高速鐵路頻率資源利用率優化方法

丁珣

隨著我國高鐵建設的開展，全路已經開通的GSM-R線路越來越多，在一些大的鐵路樞紐以及線路較密集的城市中心地帶，GSM-R基站的站點也越來越多，隨之帶來的問題是頻率資源越來越緊張［1-2］。頻率資源的制約會限制站點布置，在某些特殊情況下還會涉及到大量既有線網絡調整，包括既有頻率修改、減少既有站點頻率配置、關停既有站點等，而既有線網絡特別是CTCS-3級線路的調整會帶來安全隱患，調整前、后需要進行充分的驗證工作［3-4］。針對頻率資源緊張的問題，提出了基于“直接重試”功能的頻率資源利用率優化方法，并在實際應用中得到了驗證。

1 頻率規劃

根據我國的無線頻率資源規劃，鐵路可用頻段為GSM900頻段，上行885～889 MHz，下行930～934 MHz，共4 MHz頻率帶寬，21個載頻，頻道序號為999～1019，其中999、1019頻點作為保護頻點不建議使用，實際可用頻點只有19個，頻道序號為1000～1018［5-6］。

在進行GSM-R網絡覆蓋規劃時，不僅要考慮覆蓋電平，同時也要考慮頻率規劃。頻率規劃會對GSM-R組網帶來諸多制約因素，良好的頻率規劃是網絡服務質量的基礎［7］。頻率規劃時要同時考慮同頻干擾、鄰頻干擾和互調干擾等因素，并使載干比C/I滿足以下要求。

1）同頻道載干比：控制信道及列控業務信道C/I≥12 dB。

2）鄰頻道載干比：C/I≥-6 dB。

3）偏離載波400 kHz時的干擾保護比：C/I≥-38 dB。

目前GSM-R網絡覆蓋方式主要有單網覆蓋和單網交織覆蓋2種。單網覆蓋模式下基站間距6～8 km，單網交織覆蓋模式下基站間距為3～4 km。按照《鐵路數字移動通信系統（GSM-R）設計規范》［8］要求，基站載頻數量應根據業務需求（即語音類業務、列車運行控制類電路域數據業務、分組域業務信道）來確定，目前常用的配置為車站基站采用3個載頻，區間基站采用2個載頻［9-10］。

以京滬高鐵、京九線、京雄高鐵交叉并線區段為例，如圖1所示，京滬高鐵為既有列控線路，單網交織覆蓋，基站間距3 km左右，相關基站藍色部分表示原有頻率配置為2個載頻；京九線為既有非列控線路，單網覆蓋，基站間距5 km左右，圖中相關基站藍色部分表示原有頻率配置均為2個載頻；京雄高鐵為新建列控線路，單網交織覆蓋，在BJDX-DXJC01A和BJDX-DXJC01B為同站址雙網覆蓋，且頻率規劃前基站工程已經實施完成。由于既有線路基站已將可用頻率資源幾乎分配殆盡，而京滬高鐵為既有列控線路，為保證其行車安全，在盡可能少調整其頻率配置的前提下，進行頻率規劃，得出的最優頻率方案如下：紅色部分表示京滬高鐵和京九線調整部分的頻率，以及京雄高鐵新上基站的頻率分配方案。可以看出，交叉區段京滬高鐵3個基站、京九線3個基站進行降載頻配置后，京雄高鐵BJDX-DXJC03基站仍只有1個載頻。

圖1 京滬高鐵、京九線、京雄高鐵交叉并線區段原頻率規劃方案

采用該頻率方案時，由于京雄高鐵BJDXDXJC03基站只有1個載頻，共8個信道，其中BCCH信道、SDCCH信道為專用信道，另外還需配置1個靜態GPRS信道，因此剩余可供語音業務和列控電路域數據業務可用信道數僅為5個，在聯調聯試階段就出現了因為信道數量不足而語音呼叫建立失敗，以及語音呼叫被列控業務呼叫強拆的情況。

2 優化方案

在頻率資源緊張的情況下，為了充分有效地運用有限的信道，提出了基于“直接重試”功能的頻率資源利用率優化方法。

2.1 直接重試功能

直接重試是一種特殊的切換，在信道指配過程中，由于服務小區無業務信道可供分配或者服務小區負荷過重，BSC發起直接重試流程，把MS分配到相鄰小區并發起切換。直接重試可以減少因服務小區業務信道擁塞而引起的呼叫接入失敗，提高接入成功率；同時平衡各個小區的話務負荷，避免小區間話務負荷失衡。

直接重試也就是在信道指配過程中由于沒有無線資源可供分配使用，向其相鄰小區發起的一種切換，該切換是由信令信道向話音信道的一種切換。具體流程：MS占用本小區（A小區）起呼時，本小區TCH沒有信道資源（可能擁塞或故障），系統將把MS分配到空閑鄰小區（B小區）的TCH上，這相當于一種切換，這種切換并不是由開始起呼的小區（A小區）的TCH切換到鄰小區（B小區）的TCH，而是立即指配在A小區完成，TCH指配在B小區完成。

2.2 優化后的頻率規劃

通過開啟直接重試功能可實現前、后2個相鄰基站對信道資源的共享，據此對頻率規劃方案進行優化。如圖2所示，既有基站既有頻率配置用藍色表示，既有基站頻率調整后的配置以及新上基站頻率配置用紅色表示。京九線為非列控線路，業務量較京雄高鐵、京滬高鐵少了電路域列控業務，維持單載頻方案；京滬高鐵維持原有頻率配置方案，不做任何改動；在交叉區段，京雄高鐵采用單載頻配置方案，通過直接重試功能，實現任意2個相鄰基站共享2個載頻，共計10個業務信道。

圖2 優化后的頻率規劃

3 方案驗證

為驗證直接重試功能的有效性，在工程調試階段，選取京雄高鐵的DaXingJiChang站（小區LAC：8469，CI：6）和DXJC-GAD01（小 區LAC：8469，CI：7）站作為試驗基站。由于該基站和DXJC-GAD01基站均為隧道內基站，電磁環境優良，有用信號中只有DaXingJiChang站所帶RRU發射的頻點為1005的信號作為主用信號，以及DXJC-GAD01站所帶RRU發射的頻點為1010（BCCH）、1018（TCH）的信號作為從信號，主從相差6 dB，覆蓋曲線見圖3。因為該區段只有2個基站的有用信號，在分析時更直觀，所以選取 該區段進行分析。

圖3 試驗區域覆蓋曲線

第一步，模擬試驗基站信道數足夠時的呼叫并進行分析。在DaXingJiChang站信道數足夠時，在該站發起語音呼叫，A接口的信令流程正常。其中CM SERVICE REQUEST信令的詳細解析中，Cell Identifier中的CGI：4602084696，可以看出發起呼叫所在小區為LAC：8469，Cell Identity：6代表的是DaXingJiChang站，如圖4所示。ASSIGNMENT COMPLETE信令解析為常規的碼流，表示在DaXingJiChang站分配了一個Full rate TCH信道，呼叫所占信道屬于DaXingJiChang站，見圖5。

圖4 A接口CM SERVICE REQUEST信令解析

圖5 A接口ASSIGNMENT COMPLETE信令解析

第二步，開啟DaXingJiChang站“直接重試”功能，并關閉TCH載頻。在該站下做5個CSD長呼呼叫，將該站下可用的5個信道全部占用，再用測試終端在該無可用業務信道的基站下進行移動呼固定的語音呼叫，觀察該低優先級呼叫是否能建立成功，若建立成功分析該終端的信道指配情況。

通過試驗發現，該語音呼叫建立成功，且A接口信令流程沒有發生變化，但是ASSIGNMENT COMPLETE信令內容較常規信令內容有所增多，如圖6所示，信令內容較圖5增加了信道指配變化情況的內容，即增加了Cell Identifier信息，該內容顯示業務信道指配到了CGI：4602084696基站的一個Full rate TCH信道，CGI中的LAC為8469，Cell Identity：7代表的是DXJCGAD01站，呼叫建立在DXJC-GAD01基站。

圖6 “直接重試”功能開啟后的A接口ASSIGNMENT COMPLETE信令解析

整個呼叫流程的Abis接口信令如表1所示，在呼叫過程中發生了一次特殊的切換，在SETUP信令之后，BSC向基站BJDX-GAD01發起了CHANNEL ACTIVATION信令；基站BJDX-GAD01向BSC確認信道激活后，BSC向基站DaXingJiChang發起了HANDOVER COMMAD信令，以及去激活信令和釋放相關信道的指令；基站BJDX-GAD01向BSC返回HANDOVERDETECTION、ESTABLISH INDICATION和HANDOVER COMPLETE信令，至此完成了切換的全流程，即實現直接重試功能的全流程。CONNECT信令顯示呼叫已經在BJDXGAD01站建立成功，后續拆線流程均在BJDXGAD01站下完成。通過信令流程以及信令解析可以得知，通過開啟“直接重試”功能實現了相鄰基站之間的業務信道共享，并且從測試結果來看，連接建立時間符合指標要求，未對業務產生影響。

表1 “直接重試”功能開啟后的Abis接口信令流程

續表

4 結論

綜上分析，基于“直接重試”功能的頻率資源利用率優化方法是有效的，通過該方法，兩個相鄰基站實現了對信道資源的共享，呼叫正常建立，用戶體驗沒有區別，對列控數據傳輸也沒有影響。與原方案相比，有效提高了頻率資源的利用率。該方法可有效解決我國高速鐵路樞紐和交叉并線區段GSM-R頻率資源規劃緊張的問題，值得在復雜的樞紐地段和交叉并線區段推廣使用。