蔡俊福 闞紹忠

（中鐵建電氣化局集團(tuán)有限公司，北京 100043）

1 概述

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)是我國(guó)中長(zhǎng)期鐵路規(guī)劃客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)中徐蘭客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)（徐州—鄭州—西安—寶雞—蘭州）的重要組成部分，已于2010年2月6日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)。鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)設(shè)計(jì)速度350 km/h，采用基于GSM-R的CTCS-3級(jí)列車(chē)控制系統(tǒng)指揮行車(chē)，在業(yè)務(wù)繁忙時(shí)將實(shí)現(xiàn)350 km/h、3 min追蹤間隔的高速運(yùn)行。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)能夠在鐵路沿線(xiàn)的開(kāi)闊地、山區(qū)、隧道和丘陵等各種地形地貌條件下提供無(wú)縫網(wǎng)絡(luò)服務(wù)，是實(shí)現(xiàn)CTCS-3級(jí)列車(chē)控制安全數(shù)據(jù)傳輸?shù)幕A(chǔ)平臺(tái)。CTCS-3車(chē)載ATP和地面無(wú)線(xiàn)閉塞中心（RBC）之間利用GSM-R網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行雙向命令與狀態(tài)信息交互，完成列車(chē)位置跟蹤、移動(dòng)授權(quán)、緊急停車(chē)、臨時(shí)限速等關(guān)鍵信息的傳送。

CTCS-3系統(tǒng)是保證列車(chē)高速運(yùn)行的關(guān)鍵，GSM-R網(wǎng)絡(luò)要為CTCS-3級(jí)安全數(shù)據(jù)傳輸提供安全可靠的通道，高速條件下的無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化就顯得尤為關(guān)鍵。只有GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)完成高速條件下的優(yōu)化工作，才能滿(mǎn)足列控系統(tǒng)對(duì)于GSM-R的QoS指標(biāo)要求，保證車(chē)地之間的列控安全數(shù)據(jù)可靠傳輸。

對(duì)于列車(chē)控制數(shù)據(jù)傳輸而言，良好的通信服務(wù)質(zhì)量直接關(guān)系到鐵路運(yùn)輸安全和效率，而在此之前，對(duì)高速運(yùn)行狀態(tài)下的CSD數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)還沒(méi)有成熟的優(yōu)化方法。本文主要結(jié)合鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)全線(xiàn)GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)高速條件下的優(yōu)化，并配合CTCS-3運(yùn)行試驗(yàn)，進(jìn)行覆蓋優(yōu)化調(diào)整、越區(qū)切換優(yōu)化、服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化等方面的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，以期對(duì)后續(xù)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)優(yōu)化提供參考。

2 高速網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

如圖1所示，高速條件下的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測(cè)試系統(tǒng)主要包括GSM-R高速場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)，GSM-R高速Q(mào)oS測(cè)試系統(tǒng)，GSM-R Abis、A和PRI接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，QoS地面服務(wù)器等。其中，GSM-R高速場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試系統(tǒng)由高速場(chǎng)強(qiáng)接收機(jī)和專(zhuān)用軟件組成，用于GSM-R無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化。GSM-R高速Q(mào)oS測(cè)試系統(tǒng)由列控專(zhuān)用模塊和專(zhuān)用QoS軟件組成，用于測(cè)試GSM-R網(wǎng)絡(luò)電路數(shù)據(jù)和GPRS業(yè)務(wù)的服務(wù)質(zhì)量，同時(shí)在地面接口實(shí)時(shí)跟蹤移動(dòng)臺(tái)的呼叫流程、數(shù)據(jù)傳輸情況、上下行電平和質(zhì)量、越區(qū)切換等，為網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和技術(shù)支撐。

3 覆蓋優(yōu)化調(diào)整

3.1 優(yōu)化調(diào)整目標(biāo)

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)采用單網(wǎng)交織覆蓋，該覆蓋方式可大大提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性和覆蓋能力。場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試優(yōu)化目標(biāo)是在列車(chē)高速運(yùn)行狀態(tài)（350 km/h）下，基站全部開(kāi)啟、僅開(kāi)啟奇數(shù)基站和僅開(kāi)啟偶數(shù)基站的情況下，都應(yīng)符合95%時(shí)間地點(diǎn)概率條件下，接收機(jī)天線(xiàn)輸入端最小接收電平高于-92 dBm。同時(shí)，還要避免不相鄰基站之間的過(guò)覆蓋，設(shè)置合理的重疊區(qū)，保證切換重疊區(qū)的長(zhǎng)度。

3.2 覆蓋調(diào)整理論依據(jù)

在完成低速和高速無(wú)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的過(guò)程中，針對(duì)重疊區(qū)大小、過(guò)覆蓋、覆蓋不足和乒乓切換等，優(yōu)化初期為達(dá)到期望的覆蓋效果，可以通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)的俯仰角和方位角，使得天線(xiàn)的主瓣在垂直面和水平面上發(fā)生改變，從而使天線(xiàn)輻射能量分布覆蓋區(qū)域發(fā)生變化。

鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)基站和直放站主要使用了4種天線(xiàn)，APX86-906516L-CT0和80010141（凱瑟琳）供基站使用，為交叉極化天線(xiàn)，AP906516-CT0和K732267（凱瑟琳）主要供直放站使用。以絕大多數(shù)基站使用的APX86-906516L-CT0為例，可以通過(guò)計(jì)算得出天線(xiàn)俯仰角與覆蓋距離的關(guān)系。APX86-906516L-CT0增益為17dBi，水平波束為65°，垂直波束為6.8°，其垂直方向的輻射如圖2所示，其主要的輻射范圍為主波瓣方向，下面通過(guò)計(jì)算給出半功率角（增益降低3 dB）和軌面交點(diǎn)和基站的距離關(guān)系（假設(shè)天線(xiàn)距離軌面高度為30 m），根據(jù)幾何計(jì)算可得表1。分析表1數(shù)據(jù)可知，當(dāng)天線(xiàn)下傾角設(shè)置小于2°時(shí)，天線(xiàn)半功率角輻射的能量有一部分到無(wú)窮遠(yuǎn)，甚至向天空輻射，對(duì)于天線(xiàn)能量來(lái)說(shuō)比較浪費(fèi)，同時(shí)容易造成越區(qū)覆蓋；當(dāng)天線(xiàn)下傾角設(shè)置為4°時(shí)，天線(xiàn)能量主要集中在231～2 865 m范圍內(nèi)；當(dāng)天線(xiàn)下傾角設(shè)置為6°時(shí)，天線(xiàn)能量主要集中在181～661 m范圍內(nèi)。因此，鄭西線(xiàn)基站間距一般按照4°～7°進(jìn)行設(shè)置。同時(shí)，根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋測(cè)試結(jié)果，對(duì)覆蓋過(guò)遠(yuǎn)或覆蓋衰減過(guò)快的地點(diǎn)，通過(guò)調(diào)整天線(xiàn)俯仰角達(dá)到覆蓋要求。

表1 半功率角（增益降低3 dB）與軌面交點(diǎn)和基站的距離關(guān)系

3.3 基站覆蓋優(yōu)化

在優(yōu)化過(guò)程中，要求保證單基站工作正常，雙方向覆蓋基本對(duì)稱(chēng)；考慮到高速余量，鄭西線(xiàn)上相鄰基站覆蓋交叉點(diǎn)電平在-60 dBm以上；交織基站覆蓋交叉點(diǎn)電平在-75 dBm以上。

優(yōu)化過(guò)程中，首先排除設(shè)備故障（駐波比超標(biāo)、抱桿不垂直、接頭松動(dòng)、線(xiàn)纜損壞和傳輸問(wèn)題），然后根據(jù)場(chǎng)強(qiáng)測(cè)試數(shù)據(jù)生成的覆蓋曲線(xiàn)調(diào)整基站俯仰角、方向角和基站輸出功率。進(jìn)行調(diào)整的同時(shí)，考慮全基站模式和降級(jí)模式，在不能兼顧時(shí)，結(jié)合參數(shù)調(diào)整達(dá)到優(yōu)化目標(biāo)。

3.4 直放站覆蓋優(yōu)化

在單網(wǎng)交織覆蓋模式下，1個(gè)直放站同時(shí)接兩個(gè)宿主基站，一路為主信號(hào)，一路為從信號(hào)，要求直放站輸出功率正常，同時(shí)主從信號(hào)相差為6 dB左右（6 dB左右是保證主從信號(hào)能夠區(qū)分的合理值，要求大于切換門(mén)限4 dB，避免乒乓切換，同時(shí)要保證從信號(hào)不能過(guò)低）。實(shí)施優(yōu)化過(guò)程中，首先要排除設(shè)備故障，如設(shè)備掉電、駐波比超標(biāo)、光模塊損壞、功放損壞、衰減器損壞、接頭松動(dòng)和尾纖接錯(cuò)等。

其次，解決直放站主從信號(hào)覆蓋相差過(guò)小或過(guò)大，具體方法：首先確認(rèn)直放站宿主基站輸出功率；其次確認(rèn)是否有設(shè)備故障；最后現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試問(wèn)題直放站所連近端機(jī)TP點(diǎn)功率、對(duì)應(yīng)直放站遠(yuǎn)端機(jī)光模塊輸入功率、直放站遠(yuǎn)端機(jī)射頻輸出功率，根據(jù)各點(diǎn)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，找到問(wèn)題根源，并進(jìn)行相應(yīng)調(diào)整（調(diào)整基站功率、直放站衰減器大小等）。

4 越區(qū)切換優(yōu)化

越區(qū)切換的優(yōu)化目標(biāo)是開(kāi)通全部基站、僅開(kāi)通奇數(shù)基站及僅開(kāi)通偶數(shù)基站3種情況下越區(qū)，保證切換中斷時(shí)間小于0.5 s（95%），切換成功率不小于99.5%，兩次切換的間隔大于20 s，切換位置相對(duì)均勻，無(wú)緊急切換和乒乓切換發(fā)生。越區(qū)切換的優(yōu)化主要依據(jù)Abis接口跟蹤到的用戶(hù)發(fā)生切換的時(shí)間、地點(diǎn)和切換原因，從而調(diào)整切換參數(shù)。

針對(duì)350 km/h高速運(yùn)行的要求，BSC相關(guān)參數(shù)設(shè)置如表2所示。

切換性能的最優(yōu)化，需要以良好、均勻的場(chǎng)強(qiáng)覆蓋為基礎(chǔ)。但僅僅通過(guò)覆蓋調(diào)整不能徹底避免乒乓切換和異常切換，此時(shí)需要調(diào)整基站參數(shù)（鄰區(qū)參數(shù)、切換余量和乒乓切換保護(hù)時(shí)間等），對(duì)比調(diào)整前后的測(cè)試數(shù)據(jù)，進(jìn)行分析和驗(yàn)證，逐漸逼近于最優(yōu)狀態(tài)。

表2 BSC相關(guān)參數(shù)設(shè)置

在覆蓋正常的情況下，對(duì)于某些直放站區(qū)段切換滯后，通過(guò)Abis接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)：直放站主從信號(hào)在設(shè)計(jì)切換點(diǎn)附近的覆蓋均高于-47 dBm，基站子系統(tǒng)對(duì)大于-47 dBm的測(cè)量值均按-47 dBm處理，不進(jìn)行切換判決，導(dǎo)致切換滯后。對(duì)于此類(lèi)問(wèn)題，一般通過(guò)降低直放站上下行增益或在直放站射頻輸出端增加衰減器來(lái)實(shí)現(xiàn)，調(diào)整值大小通過(guò)場(chǎng)強(qiáng)覆蓋曲線(xiàn)和Abis接口測(cè)量報(bào)告值進(jìn)行分析得出。

相比低速運(yùn)行，動(dòng)車(chē)組在高速運(yùn)行過(guò)程中發(fā)現(xiàn)模塊切換滯后的現(xiàn)象比低速更為嚴(yán)重。對(duì)于基站站距較短的區(qū)段，由于啟用切換保護(hù)時(shí)間和之前多個(gè)小區(qū)切換滯后的積累，使得在某個(gè)小區(qū)內(nèi)遲遲達(dá)不到切換保護(hù)時(shí)間，最后容易發(fā)生下行電平或質(zhì)量切換。因此在高速運(yùn)行時(shí)，在前面低速優(yōu)化的基礎(chǔ)上，根據(jù)區(qū)段特點(diǎn)，將切換門(mén)限盡量降低，某些特定地點(diǎn)還可以將切換門(mén)限調(diào)整為0 dB或負(fù)值。

例如：某兩個(gè)小區(qū)之間切換滯后，如圖3所示，切換前的TA值是6，切換后的TA值是2，空間地帶兩者相差大，說(shuō)明切換滯后。通過(guò)調(diào)整切換門(mén)限后，切換關(guān)系達(dá)到設(shè)計(jì)要求，如圖4所示。

5 網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試優(yōu)化

5.1 優(yōu)化主要內(nèi)容

高速條件下的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化，主要針對(duì)傳輸干擾時(shí)間、傳輸無(wú)差錯(cuò)時(shí)間和連接丟失率等進(jìn)行。

5.2 服務(wù)質(zhì)量?jī)?yōu)化主要問(wèn)題分析

5.2.1 克服網(wǎng)內(nèi)外同頻、鄰頻干擾

在優(yōu)化過(guò)程中，對(duì)上下行質(zhì)量在4級(jí)以上的，要進(jìn)行集中處理。質(zhì)量較差，意味著存在干擾，在清頻工作未完成之前，首先需要判斷干擾源是來(lái)自網(wǎng)內(nèi)還是網(wǎng)外。根據(jù)頻組復(fù)用原則，采用7頻組復(fù)用時(shí)，在降級(jí)模式下，質(zhì)量較差小區(qū)對(duì)應(yīng)的基站開(kāi)啟時(shí)，其相鄰頻組的同頻基站均處于關(guān)閉狀態(tài)。若在這種降級(jí)模式下干擾有較大改善，說(shuō)明干擾可能來(lái)自于網(wǎng)內(nèi)，需要根據(jù)同頻基站的距離和覆蓋強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整。反之則可能來(lái)自于網(wǎng)外，需根據(jù)電磁環(huán)境測(cè)試的結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)干擾頻點(diǎn)，進(jìn)行清頻工作。

5.2.2 直放站上行干擾問(wèn)題

由于直放站設(shè)備對(duì)移動(dòng)臺(tái)上行電平的接收能力的非線(xiàn)性效應(yīng)以及直放站設(shè)備底噪對(duì)施主基站造成的干擾，導(dǎo)致直放站區(qū)段上行質(zhì)量較差，在優(yōu)化過(guò)程中主要采用降低直放站上行增益的方法來(lái)解決，也可采用更改相應(yīng)基站的MsTxPWRmax參數(shù)來(lái)解決。

例如：部分區(qū)段上行質(zhì)量差，上行質(zhì)量6～7級(jí)，如圖5所示。通過(guò)將直放站上行增益下調(diào)3 dB后，上行質(zhì)量得到改善（0級(jí)），如圖6所示。

5.2.3 連接丟失分析處理

高速測(cè)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)部分隧道洞口區(qū)段容易發(fā)生掉話(huà)，現(xiàn)象為上行質(zhì)量突然變?yōu)?級(jí)以上，測(cè)量報(bào)告不連續(xù)，且基本發(fā)生在一個(gè)列車(chē)運(yùn)行方向。經(jīng)分析認(rèn)為，這些區(qū)段存在直放站天線(xiàn)向隧道內(nèi)輻射的情況，容易與隧道中漏纜的覆蓋形成相互干擾，同時(shí)，根據(jù)Abis接口得到的測(cè)量報(bào)告發(fā)現(xiàn)，TA值與實(shí)際不符，TA更新明顯慢。因此，根據(jù)上述分析，通過(guò)取消直放站向隧道內(nèi)輻射的天線(xiàn)，并修改extended Timing Advance Window參數(shù)，使BTS每隔2 s即4個(gè)測(cè)量報(bào)告便更新一次TA，加快更新周期，克服TA更新慢而引起的基站在對(duì)應(yīng)時(shí)隙收到的信息不完整或被另一個(gè)呼叫的信息所干擾而導(dǎo)致上行質(zhì)量持續(xù)7級(jí)的情況。因此，采用連續(xù)直放站進(jìn)行覆蓋時(shí)，在列車(chē)高速運(yùn)行的情況下，要特別關(guān)注距離參數(shù)即TA值的設(shè)置。

6 開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后的技術(shù)保障

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化是一個(gè)長(zhǎng)期的過(guò)程，貫穿網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、調(diào)試和開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后的各個(gè)階段。鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)于2010年2月6日正式開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，仍然對(duì)運(yùn)營(yíng)列車(chē)CTCS-3級(jí)數(shù)據(jù)傳輸進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤分析，通過(guò)詳細(xì)的數(shù)據(jù)分析，對(duì)兩處新出現(xiàn)的下行質(zhì)量較差導(dǎo)致切換失敗的地點(diǎn)，采取改變切換點(diǎn)的方式進(jìn)行優(yōu)化，保證了CTCS-3級(jí)數(shù)據(jù)傳輸?shù)目煽啃?。開(kāi)通運(yùn)營(yíng)后，GSM-R網(wǎng)絡(luò)和CTCS-3級(jí)列控系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，有效提高了列車(chē)運(yùn)行效率。

7 結(jié)束語(yǔ)

本文基于鄭西客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)全線(xiàn)高速網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過(guò)程，分析和總結(jié)了網(wǎng)絡(luò)覆蓋優(yōu)化、越區(qū)切換優(yōu)化和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測(cè)試優(yōu)化中遇到的典型問(wèn)題和解決辦法，以期為后續(xù)客運(yùn)專(zhuān)線(xiàn)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供借鑒。

[1] 鐘章隊(duì)， 李旭， 蔣文怡， 等．鐵路綜合數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)（GSM-R）[M]．北京，中國(guó)鐵道出版社， 2007．

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