GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋實(shí)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(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：高級語音呼叫和鐵路特有調(diào)度兩項(xiàng)業(yè)務(wù)。高級語音呼叫包括語音組呼、語音廣播和增強(qiáng)多優(yōu)先級及強(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(shè)起步晚， 1999年8月建設(shè)的秦沈?qū)＞€是我國高速鐵路建設(shè)的起點(diǎn)。截止到2020年，我國計(jì)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(luò)覆蓋和實(shí)現(xiàn)
在鐵路帶狀環(huán)境中，建設(shè)GSM一R無線網(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(diǎn)，針對其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(dòng)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(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)場強(qiáng)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(luò)。而在我國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無線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換性能分析
GSM一R無線網(wǎng)絡(luò)越區(qū)切換指端到端通話移動(dòng)臺或語音組呼中占用上行鏈路的相對應(yīng)移動(dòng)臺，在小區(qū)間移動(dòng)時(shí)維持呼叫不間斷的過程。切換用于滿足無線網(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(luò)的越區(qū)切換性能影響磁卡整個(gè)GSM一R無線網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量。
(一)越區(qū)切換的流程分析
GSM一R無線網(wǎng)絡(luò)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(gè)GSM一R無線網(wǎng)絡(luò)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(qiáng)弱;BTS監(jiān)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，在空閑話務(wù)信道上進(jìn)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(luò)掉話現(xiàn)象是使用移動(dòng)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(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?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%。所以要針對掉話改進(jìn)GSM一R無線網(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無線網(wǎng)絡(luò)呼叫阻塞指由于沒有空閑信道導(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無線網(wǎng)絡(luò)與單層網(wǎng)絡(luò)相比，其無線資源比較少，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無線網(wǎng)絡(luò)阻塞概率，宜采用切換排隊(duì)，即當(dāng)小區(qū)沒有空閑的信道時(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)對無線通信系統(tǒng)有更高要求，列車的自動(dòng)控制、告警、無線通信、調(diào)車通信、鐵路維護(hù)、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(shí)間要更短，切換的成功率要更高。GSM一R無線網(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(luò)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(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)行說明：
1、網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃階段
在列車高速運(yùn)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(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。
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