話。而在B覆蓋區域的用戶將無法收到信號。方位調準一致非常重要，目前方位調測工具大部分采用羅盤。

3）天線隔離度不足，兩副天線之間應保持一定的水平距離，以實現分集接收。否則，將會降低收信靈敏度，產生掉話。兩副天線之間的水平距離經驗值應為垂直距離的十分之一，至少應大于3 m。

4.3 BSC及BTS軟硬件問題

BSC和BTS硬件故障、時鐘漂移、軟件問題、參數設置不合理都有可能導致切換失敗。參數設置在網絡優化中常常涉及，其中功率預算性切換的切換容限參數和乒乓切換保護時間參數修改比較多，可以有效降低切換失敗率和乒乓切換幾率。

4.4 其他問題

1）傳輸同步不穩定或傳輸誤碼率大會造成基站小區切換成功率偏低，且無線接通率也受到一定影響，因此需要檢查傳輸連接頭，掛表測試等方式，盡早發現和消除傳輸誤碼或同步不穩定產生的原因，減少對網絡質量的影響。

2）目標小區忙也會造成越區切換失敗。目標小區忙，無可用信道導致切換失敗,可以對目標小區擴容或減小覆蓋范圍。當前武廣高鐵用戶數量較少，沿線小區通常配置為兩個載頻，大型車站或容量大的小區配置3個載頻，能夠滿足當前用戶接入需要。

5 結束語

GSM-R通信網絡越區切換頻繁，在平常的維護中，應該綜合各種手段，優化網絡，降低通信切換失敗幾率，減少因小區切換失敗造成C3模式轉C2模式的故障，讓武廣高速鐵路運行更加安全可靠。

[2] 馬麗蘭．高速客運專線GSM-R網絡優化技術研究[J]．鐵路通信信號工程技術．2009（5）：11-13.

[3] 傅世善．列控系統的應用等級——鐵路信號基礎知識第八講[J]．鐵路通信信號工程技術．2010（6）：78-79.

[4] 李新．GSM-R網絡覆蓋中的技術研究[D]．成都：西南交通大學，2007.

[5] 王春花．無線閉塞中心的測試方法研究[D]．北京：北京交通大學．2008.