GSM-R無線網(wǎng)絡覆蓋實現(xiàn)及越區(qū)切換性能研究
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一、GSM一R系統(tǒng)概述
GSM一R是針對鐵路通信而專門設計的綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)，其以GSM為基礎(chǔ)設施，既保有GSM原有業(yè)務劃分，又增添了鐵路特定的應用，使鐵路用戶可在GSM一R平臺上開發(fā)各種鐵路相應的應用。
GSM一R業(yè)務包括：高級語音呼叫和鐵路特有調(diào)度兩項業(yè)務。高級語音呼叫包括語音組呼、語音廣播和增強多優(yōu)先級及強拆。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，標志著世界進入高速鐵路建設時代。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(tǒng)建成高速鐵路，由此看來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?qū)＞€是我國高速鐵路建設的起點。截止到2020年，我國計劃建造、使用高速鐵路總里程約1.2萬km。
二、GSM一R無線網(wǎng)絡覆蓋和實現(xiàn)
在鐵路帶狀環(huán)境中，建設GSM一R無線網(wǎng)絡應盡可能采用定向的天線，以方便調(diào)整方位進行帶狀覆蓋，形成沿著鐵路的橢圓小區(qū)。
(一)GSM一R無線覆蓋
據(jù)歐洲GSM一R標準和規(guī)范，GSM一R網(wǎng)絡在可用性、服務質(zhì)量、容災、冗余可靠等方面比其他公眾通信網(wǎng)絡要求要嚴格，GSM一R的安全性級別很高，要滿足在高速的條件下通話需求和列控需求。
1、網(wǎng)絡覆蓋要求：98dBm，95%時間區(qū)域(列調(diào));95dBm，95%時間區(qū)域(列控，速度220km小);92dBm，95%時間區(qū)域(列控，速度>280ki孔七)。
2、通話建立時間(95%的情況)：應急通話少于2秒;操作通話少于5秒;低優(yōu)先級通話少于10秒。
4、保證鐵路車站、鐵路隧道、鐵路站場等區(qū)域高質(zhì)量無線覆蓋。
5、高級別抗干擾能力。
依據(jù)鐵路專線具體的特點，針對其GSM一R系統(tǒng)進行特殊組成環(huán)節(jié)設計，采取不同組網(wǎng)的解決方案，用以滿足具體要求。
(二)無線雙網(wǎng)覆蓋方式
對于GSM一R系統(tǒng)無線雙層覆蓋結(jié)構(gòu)來說，在正常工作情況下，移動臺通常在主用層小區(qū)切換。如果主用層基站發(fā)現(xiàn)故障就會觸發(fā)主用層基站切換到備用層網(wǎng)絡，主用層恢復后，再切換回主用層。
(三)專用模式下GSM一R雙網(wǎng)實現(xiàn)
對于雙層網(wǎng)絡而言，位于第一層連續(xù)兩個基站間的第二層基站，互相為冗余兩層網(wǎng)絡，其提供場強的覆蓋區(qū)域不相同。第二層基站恰當彌補第一層小區(qū)的重疊區(qū)域內(nèi)場強弱的區(qū)域。目前歐洲的國家多采用的是交織站址的雙層網(wǎng)絡。而在我國大多采用交織站址的雙層網(wǎng)絡均勻分擔方式。
三、GSM一R無線網(wǎng)絡越區(qū)切換性能分析
GSM一R無線網(wǎng)絡越區(qū)切換指端到端通話移動臺或語音組呼中占用上行鏈路的相對應移動臺，在小區(qū)間移動時維持呼叫不間斷的過程。切換用于滿足無線網(wǎng)絡管理需要，減輕網(wǎng)絡的擁塞。與GSM系統(tǒng)相對比，GSM一R的小區(qū)半徑小，越區(qū)切換概率高。因此GSM一R無線網(wǎng)絡的越區(qū)切換性能影響磁卡整個GSM一R無線網(wǎng)絡的服務質(zhì)量。
(一)越區(qū)切換的流程分析
GSM一R無線網(wǎng)絡越區(qū)切換過程分為四階段：測量，觸發(fā)，選擇與執(zhí)行。整個GSM一R無線網(wǎng)絡的切換過程由MS、BSC、BTS、和MSC協(xié)同完成，MS測量無線子系統(tǒng)的下行鏈路性能與小區(qū)中接收的信號強弱;BTS監(jiān)視每一個被服務之移動臺上行接收的點平與質(zhì)量，在空閑話務信道上進行干擾電平的監(jiān)測。BTS把測量結(jié)果發(fā)至BSC，BSC完成最初判決。判決從其他BSS、MSC發(fā)來信息的測量結(jié)果由MSC完成。
(二)切換掉話的性能分析
GSM一R無線網(wǎng)絡掉話現(xiàn)象是使用移動臺過程中常見的問題，它是系統(tǒng)不良的綜合表現(xiàn)，影響系統(tǒng)運行的質(zhì)量。掉話率是通信網(wǎng)絡中的重要指標，掉話率的高低反映出移動網(wǎng)絡通信質(zhì)量的水平。引起掉話原因很多，主要包括無線鏈路故障，越區(qū)切換失敗及系統(tǒng)故障等因素。越區(qū)切換的掉話問題主要是因為GSM一R系統(tǒng)中的越區(qū)切換是硬性切換，切換時掉話風險比較大，據(jù)不完全統(tǒng)計，由于切換而發(fā)生的掉話占整個網(wǎng)絡掉話40%。所以要針對掉話改進GSM一R無線網(wǎng)絡的性能，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無線網(wǎng)絡呼叫阻塞指由于沒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無線網(wǎng)絡與單層網(wǎng)絡相比，其無線資源比較少，因此當呼叫和切換業(yè)務量較大的時候，極易發(fā)生切掉阻塞。切換成功率影響系統(tǒng)的整體運營服務質(zhì)量，因此必須重視減少發(fā)生切換阻塞。
為降低GSM一R無線網(wǎng)絡阻塞概率，宜采用切換排隊，即當小區(qū)沒有空閑的信道時，切換呼叫可以排隊等待，在排隊的有效對應時間內(nèi)，一旦有釋放的信道，切換呼叫就可占用這個信道，減小切換阻塞。
四、高速鐵路GSM一R越區(qū)切換
高速運行的列車(25Okm/小時以上)對無線通信系統(tǒng)有更高要求，列車的自動控制、告警、無線通信、調(diào)車通信、鐵路維護、車次號及售票系統(tǒng)等方面都對無線通信有不同的要求。
(一)高速鐵路GSM一R越區(qū)切換存在的問題
高速鐵路要求GSM一R系統(tǒng)越區(qū)切時間要更短，切換的成功率要更高。GSM一R無線網(wǎng)絡要可以提供可靠性與有效性更高的服務，與普速鐵路比較，客運專線的列車高速運行帶來的多普勒頻移、越區(qū)切換、無線信道變換等技術(shù)難題都需要解決。
高速鐵路的GSM一R無線網(wǎng)絡越區(qū)切換要減少切換次數(shù)，簡化切換過程，避免切換，及時、快速完成切換是提升GSM一R越區(qū)切換性能的關(guān)鍵。下面分階段進行說明：
1、網(wǎng)絡規(guī)劃階段
在列車高速運行過程中，越區(qū)切換會頻繁發(fā)生，如果經(jīng)常呼叫中斷，會給列車運行造成安全性的威脅。因此在GSM一R網(wǎng)絡規(guī)劃階段應減少總越區(qū)切換的次數(shù)。為避免在移動小區(qū)的邊界處切換次數(shù)增加，在進行網(wǎng)絡規(guī)劃時應該采用一個基站配設兩根定向天線，通過功率禍合器連接兩根定向天線后接到基站內(nèi)收發(fā)信機上，配以相同頻率。每根定向天線對應一塊扇區(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)的頻點須有適當?shù)拈g隔。
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