GSM-R通信切換事件對(duì)CTCS-3級(jí)轉(zhuǎn)CTCS-2級(jí)列控的影響

劉海波

（廣州集團(tuán)廣州通信段，廣州 510080）

武廣高速鐵路以GSM-R鐵路移動(dòng)通信系統(tǒng)作為通信網(wǎng)絡(luò)承載，采用CTCS-3（簡(jiǎn)稱C3）級(jí)列控系統(tǒng)技術(shù)，滿足時(shí)速300 km高速列車正向運(yùn)行，追蹤間隔3 min的要求，具備反向行車能力，兼容CTCS-2（簡(jiǎn)稱C2）級(jí)列控系統(tǒng)。在運(yùn)營(yíng)中將列車在C3級(jí)列控系統(tǒng)控制下行駛稱為C3模式，列車在C2級(jí)列控系統(tǒng)控制下行駛稱為C2模式。

1 C3級(jí)列控系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)

C3級(jí)列控系統(tǒng)包括地面設(shè)備和車載設(shè)備。地面設(shè)備由無(wú)線閉塞中心(RBC)、列控中心(TCC)、ZPW-2000（UM）系列軌道電路、應(yīng)答器（含LEU）、GSM-R通信系統(tǒng)等組成；車載設(shè)備（ATP）由車載安全計(jì)算機(jī)（VC）、含兩個(gè)電臺(tái)（手機(jī)卡）的GSM-R無(wú)線通信單元（RTU）、軌道電路信息接收單元（TCR）、應(yīng)答器信息接收模塊（BTM）、記錄單元、人機(jī)界面（DMI）、列車接口單元（TIU）等組成。

其中RBC是基于故障-安全計(jì)算機(jī)平臺(tái)的信號(hào)控制系統(tǒng)，屬于C3級(jí)列控系統(tǒng)的地面核心設(shè)備。RBC通過(guò)GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)接收車載設(shè)備發(fā)送的位置和列車數(shù)據(jù)等信息，從而根據(jù)所控制列車的狀態(tài)，其控制范圍內(nèi)的軌道占用、列車進(jìn)路狀態(tài)、臨時(shí)限速命令、災(zāi)害防護(hù)和線路參數(shù)、軌道電路、聯(lián)鎖進(jìn)路等信息，產(chǎn)生針對(duì)所控列車的移動(dòng)授權(quán)（MA）信息即行車許可，并通過(guò)GSM-R無(wú)線通信系統(tǒng)將行車許可、線路參數(shù)、臨時(shí)限速傳輸給C3級(jí)車載設(shè)備，保證其管轄范圍內(nèi)列車的運(yùn)行安全。

ATP中的車載安全計(jì)算機(jī)，根據(jù)地面設(shè)備提供的行車許可、線路參數(shù)、臨時(shí)限速等信息和動(dòng)車組參數(shù)，按照目標(biāo)-距離連續(xù)速度控制模式生成動(dòng)態(tài)速度曲線，監(jiān)控列車安全運(yùn)行。并根據(jù)計(jì)算出的最大允許速度與列車實(shí)際行駛速度（從測(cè)速模塊中取得）做對(duì)比，判斷是否執(zhí)行制動(dòng)。

2 C3與C2模式等級(jí)變換

當(dāng)GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)、車載設(shè)備或RBC發(fā)生故障時(shí)，裝備了C3級(jí)系統(tǒng)的列車在可以將列車速度降至C2級(jí)允許速度后，自動(dòng)轉(zhuǎn)換為C2模式，并關(guān)閉與RBC的通信會(huì)話。若列車在RBC管轄范圍降為C2模式，列車會(huì)在經(jīng)過(guò)RBC邊界的切換預(yù)告應(yīng)答器組后自動(dòng)呼叫下一個(gè)RBC電話號(hào)碼，重新執(zhí)行C3模式啟動(dòng)流程。

3 通信切換事件對(duì)C3模式轉(zhuǎn)C2模式的影響

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

3.1 基站小區(qū)切換

武廣高速鐵路無(wú)線覆蓋采用交織單網(wǎng)覆蓋方式，如圖1所示。這種覆蓋方式的基站重疊區(qū)域較深，有一定的基站冗余且互為冗余的基站不分層。當(dāng)某一基站發(fā)生故障時(shí)，相鄰兩個(gè)基站場(chǎng)強(qiáng)覆蓋可以滿足通信需要，網(wǎng)絡(luò)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(yùn)行速度達(dá)到300 km/h，為使移動(dòng)臺(tái)從一個(gè)小區(qū)移動(dòng)到另一個(gè)小區(qū)通話能夠繼續(xù)，需要進(jìn)行頻繁的越區(qū)切換，如果小區(qū)覆蓋區(qū)域?yàn)? km，那么40 s左右就要進(jìn)行一次越區(qū)切換，切換次數(shù)頻繁。另外，列車高速穿越小區(qū)邊界，如果切換準(zhǔn)備時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，列車來(lái)不及切換就離開(kāi)了重疊區(qū)，會(huì)造成通信中斷；如果列車后方BTS的信號(hào)較強(qiáng)，網(wǎng)絡(luò)根據(jù)切換算法選擇后方小區(qū)為目標(biāo)小區(qū)，又會(huì)導(dǎo)致乒乓切換。設(shè)計(jì)切換鄰小區(qū)列表，是簡(jiǎn)化切換過(guò)程、避免乒乓切換、提高切換成功率的關(guān)鍵。

3.2 GSM-R小區(qū)切換過(guò)程

根據(jù)GSM-R標(biāo)準(zhǔn)，基站至移動(dòng)臺(tái)之間允許的最大信號(hào)時(shí)延為115 μs，該數(shù)值對(duì)應(yīng)空間傳輸距離為35 km。基于越區(qū)切換的可靠性要求，武廣高速鐵路GSM-R系統(tǒng)基站間距在滿足覆蓋的前提下設(shè)置在3～4 km，列車在鐵路沿線高速運(yùn)行，一次呼叫可能會(huì)經(jīng)過(guò)多個(gè)小區(qū)，由于GSM-R采用了頻率復(fù)用，相鄰小區(qū)采用不同的頻率，為使通話不被中斷需要自動(dòng)切換信道，有目的地調(diào)整越區(qū)切換算法，可以調(diào)整小區(qū)與網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)，定義切換方向，減輕小區(qū)話務(wù)擁塞等作用。

切換的完成主要依賴兩方面：一個(gè)是移動(dòng)臺(tái)和BTS的測(cè)量報(bào)告，另一個(gè)是各種切換控制參數(shù)。基本的切換控制流程如下。

1）測(cè)量報(bào)告的保存：測(cè)量報(bào)告主要保存上下行測(cè)量數(shù)據(jù)、時(shí)間提前量（TA）、鄰近小區(qū)的測(cè)量數(shù)據(jù)和干擾小區(qū)的測(cè)量數(shù)據(jù)。

2）平均值的計(jì)算：為了避免復(fù)雜的無(wú)線傳輸所造成的突變測(cè)量值帶來(lái)不利影響，BSC在做ieh決策時(shí)使用的不再是原始測(cè)量數(shù)據(jù)，而是測(cè)量數(shù)據(jù)的一系列平均值，這樣就減少了突變測(cè)量值的影響。

3）閥值比較：BSC將每個(gè)預(yù)處理后的測(cè)量結(jié)果與其相關(guān)的門限作比較，以判斷是否觸發(fā)切換過(guò)程。觸發(fā)切換過(guò)程的門限（切換參數(shù)）主要有接收質(zhì)量（RXQUAL）、接收電平（RXLEVEL）、MS與BTS的距離、預(yù)算功率。

4）候選小區(qū)的選擇：候選小區(qū)是由BTS生成切換目標(biāo)小區(qū)列表，根據(jù)切換算法選擇新的信道。

5）切換執(zhí)行：切換執(zhí)行過(guò)程的主要任務(wù)是分配、激活一個(gè)新信道，然后切換這個(gè)信道上，由MS、BTS、BSC和MSC共同執(zhí)行。

3.3 GSM-R切換算法

GSM-R切換算法主要有質(zhì)量切換、電平切換、功率預(yù)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(wǎng)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(huán)境中不必要的切換，可以設(shè)置服務(wù)小區(qū)最低服務(wù)信號(hào)強(qiáng)度門限，只有低于此門限并滿足標(biāo)準(zhǔn)功率預(yù)算切換算法，才發(fā)起切換請(qǐng)求。該算法可以降低覆蓋交叉環(huán)境中不必要的切換。

2）鄰區(qū)切換算法：算法中設(shè)置時(shí)延，移動(dòng)臺(tái)進(jìn)入服務(wù)區(qū)開(kāi)始計(jì)時(shí)，在滿足標(biāo)準(zhǔn)功率切換算法并在計(jì)時(shí)器超時(shí)才發(fā)起切換請(qǐng)求。該時(shí)延的數(shù)值要結(jié)合小區(qū)半徑和列車運(yùn)行速度綜合考慮設(shè)置，算法的目的是減少乒乓切換。

3）小區(qū)延時(shí)切換算法：設(shè)置試驗(yàn)和鄰小區(qū)最低服務(wù)信號(hào)強(qiáng)度門限，當(dāng)滿足標(biāo)準(zhǔn)功率預(yù)算切換算法并且鄰小區(qū)的信號(hào)強(qiáng)度超過(guò)所設(shè)的門限值時(shí)開(kāi)始計(jì)時(shí)，計(jì)數(shù)器的值隨賦值的次數(shù)增加而增加。該算法能顯示出鄰小區(qū)的信號(hào)連續(xù)增強(qiáng)，能夠減少乒乓切換，保證切換質(zhì)量。

4）快速移動(dòng)切換算法：算法中設(shè)置延時(shí)和動(dòng)態(tài)偏置，在滿足小區(qū)延時(shí)算法的情況下，在計(jì)時(shí)期間加上動(dòng)態(tài)偏置，抑制標(biāo)準(zhǔn)功率預(yù)算切換。只有在計(jì)時(shí)期間鄰區(qū)信號(hào)抑制超過(guò)門限值，才發(fā)起切換請(qǐng)求。算法的目的是減少乒乓切換。

在實(shí)際應(yīng)用中可以選取上面一種或幾種算法的組合，并根據(jù)測(cè)試設(shè)置合理的參數(shù)，提高切換質(zhì)量。

4 切換失敗分析及相關(guān)優(yōu)化措施

GSM-R是在快速移動(dòng)的環(huán)境下，越區(qū)切換的時(shí)間應(yīng)比GSM環(huán)境中短，即要求快速切換并使越區(qū)切換的算法能夠較好地執(zhí)行，系統(tǒng)對(duì)切換的判斷更加準(zhǔn)確、有效。選取切換參數(shù)必須注意以下兩個(gè)問(wèn)題：一是為了做出迅速的切換決定，緊急切換（質(zhì)量切換、電平切換、距離切換）的決定時(shí)間應(yīng)該足夠短；二是為了保證切換決定的正確性，功率預(yù)算性切換的決定時(shí)間應(yīng)該足夠長(zhǎng)。

另外，配置常用GSM-R測(cè)試優(yōu)化工具，發(fā)揮每種工具各自的特點(diǎn)，盡量全面把握網(wǎng)絡(luò)的狀態(tài)。

1）測(cè)試接收機(jī)（場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試軟件）、測(cè)試模塊（QoS測(cè)試軟件）、測(cè)試手機(jī)（路測(cè)軟件）、便攜式頻譜分析儀、GPS接收機(jī)。主要應(yīng)用在鐵路沿線場(chǎng)強(qiáng)、QoS指標(biāo)以及信號(hào)接收質(zhì)量、切換（Handover）、TA、三層信令和控制信道（BCCH）、相鄰小區(qū)的信息等進(jìn)行相關(guān)測(cè)試。

2）接口監(jiān)視系統(tǒng)。主要應(yīng)用在對(duì)A接口、Abis接口、PRI接口監(jiān)視，對(duì)信令進(jìn)行監(jiān)測(cè)及統(tǒng)計(jì)分析。

3）信令儀。采集不同用戶、不同接口、不同信道的信令數(shù)據(jù)，對(duì)信令進(jìn)行解碼分析。

引起越區(qū)切換失敗的主要原因有覆蓋及干擾、天饋系統(tǒng)問(wèn)題、BSC及BTS軟硬件問(wèn)題、傳輸問(wèn)題、其他問(wèn)題等。

4.1 覆蓋和干擾

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

干擾分為系統(tǒng)內(nèi)部干擾和外部干擾。系統(tǒng)內(nèi)部干擾主要是由于頻率規(guī)劃和小區(qū)規(guī)劃不當(dāng)?shù)茸陨碓蛟斐傻耐l、鄰頻干擾等。對(duì)于系統(tǒng)內(nèi)部干擾，目前主要采用更改小區(qū)頻點(diǎn)，調(diào)整基站天線高度和俯仰角等手段解決。前期株北聯(lián)絡(luò)線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化方案就通過(guò)改變聯(lián)絡(luò)線基站天線下傾角和方位，有效解決了聯(lián)絡(luò)線與武廣正線基站可能出現(xiàn)的非正常切換問(wèn)題。系統(tǒng)外部干擾主要為其他運(yùn)營(yíng)商的基站、電視臺(tái)大功率電臺(tái)、微波雷達(dá)、高壓電力線等。解決外部干擾主要采用路測(cè)，找出干擾源，協(xié)調(diào)外單位進(jìn)行清頻工作，減少對(duì)GSM-R系統(tǒng)的影響。

4.2 天饋系統(tǒng)問(wèn)題

1）駐波比過(guò)大。過(guò)大的駐波比容易導(dǎo)致通信質(zhì)量變差，出現(xiàn)掉話，引起駐波比告警原因主要有饋線頭或跳線頭松動(dòng)或脫落、饋線頭進(jìn)水、天線或饋線受傷以及干擾等，可以通過(guò)重做或緊固饋線頭、跳線頭、打開(kāi)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(qū)方位角、下傾角不合理。在基站安裝過(guò)程中每個(gè)定向小區(qū)均有A、B兩副天線，當(dāng)兩副天線的方位角不同時(shí)，會(huì)形成A和B所覆蓋區(qū)域不一致。在A覆蓋區(qū)的用戶可以收到控制信號(hào)SDCCH，但用戶一旦被指定為由另一副天線發(fā)射出的TCH時(shí)，就會(huì)造成掉話。而在B覆蓋區(qū)域的用戶將無(wú)法收到信號(hào)。方位調(diào)準(zhǔn)一致非常重要，目前方位調(diào)測(cè)工具大部分采用羅盤。

3）天線隔離度不足，兩副天線之間應(yīng)保持一定的水平距離，以實(shí)現(xiàn)分集接收。否則，將會(huì)降低收信靈敏度，產(chǎn)生掉話。兩副天線之間的水平距離經(jīng)驗(yàn)值應(yīng)為垂直距離的十分之一，至少應(yīng)大于3 m。

4.3 BSC及BTS軟硬件問(wèn)題

BSC和BTS硬件故障、時(shí)鐘漂移、軟件問(wèn)題、參數(shù)設(shè)置不合理都有可能導(dǎo)致切換失敗。參數(shù)設(shè)置在網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化中常常涉及，其中功率預(yù)算性切換的切換容限參數(shù)和乒乓切換保護(hù)時(shí)間參數(shù)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(wèn)題

1）傳輸同步不穩(wěn)定或傳輸誤碼率大會(huì)造成基站小區(qū)切換成功率偏低，且無(wú)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(cè)試等方式，盡早發(fā)現(xiàn)和消除傳輸誤碼或同步不穩(wěn)定產(chǎn)生的原因，減少對(duì)網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的影響。

2）目標(biāo)小區(qū)忙也會(huì)造成越區(qū)切換失敗。目標(biāo)小區(qū)忙，無(wú)可用信道導(dǎo)致切換失敗,可以對(duì)目標(biāo)小區(qū)擴(kuò)容或減小覆蓋范圍。當(dāng)前武廣高鐵用戶數(shù)量較少，沿線小區(qū)通常配置為兩個(gè)載頻，大型車站或容量大的小區(qū)配置3個(gè)載頻，能夠滿足當(dāng)前用戶接入需要。

5 結(jié)束語(yǔ)

GSM-R通信網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換頻繁，在平常的維護(hù)中，應(yīng)該綜合各種手段，優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)，降低通信切換失敗幾率，減少因小區(qū)切換失敗造成C3模式轉(zhuǎn)C2模式的故障，讓武廣高速鐵路運(yùn)行更加安全可靠。

[2] 馬麗蘭．高速客運(yùn)專線GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化技術(shù)研究[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)．2009（5）：11-13.

[3] 傅世善．列控系統(tǒng)的應(yīng)用等級(jí)——鐵路信號(hào)基礎(chǔ)知識(shí)第八講[J]．鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)．2010（6）：78-79.

[4] 李新．GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋中的技術(shù)研究[D]．成都：西南交通大學(xué)，2007.

[5] 王春花．無(wú)線閉塞中心的測(cè)試方法研究[D]．北京：北京交通大學(xué)．2008.