哈大客專GSM-R系統工程網絡優化研究

劉盛堯

（北京全路通信信號研究設計院有限公司，北京 100073）

劉盛堯，男，碩士畢業于北京交通大學，工程師，哈大客專GSM-R系統集成負責人。主要研究方向為GSM-R系統集成及設計，曾參與大秦2億t擴能改造工程、京滬高鐵等項目。

1 概述

哈大客運專線線路正線全長893 km，貫穿東北三省，是我國中長期鐵路規劃中“四縱四橫”高速鐵路網的“一縱”，為世界上第一條投入運營的穿越高寒地區的高速鐵路。哈大客運專線采用了先進的CTCS-3（以下簡稱C3）級列車控制系統，GSM-R系統負責承載C3列控業務數據車地間的傳送，因此對GSM-R系統網絡指標提出了更高的要求，全面細致的網絡優化工作是GSM-R系統網絡指標能否滿足要求的保障。

2 網絡優化前提

網絡優化是使GSM-R網絡各項指標滿足承載業務的要求，但無法客服設計上的缺陷，因此合理的設計是網絡優化的前提。

2.1 合理的基站設置

C3級鐵路的GSM-R網絡不僅需要保證正常情形下的場強覆蓋及服務質量，而且需保證傳輸無差錯時間（傳輸恢復時間）大于20 s，如果站距過小將從根本上無法滿足這一指標要求，站距過大會影響到覆蓋場強，通過

理論計算站距應大于2 km，再考慮切換觸發地點的不確定性，還應適當加大，因此站距可控制在3 km左右。哈大客運專線正線GSM-R數字移動通信系統基站子系統采用單網交織的覆蓋方案，基站平均站距約為2.8 km，允許在單點故障的情況下仍然能夠滿足通信要求。

2.2 合理頻率規劃

GSM-R系統頻段帶寬4 M（上行885-889 MHz，下行930-934 MHz），可用頻點19個，C3級鐵路GSM-R數字移動通信系統基站子系統目前主要采用單網交織的覆蓋方案，由于可用頻點有限，這就對頻率規劃提出了更高的要求，不但要考慮鄰站的頻率關系還要考慮隔站（奇數站、偶數站）的頻率關系，以避免網內干擾。哈大客專GSM-R頻率規劃采用7頻組的方式，如表1所示，可有效的避免網內干擾，備用頻點5個，便于車站、樞紐等頻點需求量大區段的頻率規劃。

2.3 合理的天饋線設置

哈大客專采用的基站天線型號是凱瑟琳 80010203v01，為17 dBi雙極化天線，水平波瓣寬度為65°，垂直波瓣為9.3°，由于天線的主要輻射方向為其主瓣方向左右，增益降低3 dB時的一個夾角（即半功率角），因此其所覆蓋的范圍，應該是主要的覆蓋目標，因此天線的方位角需根據線路走向并結合單網交織覆蓋的需要進行設置。

表1 7頻組頻點列表

GSM-R天線掛高要綜合考慮地形、線路、站距等綜合因素，按照幾何學原理，在天線掛高一定的情況下，半功率角與軌面相交的點與基站間的相對距離如表2所示。

可見，下傾角為0°或2°時，整個半功率角輻射出的能量并不能完全投射向軌面，部分能量向天空（水平面以上方向）輻射，不僅對基站輸出能量造成了浪費，且容易導致遠處的覆蓋較強而形成越區覆蓋；當下傾角設置為6°或8°時，半功率角輻射出的全部能量投射向軌面，且能量主要集中于160～1273 m的范圍內（6°下傾角）或134～513 m的范圍內（8°下傾角）；并且還要考慮到車載天線高度（約4.5 m）；綜合考慮哈大客專GSM-R天線初始下傾角為4°。

表2 半功率角與軌面交點距離統計表

合理的天饋線設置可以大大減少網絡優化過程中天饋線調整的工作量。

3 測試系統

哈大客專GSM-R網絡優化的測試系統是基于鐵路行業標準測試方法，結合客運專線網優實際工作以及C3試驗測試的具體需求而形成的，主要應用于 GSM-R 網絡服務質量（QoS）檢測、優化、維護方面的QoS測試、路測綜合信息的采集和實時分析、以及無線網絡覆蓋等工作。系統結構及用戶終端組成如圖1所示。

4 網絡優化工作

4.1 網絡優化內容

哈大客專GSM-R系統工程網絡優化主要包括3個部分內容。

第一部分，干擾優化：通過搭載軌道車測試以及現場定點測試，排除外部干擾對GSM-R系統的影響；通過測試數據比對、設備參數調整排除內部干擾對GSM-R系統的影響。

第二部分，低速狀態下的網絡優化：通過搭載低速軌道車，對無線場強覆蓋指標進行優化，按照測試、調整、復測步驟循序進行。

第三部分，高速狀態下的網絡優化：通過搭載高速動車，對全數及半數（奇數、偶數）基站非列控類業務指標和列控類（CSD）業務指標進行優化。按照測試、調整設備參數及天饋線、復測逐步完成。

4.2 干擾優化

哈大客專GSM-R系統的干擾優化工作貫穿于網絡優化工作的始末，以下將從外部干擾優化、內部干擾優化兩方面介紹。

4.2.1 外部干擾優化

1）優化測試

由于工程周期長，電磁環境測試進行的時間較早，為深入了解網絡當前的狀態，網優工作開始前對全線的電磁環境重新做了一次測試，測試結果表明大部分區段的均在-95 dBm到-100 dBm之間，已無明顯的帶內干擾，可以滿足網絡優化的需要。

隨著哈大客專的臨近開通，各公網運營商為提高其服務質量在鐵路沿線新建了大量基站，這些基站都距離鐵路較近（500 m以內），并且為避免高鐵車體損耗而使用高功率載頻板和高增益天線，導致GSM-R網絡收到非常強的外部信號而自身解調靈敏度下降，在網優測試過程中發現這些基站雖沒有占用GSM-R專用頻段，但卻在鄰近區段出現由于質差而導致的掉話、Trec、Tti不達標等問題。

在頻繁出現問題的地點，使用測試設備加裝定向天線朝向公網基站進行呼叫測試，此時，主叫電平-54 dbm，質量持續6-7級，如圖2所示。

定向天線背向公網基站，主叫電平-53 dbm，質量持續0級，如圖3所示。

經過與無線電管理委員會及公網運營商協商適當降低此站鐵路方向發射功率后，解決了此處質差的問題。

2）解決措施

由于無線電波是在一個開放的環境下傳輸，要想徹底消除干擾的影響是無法做到的，只能通過有效的手段降低影響，在網絡優化過程中進行了大量的測試，經過對數據的對比分析得出可以通過如下手段消除或降低干擾的影響。

* 排除網外干擾

對高鐵沿線進行全面的電磁環境測試，排除占用GSM-R專用頻段的現象；排查鐵路沿線是否存在直放站設備，直放站設備會造成全頻段的干擾；對于高鐵沿線覆蓋的公網基站，建議運營商適當降低發射功率；建議沿線各運營商對于高鐵測試中發現存在器件老化等設備問題的基站進行設備整改（加裝濾波器）或更換。

* 調整網絡參數

調整頻點，通過分析測試數據，修改現網頻點以避開干擾；頻點優選，通過網絡參數調整，優先占用沒有受到干擾的頻點；調整切換門限，通過調整切換門限改變切換區域的位置以避開干擾對切換的影響。

4.2.2 內部干擾排查

由于直放站本身的接受能力以及設備的底噪影響，在測試中發生各別直放站的上行質量差，導致無線鏈路連接失敗。如圖4所示，上行通信質量持續7級。

通過比對分析，有可能與直放站上行增益設置過大有關，將直放站的上行增益降低3 dB后，再無質差現象，測試結果顯示上行質量0級，如圖5所示。

4.3 低速網絡優化

低速網絡優化通過搭載低速測試車對全線覆蓋性能進行了摸底測試進一步規范網絡參數，通過調整使GSM-R網絡覆蓋更趨合理，為高速網絡優化打下良好的基礎。

4.3.1 工參核查

對哈大客專所有BSC設備的小區LAC、CI、頻點、BSIC以及鄰區添加等各項參數進行全面核查；同時打開網管系統全速率上行語音質量測量、載頻干擾帶測量，使用本地維護終端對全網小區在GSM-R頻段內進行主分集頻點掃描，對所有小區的上行干擾帶情況進行了統計分析，以保證GSM-R無線環境良好；設定合理的基站發射功率，因為發射功率過大不僅對設備性能有影響還易產生越站干擾，發射功率過小會導致覆蓋場強不足，通過對測試數據分析并結合以往線路經驗，哈大客專GSM-R基站發射功率設置為40 W。

4.3.2 天饋系統調整

在無線網絡優化中，天線下傾角、方位角調整是一種常見的重要手段，通過天線的下傾角、方位角的調整，使得天線的主瓣朝向在垂直面、水平面上發生全方位的改變，使得天線輻射能量的分布在其覆蓋區域內發生變化，以獲得期望的無線覆蓋效果。測試結果表明，由于現場的地形原因，以及部分基站的選址受制于現場客觀環境的限制，其間距不夠均勻，導致部分基站的覆蓋不夠理想，個別基站的覆蓋過遠或過近，因此通過天線下傾角、方位角調整以保證全線的基站覆蓋場強連續性和穩定性。

如圖6所示，DHX-FYB17大里程方向覆蓋過遠，與DHX-FYB18切換點位置靠近DHXFYB18，且過DHX-FYB18站后DHX-FYB17電平仍然很強，DHX-FYB17大里程方向覆蓋過遠，存在越區覆蓋現象，將DHX-FYB17北向下傾角下壓2°由4°調整為6°，方位角由20°調整為30°。

調整完后，登車復測DHX-FYB17覆蓋正常，如圖7所示。

4.4 高速網絡優化

高速網絡優化工作中的目標和原則是：使全線無線網絡在覆蓋合理前提下實現參數的合理配置，最終達到指標要求。

4.4.1 高速環境下多普勒效應的影響

基站與移動臺的相對速度會引入隨機的頻率調制，這是由于存在多普勒效應的影響，考慮GSM-R所采用的900 MHz頻率并按照車速350 km/h來計算，則最大多普勒頻移為291.7 Hz，多普勒效應導致了接收信號的失真，使得接收信號的頻譜發生擴展，因此會導致誤碼率的瞬間提高，表現為出現傳輸干擾的概率相應增加。哈大客專使用的GSM-R基站設備采用了自動頻率校正算法（AFC，Automatic Frequency Correction），該算法是針對快速移動特點而設計的，使移動臺在500 km/h的條件下能夠高可靠性的保證無線鏈路的穩定鏈接，保證通信業務不中斷和優質的通話質量。

4.4.2 天饋系統調整

對高速環境下發現的明顯覆蓋問題及切換不合理區域，同樣可以通過現場天饋調整的手段進行優化。

4.4.3 參數優化

高速網絡優化其中最主要的工作是切換參數優化，切換參數優化主要考慮兩次切換的間隔應大于20 s（350 km/h時，按照2 km考慮）、切換位置相對均勻、無回切或乒乓切換現象。需要特別說明的是，對于高速環境和低速環境，參數設置的具體數值有較大不同，例如小區間切換磁滯和切換門限，高速時希望切換盡早發生，避免“猶豫不決”的切換判定，導致切換發生到下個基站附近，因此這兩個參數都應設得較小；而低速時則希望切換的判定更加“謹慎”，避免乒乓切換，因此這兩個參數都應設得較大。在高速網絡優化的優化中，是以高速列控業務為主，因此參數設置都依據高速環境。

但參數優化只是對網絡的“精雕細琢”，對于明顯的覆蓋問題還需要調整天饋線來優化。

1）Trec小于20 s優化案例

通過測試數據可以發現，ASX-LY05和ASXLY06之間，占用ASX-LY05時間短導致Trec時間小于20 s。調整前統計指標如表3所示。

表3 調整前Trec時間

將ASX-LY04對ASX-LY05的出小區切換磁滯由4調整為2，出小區切換門限由68調整為66。調整后ASX-LY05占用時間大于20 s，Trec值滿足要求。調整前統計指標如表4所示。

表4 調整后Trec時間

2）乒乓切換優化案例

測試車在沈陽—大連方向行駛，行至YKDXJHXLS07小里程方向，YKD-XJHXLS07與YKD-XJHXLS06發生乒乓切換。分析測試數據認為，YKD-XJHXLS06向YKD-XJHXLS07方向切換較容易發生，因此占用YKD-XJHXLS06后回切至YKD-XJHXLS07，如圖8所示。

將YKD-XJHXLS06向YKD-XJHXLS07的出小區切換磁滯由4調整為6，出小區切換門限由68調整為70。調整后此區段乒乓切換現象消失，如圖9所示。

4.4.4 半數（奇數站、偶數站）基站優化

哈大客專GSM-R系統采用單網交織的網絡結構，提高了系統的可靠性，即無線設備單點故障時，系統整體性能不下降。因此，在全數基站網絡優化完成后，需要進行半數基站（包括奇數站、偶數站）的優化。半數站優化要確保全基站的優化成果，因此不再調整天饋線，而是通過調整奇數或偶數站間的切換參數，必要時要考慮開啟防回切參數，與全數站相比需將奇數或偶數站切換余量參數設大一些，需要改小的時候要謹慎，以防止全數站時發生乒乓切換。

5 結束語

網絡的性能主要由參數決定，但由于實際環境的影響，初始值無法使網絡達到最優狀態，因此需要網絡優化將網絡性能最優化。本文基于哈大客專GSM-R系統工程網絡優化情況，重點討論了網絡優化工作的內容和方法，這些內容和方法均已付諸實施，并取得了良好的效果，因此可對后續類似工程提供借鑒作用。

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