GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋實(shí)現及越區切換性能研究
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一、GSM一R系統概述
GSM一R是針對鐵路通信而專(zhuān)門(mén)設計的綜合數字移動(dòng)通信系統，其以GSM為基礎設施，既保有GSM原有業(yè)務(wù)劃分，又增添了鐵路特定的應用，使鐵路用戶(hù)可在GSM一R平臺上開(kāi)發(fā)各種鐵路相應的應用。
GSM一R業(yè)務(wù)包括：高級語(yǔ)音呼叫和鐵路特有調度兩項業(yè)務(wù)。高級語(yǔ)音呼叫包括語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播和增強多優(yōu)先級及強拆。鐵路特有調度包含功能尋址，接入矩陣與基于位置尋址。
1964年，日本東海道新干線(xiàn)作為世界上第1條高速鐵道正式通車(chē)，標志著(zhù)世界進(jìn)入高速鐵路建設時(shí)代。高速鐵路對各方面的鐵路技術(shù)提出新要求，德國、法國、英國、意大利、瑞典等國都已采用的GSM一R系統建成高速鐵路，由此看來(lái)GSM一R受到各國高速鐵路業(yè)的青睞。我國高鐵建設起步晚， 1999年8月建設的秦沈專(zhuān)線(xiàn)是我國高速鐵路建設的起點(diǎn)。截止到2020年，我國計劃建造、使用高速鐵路總里程約1.2萬(wàn)km。
二、GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )覆蓋和實(shí)現
在鐵路帶狀環(huán)境中，建設GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )應盡可能采用定向的天線(xiàn)，以方便調整方位進(jìn)行帶狀覆蓋，形成沿著(zhù)鐵路的橢圓小區。
(一)GSM一R無(wú)線(xiàn)覆蓋
據歐洲GSM一R標準和規范，GSM一R網(wǎng)絡(luò )在可用性、服務(wù)質(zhì)量、容災、冗余可靠等方面比其他公眾通信網(wǎng)絡(luò )要求要嚴格，GSM一R的安全性級別很高，要滿(mǎn)足在高速的條件下通話(huà)需求和列控需求。
1、網(wǎng)絡(luò )覆蓋要求：98dBm，95%時(shí)間區域(列調);95dBm，95%時(shí)間區域(列控，速度220km小);92dBm，95%時(shí)間區域(列控，速度>280ki孔七)。
2、通話(huà)建立時(shí)間(95%的情況)：應急通話(huà)少于2秒;操作通話(huà)少于5秒;低優(yōu)先級通話(huà)少于10秒。
4、保證鐵路車(chē)站、鐵路隧道、鐵路站場(chǎng)等區域高質(zhì)量無(wú)線(xiàn)覆蓋。
5、高級別抗干擾能力。
依據鐵路專(zhuān)線(xiàn)具體的特點(diǎn)，針對其GSM一R系統進(jìn)行特殊組成環(huán)節設計，采取不同組網(wǎng)的解決方案，用以滿(mǎn)足具體要求。
(二)無(wú)線(xiàn)雙網(wǎng)覆蓋方式
對于GSM一R系統無(wú)線(xiàn)雙層覆蓋結構來(lái)說(shuō)，在正常工作情況下，移動(dòng)臺通常在主用層小區切換。如果主用層基站發(fā)現故障就會(huì )觸發(fā)主用層基站切換到備用層網(wǎng)絡(luò )，主用層恢復后，再切換回主用層。
(三)專(zhuān)用模式下GSM一R雙網(wǎng)實(shí)現
對于雙層網(wǎng)絡(luò )而言，位于第一層連續兩個(gè)基站間的第二層基站，互相為冗余兩層網(wǎng)絡(luò )，其提供場(chǎng)強的覆蓋區域不相同。第二層基站恰當彌補第一層小區的重疊區域內場(chǎng)強弱的區域。目前歐洲的國家多采用的是交織站址的雙層網(wǎng)絡(luò )。而在我國大多采用交織站址的雙層網(wǎng)絡(luò )均勻分擔方式。
三、GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越區切換性能分析
GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越區切換指端到端通話(huà)移動(dòng)臺或語(yǔ)音組呼中占用上行鏈路的相對應移動(dòng)臺，在小區間移動(dòng)時(shí)維持呼叫不間斷的過(guò)程。切換用于滿(mǎn)足無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )管理需要，減輕網(wǎng)絡(luò )的擁塞。與GSM系統相對比，GSM一R的小區半徑小，越區切換概率高。因此GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的越區切換性能影響磁卡整個(gè)GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的服務(wù)質(zhì)量。
(一)越區切換的流程分析
GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越區切換過(guò)程分為四階段：測量，觸發(fā)，選擇與執行。整個(gè)GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的切換過(guò)程由MS、BSC、BTS、和MSC協(xié)同完成，MS測量無(wú)線(xiàn)子系統的下行鏈路性能與小區中接收的信號強弱;BTS監視每一個(gè)被服務(wù)之移動(dòng)臺上行接收的點(diǎn)平與質(zhì)量，在空閑話(huà)務(wù)信道上進(jìn)行干擾電平的監測。BTS把測量結果發(fā)至BSC，BSC完成最初判決。判決從其他BSS、MSC發(fā)來(lái)信息的測量結果由MSC完成。
(二)切換掉話(huà)的性能分析
GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )掉話(huà)現象是使用移動(dòng)臺過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，它是系統不良的綜合表現，影響系統運行的質(zhì)量。掉話(huà)率是通信網(wǎng)絡(luò )中的重要指標，掉話(huà)率的高低反映出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò )通信質(zhì)量的水平。引起掉話(huà)原因很多，主要包括無(wú)線(xiàn)鏈路故障，越區切換失敗及系統故障等因素。越區切換的掉話(huà)問(wèn)題主要是因為GSM一R系統中的越區切換是硬性切換，切換時(shí)掉話(huà)風(fēng)險比較大，據不完全統計，由于切換而發(fā)生的掉話(huà)占整個(gè)網(wǎng)絡(luò )掉話(huà)40%。所以要針對掉話(huà)改進(jìn)GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )的性能，盡可能減少掉話(huà)情況的發(fā)生。
(三)切換阻塞的性能分析
GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )呼叫阻塞指由于沒(méi)有空閑信道導致的呼叫阻塞性中斷。呼叫分成源發(fā)呼叫與切換呼叫，由于GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )與單層網(wǎng)絡(luò )相比，其無(wú)線(xiàn)資源比較少，因此當呼叫和切換業(yè)務(wù)量較大的時(shí)候，極易發(fā)生切掉阻塞。切換成功率影響系統的整體運營(yíng)服務(wù)質(zhì)量，因此必須重視減少發(fā)生切換阻塞。
為降低GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )阻塞概率，宜采用切換排隊，即當小區沒(méi)有空閑的信道時(shí)，切換呼叫可以排隊等待，在排隊的有效對應時(shí)間內，一旦有釋放的信道，切換呼叫就可占用這個(gè)信道，減小切換阻塞。
四、高速鐵路GSM一R越區切換
高速運行的列車(chē)(25Okm/小時(shí)以上)對無(wú)線(xiàn)通信系統有更高要求，列車(chē)的自動(dòng)控制、告警、無(wú)線(xiàn)通信、調車(chē)通信、鐵路維護、車(chē)次號及售票系統等方面都對無(wú)線(xiàn)通信有不同的要求。
(一)高速鐵路GSM一R越區切換存在的問(wèn)題
高速鐵路要求GSM一R系統越區切時(shí)間要更短，切換的成功率要更高。GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )要可以提供可靠性與有效性更高的服務(wù)，與普速鐵路比較，客運專(zhuān)線(xiàn)的列車(chē)高速運行帶來(lái)的多普勒頻移、越區切換、無(wú)線(xiàn)信道變換等技術(shù)難題都需要解決。
高速鐵路的GSM一R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò )越區切換要減少切換次數，簡(jiǎn)化切換過(guò)程，避免切換，及時(shí)、快速完成切換是提升GSM一R越區切換性能的關(guān)鍵。下面分階段進(jìn)行說(shuō)明：
1、網(wǎng)絡(luò )規劃階段
在列車(chē)高速運行過(guò)程中，越區切換會(huì )頻繁發(fā)生，如果經(jīng)常呼叫中斷，會(huì )給列車(chē)運行造成安全性的威脅。因此在GSM一R網(wǎng)絡(luò )規劃階段應減少總越區切換的次數。為避免在移動(dòng)小區的邊界處切換次數增加，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò )規劃時(shí)應該采用一個(gè)基站配設兩根定向天線(xiàn)，通過(guò)功率禍合器連接兩根定向天線(xiàn)后接到基站內收發(fā)信機上，配以相同頻率。每根定向天線(xiàn)對應一塊扇區，扇區間形成了單一小區。這種方式可有效減少總越區切換的次數。此外為減小同頻、鄰頻干擾，分配相鄰小區的頻點(diǎn)須有適當的間隔。
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