磁東線GSM-R網絡優化技術分析與總結

摘? 要：隨著近年來中國高速鐵路的蓬勃發展以及普速鐵路的升級換代，GSM-R在中國鐵路通信系統中發揮著越來越重要的作用。網絡優化作為GSM-R工程建設的重要環節，直接影響網絡覆蓋合格與否。文章以磁東線鐵路工程施工為例，對GSM-R網絡測試中發現的典型問題進行了梳理分析，給出了相應的解決對策，并對網絡優化技術經驗進行了歸納總結，為類似的工程問題解決提供相關參考。

關鍵詞：磁東線；GSM-R；網絡優化；場強弱覆蓋；乒乓切換；頻率干擾

中圖分類號：TN92；U285.21? 文獻標識碼：A? 文章編號：2096-4706（2023）07-0057-06

Abstract： With the vigorous development of high-speed railways in China and the upgrading of ordinary speed railways in recent years， GSM-R plays an increasingly important role in China's railway communication system. Network optimization， as an important link of the construction of GSM-R projects， directly affects the eligibility of network coverage. Taking the construction of the Cidong line Railway Project as an example， this paper analyzes the typical problems found in the GSM-R network testing， provides corresponding solutions， and summarizes the experience of network optimization technology， providing relevant reference for solving similar engineering problems.

Keywords： Cidong line; GSM-R; network optimization; field strength coverage; Ping-pong handover; frequency interference

0? 引? 言

近年來，隨著中國高速鐵路的蓬勃發展以及普速鐵路的升級換代，GSM-R作為一種GSM平臺上的專門為滿足鐵路應用而開發的數字式公共無線通信系統，在中國鐵路通信系統中起著越來越重要的作用。鑒于GSM-R主要用于鐵路調度集中、列車運行控制，并支持高速列車最終實現鐵路通信信號一體化，其對安全性、可靠性要求極高。但GSM-R存在很多不穩定因素，在施工過程中如何通過各種技術手段和措施進行測試和調整優化，保證系統維持較好的運行狀態，解決系統存在的各種問題，顯得尤為重要。本文以磁東線鐵路工程施工為例，對GSM-R網絡測試中發現的典型問題進行分析并給出了相應的解決對策，并對網絡優化過程技術經驗進行了總結，希望對類似工程有所參考借鑒。

1? 工程概況

磁萊鐵路磁窯至東都段（簡稱“磁東線”）位于山東省中部，全長66.158 km，共建設GSM-R無線通信系統基站10座，接入濟南調度樓新設基站控制器BSC設備，全線采用單層網進行無線信號覆蓋。設計場強覆蓋要求：對本工程范圍內的所有鐵路區域進行無線場強連續覆蓋，在全線95%的時間地點概率，滿足最小可用接收電平-98 dBm的覆蓋率指標。

2? 動檢路測情況

根據業務需要以及GSM-R數字移動通信網絡技術體制和設計要求，鐵路沿線最小接收電平應保持在-98 dBm以上，而考慮到一般情況下業務的載干比為12 dB，因此要求干擾電平應該低于-110 dBm。利用熱滑車、動檢車對磁東線進行往返測試，使用場強接收機對覆蓋電平進行全線的測試（測試中不必嚴格按照4 cm取樣點的要求，而是一次將所有在用頻率都采集到）；測試時使用時間觸發機制，對磁東線進行鐵路全頻段掃描并記錄數據；使用路測軟件WitUI，結合SAGEM490測試手機，進行語音呼叫測試，記錄小區切換、通話質量、電平值等數據。網絡測試發現的問題主要有以下幾個方面：

1）HF-CY01基站至HuaFeng基站間弱覆蓋。HF-CY01基站至HuaFeng基站中間交接區域在K10+600里程附近上、下行基站網絡信號覆蓋較差，造成接收機檢測信號弱，語音呼叫測試時出現掉話現象。

2）CY-GL02基站至CY-GL01基站間乒乓切換。CY-GL02基站至CY-GL01基站中間交接區域在K28-K29里程區段范圍內上、下行基站均有較強的網絡信號覆蓋，信號強度多次交疊，造成接收機檢測信號在兩個基站間頻繁切換，語音呼叫測試時出現乒乓切換現象。

3）CiYao基站覆蓋問題。在CiYao基站附近，場強覆蓋不均，強度較弱，語音呼叫在此基站附近出現呼叫中斷，呼叫建立后未占用其規劃頻點1003，也未占用其鄰區HuaFeng基站規劃頻點1017。通話時所占用頻點為1009和1013，并出現回切現象，故1009和1013頻點為干擾頻點。

3? 網絡測試問題分析及優化

根據測試結果分析，磁東線GSM-R網絡的主要問題有：

1）部分小區存在場強弱覆蓋區域，導致呼叫中斷。

2）部分小區存在乒乓切換現象。

3）部分小區存在頻率干擾。

下面就針對具體案例分析問題的成因、解決方法和過程。

3.1? HF-CY01至HuaFeng基站間弱覆蓋問題分析及優化

HF-CY01至HuaFeng基站間測試電平圖如圖1所示。

回放測試數據，車輛從HuaFeng向HF-CY01（HF-CY01向HuaFeng）方向運行時，在線路里程K10+500～K10+700區域，測試終端占用HF-CY01信號，出現頻繁呼叫中斷、通話延遲，通話質量差（5～6級），質量差區域約200 m，經測試該區域HuaFeng、HF-CY01基站無線信號電平值在-93～-100 dBm之間，未檢測到其他頻點干擾，因此初步分析該區域質量差，主要是由于弱覆蓋引起的。

HF-CY01基站線路里程為K6+310，HuaFeng基站線路里程為K14+415，兩個相鄰基站間距為8 105 m。由于兩基站間地形為平原地形，鐵路線路相對平直無較大彎道，根據覆蓋規劃，兩基站小區覆蓋采用平均覆蓋原則，考慮重疊覆蓋區域，兩基站各需覆蓋線路長度為4 100 m左右。弱覆蓋區域距HF-CY01基站線路長度約3 700～3 900 m，屬于HF-CY01基站小區覆蓋范圍，且在弱覆蓋區域附近無高山或高大建筑物對信號造成遮擋，因此我們首先判斷該弱覆蓋問題是由于HF-CY01基站場強覆蓋距離不足造成的。解決方案應從提高HF-CY01基站覆蓋范圍進行考慮。

提高基站的覆蓋范圍一般可以通過提高基站的發射功率，調整天線掛高、方向角、下傾角，或更換高增益天線等手段來處理。若仍然無法提高覆蓋可以考慮新增基站，采用基站+直放站等方法解決。

提高基站的發射功率是提高場強覆蓋最簡單有效的方式，本線路所有基站的默認發射功率均為40 W，最高可以提高至60 W。但是為了給后期運營維護階段網絡參數的調整留有余量，在非不得已的情況下一般不通過提高基站的發射功率來提高無線覆蓋范圍。因此我們首先考慮對天線進行調整，以期能夠取得效果。

基站的天線越高，基站的覆蓋范圍越大。因此適當提高基站的天線高度，可以擴大基站的覆蓋范圍，弱覆蓋的情況會得到相當程度的緩解。但是該基站天線已安裝在鐵塔最上層平臺，如果要提高天線安裝高度需要另外建設更高的鐵塔，饋線也因為長度增加需要更換，成本較高，因此該方案不可取。

在安裝高度相同的情況下，基站天線的下傾角越小，基站覆蓋范圍越大。但下傾角過小，整個天線輻射出的能量并不能完全投射向軌面，部分能量向天空（水平面以上方向）輻射，不僅對基站輸出能量造成了浪費，且容易導致遠處的覆蓋較強而形成越區覆蓋。因此，要合理的調整基站天線的下傾角。調試組將HF-CY01基站天線下傾角從原來的4°上調至3°，復測后發現弱覆蓋問題有所改善，200 m弱覆蓋區域減少到50 m，但仍然未能完全解決問題。再次上調基站天線下傾角至2°，復測50 m弱覆蓋仍然存在，且在HuaFeng基站覆蓋小區內檢測到較強的HF-CY01基站信號，并對HuaFeng基站小區信號造成影響，調試組只得將下傾角調回3°。通過調整天線下傾角無法完全解決HF-CY01基站弱場覆蓋問題，調試組嘗試對天線的方位角進行調整。

通過調整天線的方位角，使得天線的主瓣正對弱覆蓋區域。該方法實施方便，是一種常用的優化弱覆蓋的手段，但由于弱覆蓋區域距離基站較遠，無法通過觀察來判斷天線是否正對弱覆蓋區域。調試組通過手機指南針軟件對HF-CY01基站和弱覆蓋區域的經緯度數據進行采集，通過谷歌地圖在線查詢出HF-CY01基站和弱覆蓋區域在地圖上的點位，并通過數據計算出弱覆蓋區域在HF-CY01基站西偏南5°左右區域，由此可以計算出正對弱覆蓋區域的天線方位角為265°。在調整天線方位角為265°后進行場強復測，HF-CY01基站信號在原弱覆蓋區域場強均在-84 dBm以上，語音呼叫正常，越區切換正常，達到設計標準要求。

3.2? CY-GL02至CY-GL01基站間乒乓切換問題分析及優化

在CY-GL02至CY-GL01基站之間，出現乒乓切換，如圖2所示。

通過圖2可以看出，在CY-GL02至CY-GL01基站間進行語音呼叫測試時，1007和1009兩個頻點在小區邊界區域發生了5次來回切換，在GSM網絡中出現這種現象我們一般稱之為乒乓切換。

通過對CY-GL02至CY-GL01場強覆蓋情況進行分析，如圖3所示，發現在K28～K29區段范圍內CY-GL02、CY-GL01基站均有較強的網絡信號覆蓋（＞-90 dBm），信號多次交疊，造成接收機檢測信號在兩個基站間頻繁切換，因此在語音呼叫測試時會出現乒乓切換現象。

根據對小區覆蓋規劃區域范圍復核，發現上、下行基站小區交接位置在K28+320附近，對比場強覆蓋數據發現CY-GL02基站在本小區覆蓋范圍K28+400～K29+200區域信號強度在-85 dBm至-75 dBm之間。而CY-GL01基站在該區域場強均大于-80 dBm，最高值達到-65 dBm，遠高于CY-GL02基站信號強度，造成接收機檢測信號從CY-GL01基站切換到CY-GL02基站后又再次切換回CY-GL01基站。由此，可以判斷乒乓切換現象是由于CY-GL01基站過覆蓋引起的。

過覆蓋與弱覆蓋的成因剛好相反，是由于基站信號太強，超出本小區覆蓋范圍，影響到相鄰小區的覆蓋，在小區交界處存在過度的覆蓋重疊，過覆蓋的現象就是信令擁塞以及由于干擾帶來的掉話和切換頻繁，移動臺在相鄰基站間來回切換。我們可以采用解決弱覆蓋問題類似的方法，通過反向調節來處理過覆蓋問題。

調試組在采取下壓天線的下傾角、調整方位角等優化手段調整基站小區覆蓋過程中發現在消除乒乓切換現象的同時造成部分區域的弱覆蓋現象，無論如何調整天線參數都無法同時避免乒乓切換和弱覆蓋問題的出現。在嘗試對基站的發射功率進行調整后依然無法解決問題。

通過對多次復測的數據進行對比分析，發現在不造成弱覆蓋的情況下產生乒乓切換的地點主要集中在圖3中A、B兩處所示的區域。進過現場勘察發現CY-GL01基站至CY-GL02基站之間有一處較大的彎道（圖2右側紫色線條所示），檢測車在經過CY-GL01基站后與基站的直線距離先是增長，在經過彎道后直線距離反而縮短，再隨鐵路繼續前行后增長，因此CY-GL01基站在A、B區域始終會產生比相鄰區域更強的場強覆蓋，如果將CY-GL01基站在A、B區域場強降低到CY-GL02基站場強以下，則在A、B區域兩側會產生一段弱覆蓋區域。

因為無法避免CY-GL01基站在A、B區域信號增強的問題，調試組考慮能否將切換區域向大里程（CY-GL02基站）方向調整，擴大CY-GL01基站的規劃覆蓋范圍，將整個彎道（含A、B區域）全部納入CY-GL01基站覆蓋，并通過下壓CY-GL02基站天線下傾角的方式將CY-GL02基站覆蓋區域縮小至B區域以外。再次復測后發現效果并不理想，在調整后的小區交界處經常出現掉話、通話延遲等問題，通話質量不理想。

通過再次對測試的數據進行對比分析，篩選后發現其中一組數據中CY-GL01基站在A、B區域的信號與CY-GL02基站在A、B區域的信號強度差別最小為6 dB，經過對比切換門限，發現強度差剛好比切換門限大1 dB。通過將切換門限調高至7 dB，復測后發現乒乓切換現象消除，語音通話質量良好，問題消除。

3.3? CiYao基站覆蓋問題分析及優化

在CiYao基站附近，場強覆蓋不均，強度較弱，語音呼叫出現中斷，如圖4所示。

回放測試數據，車輛從CiYao向HF-CY01（HF-CY01向CiYao）方向運行時，在磁窯鎮附近，距CiYao基站直線距離約1 100～1 600 m處，終端占用CiYao信號，通話質量差（6～7級），電平值在-95 dBm到-105 dBm之間，質量差區域約500 m。強制占用CiYao基站頻點復測試場強覆蓋如圖5所示，與動檢測試結果一致。

經現場勘察分析，磁東線與京滬高鐵在磁窯鎮附近存在交越，前期為了避免CiYao基站對京滬高鐵影響，針對性地對CiYao基站降低功率、下壓天線下傾角，造成CiYao基站附近弱覆蓋，引起語音呼叫中斷，同時在呼叫重新建立后并未再占用CiYao基站規劃頻點1003及其鄰區HuaFeng基站規劃頻點1017。而是占用頻點1009和1013，并在兩頻點間來回切換，如圖6所示。

因此頻點1009和1013可以確定為干擾頻點，綜合分析在CiYao基站附近同時存在弱覆蓋和頻點干擾問題，且弱覆蓋和頻點干擾在相同區域內。弱覆蓋是由于CiYao基站功率和天線設置問題引起，頻點干擾問題還需進一步確認。

通過對干擾頻點1009和1013進行測試，頻點1009在CiYao基站附近干擾很嚴重，最高達到-47 dBm，如圖7所

示。頻點1013在CiYao基站附近干擾最高達到-60 dBm，如圖8所示。

如果要避免干擾，需要將1009和1013頻點在該區域的場強降低到-110 dBm以下。經過調查發現1009和1013頻點為京滬高鐵使用頻點（如圖9中京滬基站A、B），在受干擾區域剛好在磁東線與京滬高鐵線路交越區域附近，因此降低1009和1013頻點在該區域的場強會影響京滬高鐵自身的覆蓋質量，該方法不可取。

在無法消除交越區域頻點干擾的情況下，如果提高CiYao基站在該區域的場強覆蓋，不僅自身的問題得不到有效的解決，還會對京滬高鐵在用線路的網絡覆蓋造成干擾，得不償失。因此在解決弱覆蓋和頻點干擾問題時必須合并考慮。

在嘗試調整基站天線、發射功率、切換門限等多種優化手段后均未取得良好效果，包括在對京滬高鐵基站的覆蓋進行調整也沒有消除干擾問題。經進一步研究，提出采用將干擾頻點納入本線路小區覆蓋的方案，即通過添加外部鄰區的方式，將干擾頻點覆蓋范圍作為相鄰小區，同時調整基站覆蓋范圍和切換門限，使得移動臺在CiYao基站頻點和干擾頻點之間正常切換。經現場測試驗證，確認方案可行。

通過對比1009頻點在交越區域的場強比1013頻點要強，但1013頻點場強也超過了干擾電平的最低要求，因此我們選定京滬高鐵基站A（1009頻點基站）作為CiYao基站的外部鄰區，并對1013頻點場強覆蓋范圍進行縮減，消除1013頻點干擾。再通過調整CiYao基站和HuaFeng基站的覆蓋范圍，將京滬高鐵基站A小區設置為CiYao基站小區的下行小區，將HuaFeng基站小區設置為京滬高鐵基站A小區的下行小區。復測移動臺能夠正常切換，語音通話無掉話和延遲，問題得到解決。

4? 結? 論

在網絡優化中比較常見的問題主要有弱覆蓋、過覆蓋等場強覆蓋問題以及頻率干擾等。

一般來說，基站站址、小區載頻、無線覆蓋方式、鄰區關系等都是在網絡調試前就已經確定了的，但基站的覆蓋范圍、越區切換點的位置及切換次序等指標還是可以調整的，我們可以通過調整這些指標來優化覆蓋問題。

場強覆蓋問題一般形成原因主要是小區覆蓋邊緣、越區覆蓋、小區參數設置不合理、天線被遮擋、基站功率參數設置不合理等。解覆蓋問題可以通過檢查基站參數設置，現場確認天線有無阻擋，調整天線工程參數（方向角、下傾角、天線掛高、天線安裝位置等），更換高增益天線，新增基站或直放站等方法解決。

在解決弱覆蓋問題時，優化手段由易到難，優先可考慮調整下傾角、方向角、天線掛高等物理參數，調整基站發射功率、更換天線型號、調整切換及重選等網絡參數可以作為備用優化手段，在前面優化手段均無法解決的條件下，再進行站點搬遷、新增站點。

頻率干擾是網絡優化中常見的問題，話音信道上的干擾會造成串話，或者用戶聽到很大的背景噪聲，信令信道上的干擾則會導致誤碼率的升高，使呼叫遺漏或阻塞。因此我們在啟動新建網絡前一般要先進行清頻工作，但是并不能完全杜絕干擾問題的出現。頻率干擾主要有同頻干擾和鄰道干擾，針對這兩種干擾，通常采取合理分配頻率、調節天線覆蓋方式、調整基站發射功率的方法來對干擾進行防護。

網絡優化是GSM-R工程建設的重要組成部分，是一個相對繁復而且瑣碎的工作，在實際優化中必須認真分析問題原因，在多次試錯的過程中找到針對性措施，同時在優化過程中積累充足經驗。

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作者簡介：李娟（1983—），女，漢族，湖北黃岡人，工程師，本科，研究方向：鐵路通信工程。