鐵路GSM-R網絡的優化設計

繆海波

（中鐵建電氣化局集團南方工程有限公司 湖北省武漢市 430017）

近年來，我國鐵路建設飛速發展，從發達城市開始逐漸延伸到西南的山區等地。這使得鐵路的無線網絡通信系統遇到了較大的難題，當前鐵路通信主要使用GSM‐R 網絡系統，為了進一步提高鐵路通信質量，確保鐵路運行安全，本文對鐵路GSM‐R 網絡優化設計進行了簡要分析，希望能夠對鐵路建設有所幫助。

1 鐵路GSM-R網絡的現狀和存在的不足

1.1 鐵路GSM-R網絡的現狀

當前社會對于鐵路的無線通信功能提出了更高的要求，數據通信內容越來越多，使得鐵路通信方面暴露出許多不足之處。調度命令的傳輸、車次號的傳輸以及列車尾風壓值的傳輸是鐵路通信的主要傳輸內容，使得GSM‐R 網絡系統承載了過多的數據量，系統的設計優化成為關鍵。在很多偏遠地區的鐵路建設，受到山體以及建筑物的遮擋，使得GSM‐R 網絡系統的網絡覆蓋率受到較大影響，無線信號覆蓋困難，加上鐵路線路等級的不同，給GSM‐R 網絡系統帶來了較大負擔。GSM‐R 網絡基站的規劃也存在不合理的現象，未能夠結合鐵路的信號需求來進行規劃，導致鐵路的樞紐信號被干擾的現象頻繁出現，通信也受到影響。我國的鐵路GSM‐R 網絡還應當從實際情況出發，進一步優化設計，提高鐵路各線路的通信質量[1]。

1.2 鐵路GSM-R網絡存在的不足

1.2.1 體系結構方面的不足

鐵路系統在運行的過程中，鐵路工作人員要對整個運行情況以及設備故障情況進行實時的監督和了解，這一過程需要用到無線通信系統，當前鐵路運行所使用的無線通信系統主要是GSM‐R 網絡系統，該項通信系統在體系結構方面還存在這一些不足之處，在運行過程中存在著一些安全漏洞，可能會影響著鐵路系統的安全運行，帶來嚴重的經濟損失。

1.2.2 規劃設計方面的不足

鐵路GSM‐R 網絡在頻率資源方面存在明顯缺陷，這主要是由于鐵路的基礎設施建設和規劃設計等方面存在不足，我國鐵路的建設規模正在不斷擴大，建設的環境也發生了改變，隨著鐵路建設的環境逐漸惡劣，外界因素對于鐵路無線通信系統的影響也越來越大，面對這種情況，鐵路GSM‐R 網絡的頻率干擾現象逐漸嚴重，給鐵路的中心樞紐方面的切換設置、無線小區規劃以及頻率的分配都帶來了很大的困擾，在無線小區規劃方面會出現小區重選的現象，在切換設置方面會出現切換混亂的問題，影響著鐵路通信網絡的質量。

1.2.3 BSC 接入方面存在不足

BSC 接入方面沒有科學的規劃方法，一些鐵路開始設置BSC設備，但設備的統一性規劃存在明顯不足，不僅影響著鐵路的整體通信質量，對鐵路線的維護管理工作也造成一定影響。此外，在線路的規劃方面還缺少預留規劃，使得后續接線成為難題，分線路覆蓋和頻率的接線要考慮到主線路的具體需求，這就使得GSM‐R 網絡的分線路接入更加困難。

2 鐵路GSM-R網絡優化設計方案

2.1 網絡覆蓋方案的優化

2.1.1 優化覆蓋方案的原則

鐵路GSM‐R 網絡的優化方案及覆蓋原則都應以節省頻率損耗以及降低工程建設資金為基礎，在具備貢獻覆蓋條件的并線區段建立共用基站進行覆蓋，以達到節省建設成本的目的。在并行區段使用共用基站時，需要根據經過此線路列車的需求和基站容量進行規劃設計。比如鐵路網中典型的多軌道交匯區域，在交匯點、交叉帶聯絡線等結構中都可以采用共基站覆蓋模式，而交叉無聯絡線這類結構可根據頻率資源的使用情況建設共基站或分基站的覆蓋方式[2]。而信息交匯較多，臨近城市樞紐地區的覆蓋方案中需要考慮最低信號強度需求，滿足列控線路冗余覆蓋，在并線區段也可采用交織或同址覆蓋，不僅可以降低樞紐內基站間的信號干擾，還能夠提高信號強度。不過在建設基站過程中要盡量控制天線高度，以防干擾到鐵路中其他線路。

2.1.2 覆蓋方案優化設計

覆蓋方案的優化設計必須結合實際工程建設情況進行分析，我國國土遼闊，鐵路覆蓋廣泛，青藏鐵路和京滬高鐵的覆蓋設計截然不同。鐵路GSM‐R 覆蓋方案的優化設計以三方面為主：

（1）直放站優化設計，主要用于鐵路GSM‐R 進入隧道或無線信號不良地區時，采用光纖直放與電纜結合的方式，類似于信號增強效果。

（2）無線網絡的優化設計，一般情況下無線信道是不會受影響的，但在實際基站選址過程中會受限于地理環境，間距建設不夠均勻，部分基站覆蓋不全面，可以借由調整天線俯仰角，來控制基站的覆蓋范圍，可以使無線網絡覆蓋到更遠處，并減少覆蓋能量消耗的問題。

（3）在信號越區切換時可能會受到外界干擾而造成覆蓋效果不良的現象，在基站設計建設中需考慮列車跨區進行切換所需的必要距離和時間，將基站切換后重疊距離進行計算，滿足列車速度和信號切換的要求。

2.1.3 覆蓋網絡的規劃仿真

利用TCP 或其他仿真軟件將需要規劃設計的鐵路GSM‐R 基站添加到數字地圖上進行分析。正常情況下基礎設定的覆蓋情況以及天線方向都會有一定偏差，最終輸出包括基站名稱、天線方向和天線傾角等參數列表，依據這些參數可以知道大部分地區的仿真與實測結果應能夠滿足鐵路GSM‐R 覆蓋要求，但在個別區域的覆蓋需要對基站天線參數進行調整。并且根據仿真線路的實際情況，城區與農村傳播模型不同，損耗參數也有一定區別，仿真出現的誤差也多是由于無線傳播模型、數字地圖等原因，不過都可以通過網絡優化措施解決。

2.2 容量規劃和信道配置

鐵路GSM‐R 網絡通信中的負荷是隨時隨地都在發生變化的，在不同的區域網絡負荷情況也不相同，不同時間內同一區域的網絡負荷也有差別。因此在優化工程中需要考慮在一段時間內線路所經過區域的負荷情況。在某些區域話務量出現較大提升，使用覆蓋、參數、減擴容等方法無法解決容量負荷時，可以利用將基站區分裂來解決容量問題，尤其是部分節點可靠性較高的情況下，可以配置備用單元，在工作需求或故障時啟用。目前半確定性模型是應用最為廣泛的信道模型，復雜度中等實現難度可以調整，能夠使用設備性能進行配置。在配置過程中需對通信系統進行實地測量，確定在測試環境下得到數據的準確性，之后統計數據，采取參數生成算法進行仿真。其配置靈活方便，不需要對詳細勘測特定環境。

2.3 優化頻率規劃方案的原則

列車作為高速運行的移動臺，在考慮規劃方案時必須要求能夠及時切換和重選，如果線路途徑小區網絡受到干擾，其重選切換的測量精度和及時性會受到影響，并且在慢速和低穿透損耗的情況下對用戶通話質量的影響更大。鐵路GSM‐R 網絡不斷發展使頻率資源較為精確，很難再增加一段專用頻率，優化頻率就更為關鍵。規劃方案的原則遵循同站不鄰頻或同頻，共用基站相鄰、相對或同向不應使用同一頻點，在修改基站頻點的過程中要充分考慮基站小區覆蓋的無線網絡環境。根據當前或仿真網絡覆蓋情況對不同基站進行調整，充分利用頻率資源，優化線路沿線小區的頻率資源。

2.4 數據有效清理與軟件升級

2.4.1 數據清理

在實施網絡優化階段，對于GSM‐R 無線通信系統中的冗長數據，應及時清除，避免系統中產生的數據出現不完整后果。同時，為了促使GSM‐R 技術在鐵路工程中的網絡通信服務中展現出真正效用，還需進行參數合理設計，即針對通信數據中使用的交換機設備，重調其參數，借助測試軟件對通信系統故障進行檢測，特別是語音通信業務，防止影響鐵路通信質量。為了保證GSM‐R 通信系統發揮出真正效用，在數據清理環節，還應注重信號監測，判斷系統是否具有通暢的傳輸信號。常見的信號監測方法包括信號指令法，用于對信號指令產生的預警結果，分析信號傳遞情況，在其信號質量差條件下，還應通過信號質量的調節，促使系統擁有良好的通信環境，這樣才能保證鐵路具有完善的通信體系。

2.4.2 軟件升級

針對鐵路SGM‐R 網絡進行優化，還需要進行軟件升級操作，便于增強網絡系統的適應性，也能促使系統具備突出的信息采集能力，由此增加信息獲取準確度。

（1）相關人員應當準確識別頻譜資源，待確定好參數后，可對其功能進行完善；

（2）還需要融入智能技術，促使網絡通信業務具備智能化特征，繼而避免無線電在傳輸中遇到需求問題；

（3）還可在原有鐵路通信系統中應用藍牙傳輸技術。而且還可借助信號傳感器，選擇適合的應用算法，保證GSM‐R 網絡具有良好的信息傳輸條件。尤其對于鐵路網絡通信系統用戶，可運用藍牙信號的傳遞，促使在鐵路運輸、行駛期間能夠具備準確的信號傳遞能力。

2.5 優化網絡通信維護規劃

對鐵路GSM‐R 網絡進行優化時，還需要注重網絡維護，尤其是無線電網絡通信系統的有效維護，避免系統出現故障，致使信號傳輸遇到阻力。一方面，對于網絡系統的管理職責予以確定，可從制度編制角度，規定鐵路運輸管理部門中各人員的崗位職責，尤其是系統維護人員，應安排好維護周期，持久保證系統性能穩定，也能適當規避系統故障風險。另一方面，還需要設置專門的維護管理小組，用于督促維護人員及時制定可行性維護規劃，防止因系統管理不到位，造成網絡傳輸系統無法為鐵路運輸業的發展帶來助力。GSM‐R 網絡在鐵路信息化管理改革中占據重要地位。所以，對其加以優化時，還應當保證管理人員與維護人員，按照事先固定好的職責要求，做好本職工作，促使鐵路通信系統中的GSM‐R 信號能夠保持穩定傳輸狀態。尤其對于系統漏洞，也需要加強修復，以免出現系統安全事故，違背鐵路安全生產目標。

3 BSC接入優化設計方案

3.1 優化BSC接入的原則

在接入BSC 時應注意遵循以下幾點原則：將BSC 接入核心網MSC 設備要盡可能減少樞紐內跨BSC 切換的情況，以此來加強網絡的通信質量水平；列控線路應根據不同的線路分別設置單獨的BSC 設備；要保證列控線路的質量，在列控線路和非列控線路并行區域范圍內的基站應接入列控線路的BSC 設備；最后在接入過程中還應注意結合現有的工程方案[3]。

3.2 BSC接入優化設計選擇

BSC 接入有三個主要的優化設計方案。

（1）在樞紐處單獨安裝BSC 設備并將樞紐內的全部基站都接入新安裝的BSC 設備上，線路可以在進入和離開樞紐的時候實現跨BSC 切換。這一方案的優點在于可以對所有設備進行集中管理，減少樞紐跨BSC 切換的情況，缺點在于集中管理會導致BSC 發生故障時影響所有樞紐線路的通信，而且該方案涉及到對全部基站的重新調整，增加了安裝、維護和管理的難度。

（2）將單獨的客?；窘尤氲较鄬腂SC 設備中；將城際下屬區域內所設的所有基站接入城際集中設立的BSC 設備中；將動車基站接入對應的BSC 設備中；在樞紐地區，使兩個客專在集中站點附近進行跨BSC 切換，城際和客專在集中的基站附近進行跨BSC 切換。該方案在調整之后，各個線路進入樞紐時均只需要進行一次跨BSC 切換，滿足了在列控線路設立單獨的BSC 設備這一優化設計原則，更加有利于設備的維護和管理，對現有線路的影響較小。

（3）在各個線路都單獨安裝一個BSC 設備，這一方案雖然可以保證每條線路都擁有自己單獨的BSC 設備，在設備出現故障的時候只會對相應的單條線路產生影響，方便維護管理，但由于各個線路在樞紐區域存在交叉和并線等情況，使頻率和覆蓋等資源條件受到限制，因此，各個線路的基站覆蓋更多會使用聯合規劃設置的方式，也就是在基站區域選用共用基站進行覆蓋，這導致各個線路單獨設置的BSC 設備在共用基站覆蓋的范圍內受到影響和限制。該方案最大的缺點在于很難在樞紐內實施，所以該方案仍有待完善。

通過對以上三種BSC 接入優化設計方案進行分析，并對三個方案的GSM‐R 網絡通信質量和設備維護管理效果進行對比，可以發現第二個接入優化方案具有更好的性能，更有利于保證列控線路的質量安全。

4 結論

綜上所述，當前鐵路GSM‐R 網絡的現狀并不理想，在體系結構和規劃設計等方面都存在著不足之處，影響鐵路通信的穩定性和安全性。由本文分析可知，鐵路GSM‐R 網絡優化設計方案包括：網絡覆蓋方案的優化、容量規劃和信道配置以及優化頻率規劃方案的原則。此外，BSC 的接入方面也應當進行優化設計。