GSMR越區(qū)切換算法的仿真與分析

生慶月 蔡娟

摘要：在CTCS3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中作為車地信息的傳輸通道，保證了列車運(yùn)行的安全。而越區(qū)切換的成功與否，關(guān)系到列車能否及時(shí)接收到來自TCC（Train Control Center，列控中心）的列控信息，并且由越區(qū)切換失敗引發(fā)的掉話故障將導(dǎo)致車地信息傳輸?shù)闹袛啵：χ熊囘\(yùn)行的安全。本文利用Hata模型分析了切換門限值對越區(qū)切換的影響。以傳統(tǒng)的基于功率估計(jì)的提前切換算法為基礎(chǔ)，提出了切換算法的優(yōu)化模型并利用MATLAB9.0進(jìn)行仿真。通過延遲切換觸發(fā)的方式，使切換的觸發(fā)避開了重疊區(qū)內(nèi)發(fā)生乒乓效應(yīng)的影響，從而提高了越區(qū)切換的成功率。

關(guān)鍵詞：GSMR;CTCS3;越區(qū)切換;時(shí)延;功率

1 概述

隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，CTCS3級列車控制系統(tǒng)在我國高速鐵路中得到了廣泛運(yùn)用，通信信號一體化的重要性也逐漸凸顯。在CTCS3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，GSMR網(wǎng)絡(luò)提供了安全、可靠的無線環(huán)境，利用GSMR無線通信網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行地車雙向數(shù)據(jù)傳輸，成為列車在高速下運(yùn)行的安全、平穩(wěn)強(qiáng)有力的技術(shù)支持。

多數(shù)區(qū)域的GSMR網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)采用線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，導(dǎo)致在高速運(yùn)行狀態(tài)下的列車發(fā)生高頻率的越區(qū)切換。GSMR網(wǎng)絡(luò)若采用硬切換技術(shù)進(jìn)行越區(qū)切換，每進(jìn)行一次越區(qū)切換將會造成車地通信的短暫中斷，從而影響列控?cái)?shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，降低了通信質(zhì)量，將直接影響列車運(yùn)行安全。因此，研究越區(qū)切換對CTCS3級車運(yùn)行控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以及對雙層網(wǎng)絡(luò)中的越區(qū)切換進(jìn)行優(yōu)化意義重大。

2 GSMR網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換原理

2.1 越區(qū)切換的原理

GSMR網(wǎng)絡(luò)在鐵路沿線的小區(qū)中多是采用線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，并且半徑相對不大，因此列車在高速運(yùn)行的過程中，越區(qū)切換將會頻繁地發(fā)生。在MS發(fā)起呼叫的過程中，MS側(cè)負(fù)責(zé)對無線網(wǎng)下行鏈路性能相關(guān)參數(shù)的測量，以及對鄰近小區(qū)信號電平的測量;基站側(cè)則負(fù)責(zé)測量小區(qū)內(nèi)每個(gè)被服務(wù)MS的上行接收電平，并對鏈路信號的質(zhì)量進(jìn)行評估。當(dāng)有異常情況被檢測到時(shí)，基站立刻將告警信號發(fā)送給MSC或BSC，MSC或BSC接收到告警信號后會立即尋找一個(gè)新的小區(qū)或信道，同時(shí)觸發(fā)越區(qū)切換。若切換成功，釋放原信道，通話繼續(xù)在新信道上進(jìn)行[1]。

2.2 越區(qū)切換的時(shí)延

在2.1節(jié)中所提到的切換過程的特點(diǎn)，結(jié)合高速鐵路上列車切換頻繁的特點(diǎn)，進(jìn)一步對切換過程的四個(gè)階段中所造成的時(shí)延進(jìn)行研究。由MS和BSS共同完成相關(guān)數(shù)據(jù)周期性的測量過程，周期也是固定的，因此其時(shí)延也是個(gè)定值;觸發(fā)過程是在BSS內(nèi)完成的，這一過程的時(shí)延包括BSS預(yù)處理過程的時(shí)延和BSS門限值判決時(shí)延，門限值判決的算法較簡單其時(shí)延可忽略，預(yù)處理過程的時(shí)延由參數(shù)配置和計(jì)算方法等兩個(gè)因素所決定，需要著重研究;選擇過程的時(shí)延主要為切換執(zhí)行過程中選擇目標(biāo)小區(qū)時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延，取決于BSC的處理能力;執(zhí)行過程中不同交換點(diǎn)信令交互的復(fù)雜程度也是各不相同的，因此其時(shí)延也會有所差異。

3 越區(qū)切換的仿真分析

3.1 車地通信無線信道模型

3.1.1 路徑損耗模型

在900MHz的GSMR網(wǎng)絡(luò)中，適用于宏小區(qū)的無線傳播模型有很多種。由于公式化的Hata模型，其計(jì)算所需的各種參數(shù)相對容易獲得且模型簡單，因此被廣泛使用[2]。

Hata模型市區(qū)中值路徑的表達(dá)式為式（1）：

PLH（dB）=59.55+26.16lgf-13.82lght-a（hr）+（44.9-6.55lght）lgd（1）

在這一算法中，k1、k2的值依實(shí)際環(huán)境調(diào)整。Speed_Static設(shè)置為80km/h，在列車運(yùn)行速度低于Speed_Static時(shí)將不采取提前切換策略，MS執(zhí)行正常的功率估計(jì)切換算法;當(dāng)列車運(yùn)行速度超過Speed_Static時(shí)，MS采用提前切換策略，切換容限隨速度動態(tài)降低，使MS能夠更快切換到目標(biāo)小區(qū)中。列車速度比固定值高K km/h時(shí)，動態(tài)可調(diào)切換容限減小HOMargin_Dynamic_Offset（n）dB，當(dāng)其值為3dB，式（11）中k1和k2分別取值為k1=200，k2=150，HOMargin（n）=6dB。

3.3 切換算法的仿真與分析

使用MATLAB9.0對切換模型進(jìn)行數(shù)值仿真并加以分析。仿真所需相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：小區(qū)半徑為R=3km，陰影衰落的標(biāo)準(zhǔn)方差σ=6dB，工作頻率f=900MHz，MS天線高度hr=4m，重疊區(qū)長度a=600m，基站高度ht=30m[6，7]。

圖1是只考慮路徑損耗時(shí)，相鄰兩個(gè)基站的接收電平隨距離變化的信號模型，圖中兩條曲線的交點(diǎn)表示越區(qū)切換的發(fā)生。

圖1 只考慮路徑損耗時(shí)的信號模型

慢衰落一般服從對數(shù)正態(tài)分布，圖2是標(biāo)準(zhǔn)方差為6.5dB時(shí)服從對數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落模型。

圖2 陰影衰落模型

圖3是在只考慮路徑損耗的信號模型中加入陰影衰落后的信號模型，圖中兩條接收電平的曲線在重疊區(qū)有多處交匯，意味著MS在重疊區(qū)將會發(fā)生乒乓切換，甚至掉話。

圖3 加入陰影衰落后的信號模型

圖4和圖5分別是中等速度下、高速下切換門限值改進(jìn)前后的對比圖。其中門限值較高的一條函數(shù)曲線為優(yōu)化后的信號曲線。

圖4 中等速度下優(yōu)化前后切換門限值與速度關(guān)系

圖5 高速下優(yōu)化前后切換門限值與速度關(guān)系

兩相鄰小區(qū)的重疊區(qū)的長度是有限的，隨著列車運(yùn)行速度的提高，留給移動臺執(zhí)行越區(qū)切換的時(shí)間會相對減少，因此越區(qū)切換的難度也隨之增加。這時(shí)，降低切換門限值減小使MS提前進(jìn)行切換，變相延長可用于執(zhí)行越區(qū)切換的時(shí)間，從而提高了越區(qū)切換的成功率。

從圖4和圖5我們可以看出，隨著列車運(yùn)行速度的加快，切換門限值逐漸減小。考慮到陰影衰落的影響，發(fā)生乒乓效應(yīng)的可能性增大，使越區(qū)切換的難度隨列車運(yùn)行速度的提高而逐漸提高。改進(jìn)后提高切換門限值的方式，推遲了MS觸發(fā)越區(qū)切換，這樣就實(shí)現(xiàn)了推遲向目標(biāo)小區(qū)切換的目的，防止了因乒乓切換而發(fā)生的變化，提高了越區(qū)切換的成功率。

4 結(jié)語

在CTCS3級列車運(yùn)行控制系統(tǒng)中，GSMR網(wǎng)絡(luò)為列車信息的傳輸提供了安全、可靠的傳輸通道，保障了列車在高速環(huán)境下運(yùn)行的安全。通過建立兩種算法的數(shù)學(xué)模型，利用MATLAB9.0軟件對兩模型進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算仿真分析，并得出結(jié)論。通過提高切換門限值的方法，減小了乒乓效應(yīng)發(fā)生的可能性，從而提高越區(qū)切換的成功率。

隨著GSMR網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，仍有許多諸如小區(qū)參數(shù)的設(shè)置、信道的調(diào)試和修正等多方面的問題，需要進(jìn)一步研究并提出解決方案。

參考文獻(xiàn)：

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基金項(xiàng)目：2018年，重慶公共運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院，“信號基礎(chǔ)設(shè)備維護(hù)”課程建設(shè)與改革（項(xiàng)目編號：YSJG20180505）

作者簡介：生慶月（1992—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，助教，研究方向：鐵路通信信號;蔡娟（1986—），女，漢族，四川廣安人，碩士，講師，專任教師，研究方向：軌道交通信號自動控制。