GSM-R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)現(xiàn)及越區(qū)切換性能研究

標(biāo)簽：GSM一R  越區(qū)切換

一、GSM一R系統(tǒng)概述

GSM一R是針對(duì)鐵路通信而專門設(shè)計(jì)的綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，其以GSM為基礎(chǔ)設(shè)施，既保有GSM原有業(yè)務(wù)劃分，又增添了鐵路特定的應(yīng)用，使鐵路用戶可在GSM一R平臺(tái)上開發(fā)各種鐵路相應(yīng)的應(yīng)用。

GSM一R業(yè)務(wù)包括：高級(jí)語(yǔ)音呼叫和鐵路特有調(diào)度兩項(xiàng)業(yè)務(wù)。高級(jí)語(yǔ)音呼叫包括語(yǔ)音組呼、語(yǔ)音廣播和增強(qiáng)多優(yōu)先級(jí)及強(qiáng)拆。鐵路特有調(diào)度包含功能尋址，接入矩陣與基于位置尋址。

1964年，日本東海道新干線作為世界上第1條高速鐵道正式通車，標(biāo)志著世界進(jìn)入高速鐵路建設(shè)時(shí)代。高速鐵路對(duì)各方面的鐵路技術(shù)提出新要求，德國(guó)、法國(guó)、英國(guó)、意大利、瑞典等國(guó)都已采用的GSM一R系統(tǒng)建成高速鐵路，由此看來(lái)GSM一R受到各國(guó)高速鐵路業(yè)的青睞。我國(guó)高鐵建設(shè)起步晚， 1999年8月建設(shè)的秦沈?qū)＞€是我國(guó)高速鐵路建設(shè)的起點(diǎn)。截止到2020年，我國(guó)計(jì)劃建造、使用高速鐵路總里程約1.2萬(wàn)km。

二、GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋和實(shí)現(xiàn)

在鐵路帶狀環(huán)境中，建設(shè)GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)盡可能采用定向的天線，以方便調(diào)整方位進(jìn)行帶狀覆蓋，形成沿著鐵路的橢圓小區(qū)。

(一)GSM一R無(wú)線覆蓋

據(jù)歐洲GSM一R標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，GSM一R網(wǎng)絡(luò)在可用性、服務(wù)質(zhì)量、容災(zāi)、冗余可靠等方面比其他公眾通信網(wǎng)絡(luò)要求要嚴(yán)格，GSM一R的安全性級(jí)別很高，要滿足在高速的條件下通話需求和列控需求。

1、網(wǎng)絡(luò)覆蓋要求：98dBm，95%時(shí)間區(qū)域(列調(diào));95dBm，95%時(shí)間區(qū)域(列控，速度<220km小);92dBm，95%時(shí)間區(qū)域(列控，速度>280ki孔七)。

2、通話建立時(shí)間(95%的情況)：應(yīng)急通話少于2秒;操作通話少于5秒;低優(yōu)先級(jí)通話少于10秒。

3、高越區(qū)的切換成功率。

4、保證鐵路車站、鐵路隧道、鐵路站場(chǎng)等區(qū)域高質(zhì)量無(wú)線覆蓋。

5、高級(jí)別抗干擾能力。

依據(jù)鐵路專線具體的特點(diǎn)，針對(duì)其GSM一R系統(tǒng)進(jìn)行特殊組成環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)，采取不同組網(wǎng)的解決方案，用以滿足具體要求。

(二)無(wú)線雙網(wǎng)覆蓋方式

對(duì)于GSM一R系統(tǒng)無(wú)線雙層覆蓋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，在正常工作情況下，移動(dòng)臺(tái)通常在主用層小區(qū)切換。如果主用層基站發(fā)現(xiàn)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(fù)后，再切換回主用層。

(三)專用模式下GSM一R雙網(wǎng)實(shí)現(xiàn)

對(duì)于雙層網(wǎng)絡(luò)而言，位于第一層連續(xù)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(qiáng)的覆蓋區(qū)域不相同。第二層基站恰當(dāng)彌補(bǔ)第一層小區(qū)的重疊區(qū)域內(nèi)場(chǎng)強(qiáng)弱的區(qū)域。目前歐洲的國(guó)家多采用的是交織站址的雙層網(wǎng)絡(luò)。而在我國(guó)大多采用交織站址的雙層網(wǎng)絡(luò)均勻分擔(dān)方式。

三、GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換性能分析

GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換指端到端通話移動(dòng)臺(tái)或語(yǔ)音組呼中占用上行鏈路的相對(duì)應(yīng)移動(dòng)臺(tái)，在小區(qū)間移動(dòng)時(shí)維持呼叫不間斷的過(guò)程。切換用于滿足無(wú)線網(wǎng)絡(luò)管理需要，減輕網(wǎng)絡(luò)的擁塞。與GSM系統(tǒng)相對(duì)比，GSM一R的小區(qū)半徑小，越區(qū)切換概率高。因此GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換性能影響磁卡整個(gè)GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。

(一)越區(qū)切換的流程分析

GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換過(guò)程分為四階段：測(cè)量，觸發(fā)，選擇與執(zhí)行。整個(gè)GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的切換過(guò)程由MS、BSC、BTS、和MSC協(xié)同完成，MS測(cè)量無(wú)線子系統(tǒng)的下行鏈路性能與小區(qū)中接收的信號(hào)強(qiáng)弱;BTS監(jiān)視每一個(gè)被服務(wù)之移動(dòng)臺(tái)上行接收的點(diǎn)平與質(zhì)量，在空閑話務(wù)信道上進(jìn)行干擾電平的監(jiān)測(cè)。BTS把測(cè)量結(jié)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(cè)量結(jié)果由MSC完成。

(二)切換掉話的性能分析

GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)掉話現(xiàn)象是使用移動(dòng)臺(tái)過(guò)程中常見(jiàn)的問(wèn)題，它是系統(tǒng)不良的綜合表現(xiàn)，影響系統(tǒng)運(yùn)行的質(zhì)量。掉話率是通信網(wǎng)絡(luò)中的重要指標(biāo)，掉話率的高低反映出移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量的水平。引起掉話原因很多，主要包括無(wú)線鏈路故障，越區(qū)切換失敗及系統(tǒng)故障等因素。越區(qū)切換的掉話問(wèn)題主要是因?yàn)镚SM一R系統(tǒng)中的越區(qū)切換是硬性切換，切換時(shí)掉話風(fēng)險(xiǎn)比較大，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，由于切換而發(fā)生的掉話占整個(gè)網(wǎng)絡(luò)掉話40%。所以要針對(duì)掉話改進(jìn)GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的性能，盡可能減少掉話情況的發(fā)生。

(三)切換阻塞的性能分析

GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)呼叫阻塞指由于沒(méi)有空閑信道導(dǎo)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)線網(wǎng)絡(luò)與單層網(wǎng)絡(luò)相比，其無(wú)線資源比較少，因此當(dāng)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(tǒng)的整體運(yùn)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)線網(wǎng)絡(luò)阻塞概率，宜采用切換排隊(duì)，即當(dāng)小區(qū)沒(méi)有空閑的信道時(shí)，切換呼叫可以排隊(duì)等待，在排隊(duì)的有效對(duì)應(yīng)時(shí)間內(nèi)，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(qū)切換

高速運(yùn)行的列車(25Okm/小時(shí)以上)對(duì)無(wú)線通信系統(tǒng)有更高要求，列車的自動(dòng)控制、告警、無(wú)線通信、調(diào)車通信、鐵路維護(hù)、車次號(hào)及售票系統(tǒng)等方面都對(duì)無(wú)線通信有不同的要求。

(一)高速鐵路GSM一R越區(qū)切換存在的問(wèn)題

高速鐵路要求GSM一R系統(tǒng)越區(qū)切時(shí)間要更短，切換的成功率要更高。GSM一R無(wú)線網(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(yùn)專線的列車高速運(yùn)行帶來(lái)的多普勒頻移、越區(qū)切換、無(wú)線信道變換等技術(shù)難題都需要解決。

高速鐵路的GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換要減少切換次數(shù)，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(qū)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(guī)劃階段

在列車高速運(yùn)行過(guò)程中，越區(qū)切換會(huì)頻繁發(fā)生，如果經(jīng)常呼叫中斷，會(huì)給列車運(yùn)行造成安全性的威脅。因此在GSM一R網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段應(yīng)減少總越區(qū)切換的次數(shù)。為避免在移動(dòng)小區(qū)的邊界處切換次數(shù)增加，在進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃時(shí)應(yīng)該采用一個(gè)基站配設(shè)兩根定向天線，通過(guò)功率禍合器連接兩根定向天線后接到基站內(nèi)收發(fā)信機(jī)上，配以相同頻率。每根定向天線對(duì)應(yīng)一塊扇區(qū)，扇區(qū)間形成了單一小區(qū)。這種方式可有效減少總越區(qū)切換的次數(shù)。此外為減小同頻、鄰頻干擾，分配相鄰小區(qū)的頻點(diǎn)須有適當(dāng)?shù)拈g隔。

2、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段

優(yōu)化GSM一R網(wǎng)絡(luò)是長(zhǎng)期的、細(xì)致的工作，要保障GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)的覆蓋質(zhì)量良好，消除覆蓋中的盲區(qū)、弱場(chǎng)，保持相整理鄰小區(qū)有深重疊的區(qū)域和越區(qū)切換區(qū)內(nèi)信號(hào)良好;在網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行中不斷進(jìn)行優(yōu)化配置，使GSM一R網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量不斷加強(qiáng)。對(duì)于高鐵的GSM一R系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，減少切換次數(shù)，降低切換進(jìn)的掉話率，提升切換成功率是GSM一R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化階段的重要內(nèi)容?？梢詮恼{(diào)整切換門限值、利用乒乓切換拒絕定時(shí)器、調(diào)整天線俯仰角三方面優(yōu)化GSM一R網(wǎng)絡(luò)。

(二)高速鐵路越區(qū)切換算法

為使移動(dòng)臺(tái)能及時(shí)切換，保證用戶通話順利進(jìn)行，要依據(jù)觸發(fā)條件的不同進(jìn)行移動(dòng)臺(tái)相應(yīng)切換。觸發(fā)過(guò)程有七種切換算法，它們是命令重試法、捕獲切換法、質(zhì)量切換法、電平切換法、距離切換法、功率估計(jì)切換法和業(yè)務(wù)切換法。

鐵路小區(qū)規(guī)劃線狀覆蓋，切換目標(biāo)小區(qū)單一，可采用電平切換法與距離切換法;對(duì)高速運(yùn)動(dòng)的移動(dòng)臺(tái)誚采用功率估計(jì)切換法切換。其他的高速高速鐵路越區(qū)切換算法的運(yùn)用，要依據(jù)具體情況具體分析，然后實(shí)施。

五、結(jié)論

隨著我國(guó)高速鐵路飛速發(fā)展，GSM一R無(wú)疑網(wǎng)絡(luò)技術(shù)在鐵路通信中的作用越來(lái)越重要。從鐵路特殊安全考慮，GSM一R無(wú)線系統(tǒng)的線狀覆蓋和越區(qū)切換也提出更高要求。GSM一R作為一種先進(jìn)的移動(dòng)通信技術(shù)體系，為高速鐵路的專用通信提供了有著強(qiáng)大的功能、豐富的業(yè)務(wù)，穩(wěn)定而可靠的信息化平臺(tái)。

隨著鐵路通信需求的快速增長(zhǎng)和新一代移動(dòng)通信系統(tǒng)相繼崛起，鐵路GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)覆蓋必定會(huì)實(shí)現(xiàn)無(wú)疑覆蓋，而GSM一R無(wú)線網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的越區(qū)切換性能也會(huì)得到更大程度的提升。