GSM-R同址雙基站異常切換原因分析及其優化方案

代小虎

（中國鐵路武漢局集團有限公司電務部，湖北武漢 430071）

0 引言

GSM-R網絡的越區切換是實現其網絡不間斷通信的核心技術之一，由越區切換時延造成的掉話約占總掉話數的40%，且通信質量低［1］。越區切換是高速鐵路寬帶無線通信系統的關鍵技術，對保障列車的行車安全和通信可靠性具有重要意義［2］。高鐵CDMA2000移動用戶呈線狀分布的特性，存在集中式小區頻繁切換、小區重選、位置更新及多普勒頻移等問題，容易導致網絡切換成功率低、掉話率高、通話質量差等缺陷［3］。在此，結合合武客運專線、京廣高鐵共用基站越區切換失敗問題查找及其解決方案，探討防止異常切換的有效手段，從而提高GSM-R網絡運用的可靠性。

1 同址雙基站切換問題分析

2009年4月1日，合武客運專線開通，同年12月26日，京廣高鐵武廣段通車，2012年12月26日，京廣高鐵全線貫通。京廣高鐵與合武客運專線在K1179+800位置交越并線，其中京廣高鐵GSM-R系統采用單網交織的組網方式，合武客運專線采用單網覆蓋的組網方式。帶寬不足和切換頻繁是高速鐵路現階段發展寬帶移動通信所面臨的關鍵問題［4］。由于鐵路無線頻率資源少，單基站覆蓋容災能力最差，交織站址冗余覆蓋容災能力最強，但投資成本較高［5］，為避免重復設置基站造成頻率資源浪費以及同頻或鄰頻干擾問題，因此在合武客運專線、京廣高鐵并線區段采用共用基站的方式，在交越位置的基站將決定列車在進、出并線區段時小區切換的順序，這將成為決定列車在沿京廣高鐵或合武客運專線方向運行時通信不中斷的重要環節，因此為防止在交越位置基站故障時帶來的風險，在該位置設置同址雙基站，即孝感北—橫店東26A/B（XGB-HDD26A/B）。

實際運用中，京廣高鐵孝感北—橫店東區間下行方向，在XGB-HDD26A/B小區附近K1180+800位置存在偶發異常切換，繼而引發切換失敗和C3超時問題，該區域為京廣高鐵和合武客運專線的交匯處，XGBHDD26A/B附近的基站分布見圖1，基站服務小區和鄰小區關系見表1。

圖1 XGB-HDD26A/B附近的基站分布

表1 基站服務小區和鄰小區關系

從圖1和表1可以看出，該區域基站較多，切換關系較為復雜。高速鐵路GSM-R動態檢測能夠測試本小區及鄰小區電平、干擾、通話質量等，從而根據檢測情況調整基站參數設置[6]，XGB-HDD26小區附近動態檢測結果見圖2。

圖2 XGB-HDD26小區附近動態檢測結果

XGB-HDD26A/B基站的天饋系統：XGB-HDD26A和XGB-HDD26B為同址雙基站結構，其天饋系統示意見圖3。

圖3 XGB-HDD26A/B基站天饋系統示意圖

XGB-HDD26A基站的天饋系統使用1層平臺，共3副天線，分別面向京廣高鐵上行、京廣高鐵下行和合武客運專線上行方向，其天線基本信息見表2。

XGB-HDD26B基站的天饋系統使用2層平臺，共3副天線，同樣分別面向京廣高鐵上行、京廣高鐵下行和合武客運專線上行方向，其天線基本信息見表3。

由于該位置地理位置比較特殊，是京廣高鐵與合武客運專線上、下行小區切換的樞紐，為了避免單基站故障造成切換失敗，在此處設置為同址雙基站以作備份，正常情況下使用XGB-HDD26A，當XGBHDD26A故障時，XGB-HDD26B承擔26A的樞紐職能。

表2 XGB-HDD26A基站天線基本信息

表3 XGB-HDD26B基站天線基本信息

1.1 切換失敗原因分析

1.1.1 切換順序統計分析

京廣高鐵孝感北—橫店東26A/B附近，下行方向主要有以下3種越區切換方式：

（1） 順序切換：XGB-HDD25→XGB-HDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（橫店東站）。

（2）非順序切換（未造成切換失敗或C3超時）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（橫店東站）。

（3）非順序切換（造成切換失敗或C3超時）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD25→切換失敗或C3超時。

造成該處C3超時的主要原因是第（3）種非順序切換。

1.1.2 接口監測數據分析

針對上述第（3）種情況，提取C3-Abis接口監測數據進行分析。

（1）XGB-HDD25→XGB-HDD26B切換接口監測數據見圖4。在K1179+026位置發生XGB-HDD25→XGBHDD26B小區切換時，服務小區XGB-HDD25的電平強度為-58 dBm，其鄰小區XGB-HDD26A、XGBHDD26B的電平強度分別為-60 dBm和-47 dBm，切換類型為更好小區（better cell）。

圖4 XGB-HDD25→XGB-HDD26B切換接口監測數據

（2）XGB-HDD26B→XGB-HDD27切換接口監測數據見圖5。當運行至K1181+507附近發生第2次切換，服務小區XGB-HDD26B的電平強度為-59 dBm，其鄰小區XGB-HDD27的電平強度為-50 dBm，切換類型為better cell。XGB-HDD26A和XGB-HDD26B無鄰小區關系。

圖5 XGB-HDD26B→XGB-HDD27切換接口監測數據

（3）XGB-HDD27→XGB-HDD26A切換接口監測數據見圖6。繼續前行至K1181+757附近時發生第3次切換，服務小區XGB-HDD27的電平強度為-55 dBm，鄰小區XGB-HDD26A的電平強度為-53 dBm，切換類型為better cell。

對比切換前后，XGB-HDD27和XGB-HDD26A小區的電平強度非常接近，僅（±2～3）dB的差值。

（4）XGB-HDD26A→XGB-HDD25切換接口監測數據見圖7。當繼續前行至K1182+828時發生第4次切換，發生切換時服務小區XGB-HDD26A的電平強度為-62 dBm，鄰小區XGB-HDD27和XGB-HDD25的電平強度分別為-48 dBm和-56 dBm。

圖7 XGB-HDD26A→XGB-HDD25切換接口監測數據

由于14：15：06在K1181+757發生了XGB-HDD27對XGB-HDD26A的小區切換，當14：15：34在K1182+828處時，由于設置了XGB-HDD27對XGBHDD26A的防回切時間為30 s，而發生本次切換時在運行28 s后，出現了符合切換條件的小區XGB-HDD27和XGB-HDD25，雖然同為鄰小區的XGB-HDD27電平強度要比XGB-HDD25高出很多，由于受到防回切時間30 s的限制因而無法完成切換。

當切換完成后，占用XGB-HDD25的1015頻點，業務信道（TCH）頻點：1017，電平強度為-61 dBm，而此處與XGB-HDD27距離很近，且XGB-HDD27的頻率設置為1014和1016，電平強度為-48 dBm，比XGBHDD25高出13 dB，滿足鄰頻干擾的條件，因而直接下行質差掉話，造成C3超時。

1.1.3 異常切換分析

綜合以上4階段切換數據，XGB-HDD27→XGBHDD26A和XGB-HDD26A→XGB-HDD25兩個小區切換階段存在異常。

（1）XGB-HDD27→XGB-HDD26A。當移動終端發生XGB-HDD26B→XGB-HDD27小區切換后，僅運行了4 s就發生了XGB-HDD27→XGB-HDD26A的小區切換，并且XGB-HDD27和XGB-HDD26A小區的電平強度非常接近，因此可考慮增大該處XGB-HDD27對XGBHDD26A功率預算切換門限值（HOM值）的方式避免回切。

XGB-HDD27對XGB-HDD26A的HOM值為64，即高1 dB；而XGB-HDD27對XGB-HDD26B的HOM值為67，即高4 dB，因此考慮不改變正常上行方向XGBHDD27對XGB-HDD26A/B切換順序的前提下，將XGB-HDD27對XGB-HDD26A的HOM值修改為66。

（2）XGB-HDD26A→XGB-HDD25。此處小區異常切換主要是XGB-HDD27→XGB-HDD26A的防回切時間還未超時導致，下一站橫店東站為合武客運專線、京廣高鐵共用車站，京廣高鐵下行方向，部分列車減速經橫店東站進入合武客運專線，部分列車正常速度通過橫店東站繼續沿京廣高鐵運行，本次異常切換列車運行的平均速度為225 km/h，運行時長為28 s，正常速度310 km/h通過用時約為20.3 s，如果采用調整防回切參數避免這一階段的異常切換，必須將防回切參數從30 s減至20 s，但是如此大的調整可能會造成其他未知問題，因此暫不采用。

1.1.4 綜合檢測數據分析

XGB-HDD26A/B位置下行方向測試結果見圖8。從圖8可見，XGB-HDD25在K1179+500附近發起了小區切換，由于在K1179+000—K1179+500區間XGBHDD26A的電平比XGB-HDD26B的電平整體水平低，且最大差值達到13 dB，因此最后切換到XGB-HDD26B小區。重新對XGB-HDD26A/B異常切換造成的C3超時進行分析，發現凡是從XGB-HDD25切換到XGBHDD26A的列車，其后的切換正常，沒有發生C3超時；而從XGB-HDD25切換到XGB-HDD26B的列車，其后的切換均非正常順序，部分列車出現了C3超時，且對于此處雙基站的設置，XGB-HDD26B本身就是XGBHDD26A的備份基站。

圖8 XGB-HDD26A/B位置下行方向測試結果

根據上述分析結果，解決思路是：如果能夠控制在XGB-HDD26A正常工作的情況下，下行方向XGBHDD25小區下的所有列車均切換到XGB-HDD26A小區，就可以解決此處異常切換和C3超時的問題。為保證XGB-HDD25小區優先切換至XGB-HDD26A小區，需要具備2個條件：一是XGB-HDD25小區與XGBHDD26B小區在該區間不發生切換；二是XGBHDD26A小區的電平強度比XGB-HDD26B小區高，且滿足切換條件。綜合以上分析，通過降低XGBHDD26B基站的發射功率可以達到該目的。

1.2 原因定位

綜上所述，造成XGB-HDD26A/B小區異常切換的原因為：（1）XGB-HDD27→XGB-HDD26A小區的異常回切；（2）XGB-HDD26B小區的覆蓋異常。

2 優化方案及其效果

2.1 優化方案

XGB-HDD25小區對XGB-HDD26A小區和XGBHDD26B小區的HOM值分別為66（高3 dB）和69（高6 dB），由于XGB-HDD25在切換至XGB-HDD26B前，只有在K1179+400之后，XGB-HDD26B的電平值才持續比XGB-HDD25高6 dB以上；而在K1179+400位置XGB-HDD26A的電平值也已經抬升至-55 dBm，隨后快速達到-47 dBm以上，因此可先將XGB-HDD26B基站的發射功率降低6 dB，之后再進行微調。

（1）XGB-HDD26A小區正常情況下切換位置的變化。當XGB-HDD26B基站降低發射功率6 dB后，在K1179+500位置，XGB-HDD26B的電平值約為-53 dBm，而此處XGB-HDD25的電平值約為-56dBm，而此處XGBHDD26A的電平值約為-48dBm，因此降低6 dB應可滿足最初設置條件。

（2）XGB-HDD26A故障情況下的切換。當XGBHDD26A故障時，則需要XGB-HDD25向XGB-HDD26B小區進行切換，因此當XGB-HDD26B降低6 dB之后，在K1179+700附近移動臺測到XGB-HDD26B的電平強度如下：移動臺測到的電平強度=基站發射功率-天饋系統損耗-距離100 m的空間損耗，其中基站滿功率發射的電平值為46 dBm，考慮降低6 dB的發射功率后此處取值40 dBm，天饋系統損耗取值7 dBm，空間損耗取值71.47 dBm，最后算得移動臺測到的電平強度為-38 dBm，而此處XGB-HDD25的電平強度為-57 dBm，因此滿足其切換條件，不會因功率降低影響XGB-HDD26B所起到的冗余覆蓋。

2.2 優化效果

通過調整XGB-HDD27對XGB-HDD26A小區HOM值和降低XGB-HDD26B基站發射功率，觀察3日內下行方向所有列車的小區切換均為XGB-HDD25→XGBHDD26A小區切換。針對還有極少數列車存在切往XGB-HDD26B的情況，調整XGB-HDD25對XGBHDD25B的HOM值，由69提高至71，最終解決這一問題。至此，京廣高鐵XGB-HDD26A/B雙基站位置異常切換問題得到解決。

2.3 小區切換的重要參數

2.3.1 HOM值

HOM值是用于定義“功率預算切換”的切換電平門限。由于功率預算發生的切換是由于移動臺（MS）選擇better cell，此值定義了作為MS待切換鄰小區（ADJC）的功率偏差值，以決定此ADJC是否符合此差值條件被MS切入。

當MS位于小區邊緣時，可能會有若干相鄰小區作為待切換目標候選小區，通過設置這些ADJC中不同的HOM值可以控制MS的切換方向。

對于較易產生乒乓切換的小區交界處，可以通過不同的HOM值設置來抑制反復的乒乓切換。

HOM取值范圍：0～126，單位：1 dB，0＝-63 dB。

2.3.2 防回切參數

防回切參數用于在一定時長內限制定向重試（Directed Retry）后的切回嘗試請求。

由于業務信道擁塞，在開啟了Directed Retry時，TCH指配會對合適的相鄰小區嘗試Directed Retry過程。當Directed Retry成功后，防止回切限制時長（TIMERFHO）開始計時，則在TIMERFHO規定的時長內，禁止已指配到此ADJC中的Directed Retry連接由于功率預算（PBGT）原因而對原小區進行切換請求嘗試。只有當計時器的值達到TIMERFHO規定值之后，才允許進行功率余量原則切換（PBGT HO）嘗試。

取值范圍：1～320，單位：10 s。

3 相關建議

在進行GSM-R網絡參數調整時，需要對問題小區及其附近所有小區的場強覆蓋、切換進行統籌考慮，經過計算后方可實施參數的修改，避免出現新的問題［7］。

由于并線區段及交叉區域的距離非常接近，從無線角度來講，若頻率分配稍有不慎或周邊地區突發干擾信號，就會引起同頻干擾、鄰道干擾、互調干擾等各種情況的發生，給無線網絡優化工作帶來了極大困難。需要結合實際地理位置考察、全球定位系統（GPS）、服務質量（QoS）值及場強圖的分析，提出網絡優化方案，有效解決網絡干擾及切換問題［8］。針對并線交叉區段位置設置雙基站，需要對雙基站的覆蓋進行細致調整，避免在主用基站正常工作的情況下，備用冗余基站代替其參與切換，造成切換異常。

為了克服基于接收信號強度的越區切換觸發機制的局限，可以考慮建立基于發送切換邀請的準周期觸發機制，使越區切換的觸發更及時、準確和可靠，防止乒乓切換現象的發生［9］。

越區切換成功率均隨列車運行速度的增加而降低，而LTE-R的越區切換成功率高于GSM-R，且受列車運行速度增加的影響較小，在后續鐵路建設中，建議采用LTE-R通信網絡［10-11］。

4 結束語

隨著我國高鐵線路的不斷延伸，GSM-R網絡覆蓋范圍不斷擴大，因此確保GSM-R系統安全、可靠運用是面臨的重大責任和挑戰，需要在工作中不斷總結經驗，摸索規律，不斷優化方案，從而采取有效措施改善網絡運行環境，為鐵路運輸安全有序提供有力保證。