GSM-R无线网络覆盖实现及越区切换性能研究

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一、GSM一R系统概述

GSM一R是针对铁路通信而专门设计的综合数字移动通信系统，其以GSM为基础设施，既保有GSM原有业务划分，又增添了铁路特定的应用，使铁路用户可在GSM一R平台上开发各种铁路相应的应用。

GSM一R业务包括：高级语音呼叫和铁路特有调度两项业务。高级语音呼叫包括语音组呼、语音广播和增强多优先级及强拆。铁路特有调度包含功能寻址，接入矩阵与基于位置寻址。

1964年，日本东海道新干线作为世界上第1条高速铁道正式通车，标志着世界进入高速铁路建设时代。高速铁路对各方面的铁路技术提出新要求，德国、法国、英国、意大利、瑞典等国都已采用的GSM一R系统建成高速铁路，由此看来GSM一R受到各国高速铁路业的青睐。我国高铁建设起步晚， 1999年8月建设的秦沈专线是我国高速铁路建设的起点。截止到2020年，我国计划建造、使用高速铁路总里程约1.2万km。

二、GSM一R无线网络覆盖和实现

在铁路带状环境中，建设GSM一R无线网络应尽可能采用定向的天线，以方便调整方位进行带状覆盖，形成沿着铁路的椭圆小区。

(一)GSM一R无线覆盖

据欧洲GSM一R标准和规范，GSM一R网络在可用性、服务质量、容灾、冗余可靠等方面比其他公众通信网络要求要严格，GSM一R的安全性级别很高，要满足在高速的条件下通话需求和列控需求。

1、网络覆盖要求：98dBm，95%时间区域(列调);95dBm，95%时间区域(列控，速度<220km小);92dBm，95%时间区域(列控，速度>280ki孔七)。

2、通话建立时间(95%的情况)：应急通话少于2秒;操作通话少于5秒;低优先级通话少于10秒。

3、高越区的切换成功率。

4、保证铁路车站、铁路隧道、铁路站场等区域高质量无线覆盖。

5、高级别抗干扰能力。

依据铁路专线具体的特点，针对其GSM一R系统进行特殊组成环节设计，采取不同组网的解决方案，用以满足具体要求。

(二)无线双网覆盖方式

对于GSM一R系统无线双层覆盖结构来说，在正常工作情况下，移动台通常在主用层小区切换。如果主用层基站发现故障就会触发主用层基站切换到备用层网络，主用层恢复后，再切换回主用层。

(三)专用模式下GSM一R双网实现

对于双层网络而言，位于第一层连续两个基站间的第二层基站，互相为冗余两层网络，其提供场强的覆盖区域不相同。第二层基站恰当弥补第一层小区的重叠区域内场强弱的区域。目前欧洲的国家多采用的是交织站址的双层网络。而在我国大多采用交织站址的双层网络均匀分担方式。

三、GSM一R无线网络越区切换性能分析

GSM一R无线网络越区切换指端到端通话移动台或语音组呼中占用上行链路的相对应移动台，在小区间移动时维持呼叫不间断的过程。切换用于满足无线网络管理需要，减轻网络的拥塞。与GSM系统相对比，GSM一R的小区半径小，越区切换概率高。因此GSM一R无线网络的越区切换性能影响磁卡整个GSM一R无线网络的服务质量。

(一)越区切换的流程分析

GSM一R无线网络越区切换过程分为四阶段：测量，触发，选择与执行。整个GSM一R无线网络的切换过程由MS、BSC、BTS、和MSC协同完成，MS测量无线子系统的下行链路性能与小区中接收的信号强弱;BTS监视每一个被服务之移动台上行接收的点平与质量，在空闲话务信道上进行干扰电平的监测。BTS把测量结果发至BSC，BSC完成最初判决。判决从其他BSS、MSC发来信息的测量结果由MSC完成。

(二)切换掉话的性能分析

GSM一R无线网络掉话现象是使用移动台过程中常见的问题，它是系统不良的综合表现，影响系统运行的质量。掉话率是通信网络中的重要指标，掉话率的高低反映出移动网络通信质量的水平。引起掉话原因很多，主要包括无线链路故障，越区切换失败及系统故障等因素。越区切换的掉话问题主要是因为GSM一R系统中的越区切换是硬性切换，切换时掉话风险比较大，据不完全统计，由于切换而发生的掉话占整个网络掉话40%。所以要针对掉话改进GSM一R无线网络的性能，尽可能减少掉话情况的发生。

(三)切换阻塞的性能分析

GSM一R无线网络呼叫阻塞指由于没有空闲信道导致的呼叫阻塞性中断。呼叫分成源发呼叫与切换呼叫，由于GSM一R无线网络与单层网络相比，其无线资源比较少，因此当呼叫和切换业务量较大的时候，极易发生切掉阻塞。切换成功率影响系统的整体运营服务质量，因此必须重视减少发生切换阻塞。

为降低GSM一R无线网络阻塞概率，宜采用切换排队，即当小区没有空闲的信道时，切换呼叫可以排队等待，在排队的有效对应时间内，一旦有释放的信道，切换呼叫就可占用这个信道，减小切换阻塞。

四、高速铁路GSM一R越区切换

高速运行的列车(25Okm/小时以上)对无线通信系统有更高要求，列车的自动控制、告警、无线通信、调车通信、铁路维护、车次号及售票系统等方面都对无线通信有不同的要求。

(一)高速铁路GSM一R越区切换存在的问题

高速铁路要求GSM一R系统越区切时间要更短，切换的成功率要更高。GSM一R无线网络要可以提供可靠性与有效性更高的服务，与普速铁路比较，客运专线的列车高速运行带来的多普勒频移、越区切换、无线信道变换等技术难题都需要解决。

高速铁路的GSM一R无线网络越区切换要减少切换次数，简化切换过程，避免切换，及时、快速完成切换是提升GSM一R越区切换性能的关键。下面分阶段进行说明：

1、网络规划阶段

在列车高速运行过程中，越区切换会频繁发生，如果经常呼叫中断，会给列车运行造成安全性的威胁。因此在GSM一R网络规划阶段应减少总越区切换的次数。为避免在移动小区的边界处切换次数增加，在进行网络规划时应该采用一个基站配设两根定向天线，通过功率祸合器连接两根定向天线后接到基站内收发信机上，配以相同频率。每根定向天线对应一块扇区，扇区间形成了单一小区。这种方式可有效减少总越区切换的次数。此外为减小同频、邻频干扰，分配相邻小区的频点须有适当的间隔。

2、网络优化阶段

优化GSM一R网络是长期的、细致的工作，要保障GSM一R无线网络的覆盖质量良好，消除覆盖中的盲区、弱场，保持相整理邻小区有深重叠的区域和越区切换区内信号良好;在网络运行中不断进行优化配置，使GSM一R网络的服务质量不断加强。对于高铁的GSM一R系统来说，减少切换次数，降低切换进的掉话率，提升切换成功率是GSM一R系统网络优化阶段的重要内容。可以从调整切换门限值、利用乒乓切换拒绝定时器、调整天线俯仰角三方面优化GSM一R网络。

(二)高速铁路越区切换算法

为使移动台能及时切换，保证用户通话顺利进行，要依据触发条件的不同进行移动台相应切换。触发过程有七种切换算法，它们是命令重试法、捕获切换法、质量切换法、电平切换法、距离切换法、功率估计切换法和业务切换法。

铁路小区规划线状覆盖，切换目标小区单一，可采用电平切换法与距离切换法;对高速运动的移动台诮采用功率估计切换法切换。其他的高速高速铁路越区切换算法的运用，要依据具体情况具体分析，然后实施。

五、结论

随着我国高速铁路飞速发展，GSM一R无疑网络技术在铁路通信中的作用越来越重要。从铁路特殊安全考虑，GSM一R无线系统的线状覆盖和越区切换也提出更高要求。GSM一R作为一种先进的移动通信技术体系，为高速铁路的专用通信提供了有着强大的功能、丰富的业务，稳定而可靠的信息化平台。

随着铁路通信需求的快速增长和新一代移动通信系统相继崛起，铁路GSM一R无线网络覆盖必定会实现无疑覆盖，而GSM一R无线网络系统的越区切换性能也会得到更大程度的提升。