GSMR系统网络优化技术.docx
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GSMR系统网络优化技术
GSM-R系统网络优化技术
摘要
随着我国经济的飞速发展,人们对于出行及通信的便捷性的需求日益提升。
同时,我国高速铁路的不断建成开通也极大的满足了人们对于便捷出行的需求。
但是,高速铁路在高速运行状态下,电平快速衰落、无线环境快速改变,加之高速铁路采用的穿透损耗较大的封闭车厢,都对GSM网络的传统覆盖方式提出了挑战。
于是衍生出了新一代的铁路数字移动通信系统GSM-R。
GSM-R系统是在GSM的基础上，针对铁路移动通信的特点开发的一种专用无线通信系统，其安全性受到网络结构和用户终端移动性本身的制约，存在很多问题，包括频率优化，干扰排查，多普勒效应等内容。
通过分析GSM-R网络的体系结构特点，讨论了GSM-R系统中存在的网络安全隐患，结合工作实践，提出相应的防范措施。
列车的通信系统可以说对于游客来说是有一定改善需求的领域，由于信息化的加强使得信息产品的使用在生活中越来越密不可分，因而移动通信需求可以说成为了一个比较迫切需要解决的问题。
而就实际情况来说，高速铁路自身的控制系统，实际上也需要对于通信技术又跟更高的要求，虽然两者并非同类，但是技术要求却是一致的。
因为实际上可以说是移动通信技术的发展，无论对于客户需求或者是自身的强化来说，都是有价值的。
本文主要阐述了GSM-R系统网络优化的方法，介绍网络性能统计、优化的常用工具。
对于GSM-R系统日常维护工作中发现的网络性能指标偏低的典型问题进行分类汇总，编写相应网络优化方案，总结网络优化经验，提出GSM-R网络优化工作的维护
建议。
关键词：
GSM-R系统；高速铁路；列车通信；网络优化
引言
随着我国铁路提速、高速铁路和客运专线的修建以及重载技术的不断发展，GSM-R作为一种专门为满足铁路应用而开发的数字式无线通信系统，具有适应铁路运输的特典和成熟的技术优势，符合通信信号一体化发展的需要，其安全可靠性要求也更高。
GSM-R起源于欧洲，目前在德国、瑞士、荷兰、意大利等国家已进入商业运营。
我国对GSM-R技术的研究始于上世纪末，多年来我国也积极开发GSM-R系统，如今GSM-R日渐成熟，规模日趋完善，并成功地运用于青藏线、大秦线、胶济线、武广线、京津冀铁路等线路中。
但是目前我国铁路的GSM-R在实际应用中网络性能随着周围环境改变而改变，会出现通话质量差、有杂音、掉话率高、干扰现象严重等问题，如何通过各种技术手段的措施，解决系统在网络建设和运营阶段可能存在的问题，保证系统维持较好的运行状态，提高网络吸纳话务的能力，这就是网络优化的目的。
GSM-R系统的系统网络部分存在很多不稳定因素，而且系统网络优化优化对于整个通信网络的质量起决定性作用。
也就是如何在GSM-R运行后通过解决系统在网络建设和运行阶段存在的问题，优化网络，提高效率。
通信是社会发展的基础设施，铁路通信是指挥列车运行，组织运输生产，提高效率，传输各种信息的重要设施。
随着计算机和微电子技术的发展，各种有线和无线通信技术不断涌现。
铁路因其运输生产的特点。
对铁路移动通信提出了更高的要求。
发展铁路移动数字通信系统，是新时期铁路无线通信的必由之路。
1.1GSM与GSM-R
1.2GSM-R介绍
1.3GSM-R系统网络认知
1.3.1交换子系统
1.3.2基站子系统
1.3.3通用无线分组数据业务子系统
1.3.4智能网（IN）平台
1.3.5终端子系统
1.3.6操作维护中心
1.4GSM-R现状及发展（郑西高铁）
2高速铁路无线通信技术覆盖理论
2.1高速通信网络面临的挑战
2.2多普勒效应的影响
2.3单站覆盖距离
2.4相邻基站重叠覆盖
3.2.3解决网络问题
3.2.4验证优化效果
1GSM-R概述
1.1GSM和GSM-R
GSM（GlobalSystemForMobileCommunications）是全球移动通信系统。
GSM和GSM-R的关系表现在1）GSMR理论建立在GSM理论基础之上；2）GSM-R技术建立在GSM技术基础之上；3）GSM-R以GSM-R工业为基础；4）GSM-R工程建设以GSM工程经验为基础5）GSM-R应用开发吸收GSM成功经验；6）GSM-R的市场铁路专用，GSM公用商用等六个方面。
1.2GSM-R介绍
GSM-R（GlobalSystemofMobileforRailway）专门针对铁路对移动通信的需求而推出的专用系统，它基于GSM并在功能上有所超越，是成熟的技术。
是通过无线通信方式实现移动化音和数据传输的一种技术体制。
GSM-R是专门为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，属于第二代铁路数字移动通信系统。
GSM-R铁路应用模型包括安全综合移动信息服务、自动列车控制、调车作业移动服务、远程遥控、轨道维护移动服务、铁路紧急救援移动服务、铁路客站综合移动信息服务、铁路货站综合移动信息服务、无线列调、旅客列车综合移动信息服务等。
其中铁路运营特色有功能寻址、功能号表示、接入矩阵、与位置有关的寻址。
GSM-R采用GSM900MHz工作频段：
885-889MHz（移动台发，基站收）930-934MHz（基站发，移动太台收）。
共4MHz频率带宽。
1.3GSM-R系统结构认知
GSMR系统一般由7个子系统组成：
交换子系统（SSS）、基站子系统（BSS）、通用分组无线业务系统（GPRS）、移动智能网系统（IN）、固定用户接入交换机（FAS）系统、运行与维护子系统（OMC）及终端子系统。
有的资料将FAS纳入SSS子系统。
1.3.1交换子系统
交换子系统包括：
网关移动交换中心（GMSC）、移动交换中心（MSC）、访问位置寄存器（VLR）、归属位置寄存器（HLR）、鉴权中心（AuC）、组呼寄存器（GCR）、网络互联功能模块（IWF）、短消息中心（SMSC）、确认中心（AC）、固定用户接入交换机FAS等设备。
1.3.2基站子系统
包括基站收发信机（BTS），基站控制器（BSC）以及编译码和速率失配单元（TRAU）、小区广播短消息（CBC）等设备。
1.3.3通用分组无线业务子系统
实现GSM-R系统的分组无线数据传输业务。
主要包括网关支持节点GGSN、业务支持节点SGSN、分组控制单元PCU、域名服务器DNS等设备。
1.3.4移动智能网子系统
智能网系统提供的业务包括：
功能寻址、基于位置的寻址、基于车次功能号的动态组呼、自动获取调度中心IP地址、灵活的呼叫限制等。
主要包括业务交换点（SSP）、智能外设（IP）、业务控制点（SCP）、业务管理系统（SMS）等设备。
1.3.5终端子系统
包括固定终端、移动终端等设备。
固定终端包括：
调度终端、车站终端及其他用户电话，以及呼叫记录和录音系统等设备。
移动终端：
由移动设备和SIM卡组成。
包括机车综合通信设备、列控数据传输设备、便携台等。
1.3.6操作维护中心
OMC是操作人员和系统设备的中介，通过该系统可实现系统得到集中操作和维护，完成包括网络用户管理、系统设备管理及网络操作维护等功能。
OMC一侧与设备相连，另一侧是作为人机接口的计算机工作站。
系统的每个组成部分通过特有的网络连接至OMC。
A借口采用标准2MPCM数字传输链路来实现。
传递的信息包括移动台管理，基站管理，移动性管理，接续管理等。
Abis借口采用2M或64KPCM数字传输链路来实现。
它支持所有向用户提供的服务，支持对BTS无线设备的控制和无线频率的分配。
空中接口位移动台和基站之间的通信接口，称为Um。
是GSM-R系统中最主要的一个借口，也是最复杂，最难控制的一个接口。
Um通过无线链路实现。
传递的信息包括无线资源管理，移动性管理，接续管理等。
1.4GSM-R现状及发展（郑西高铁）
随着电子技术的不断进步以及通信、控制与微计算机技术的紧密结合，移动通信取得了巨大的发展。
铁路各部门也相继采用了移动通信作为行车指挥、调车作业、维修作业以及区间通信的重要手段，一些国家还用移动通信为旅客提供信息服务。
目前，国外在铁路上采用的移动通信种类很多。
例如，在德国铁路上采用的移动通信有：
1）在连续式列车自动控制系统中（LZB），使用一种独特的无线电技术（工作频率为36/57KHz），用来在地面和列车之间传递速度信号、位置信息等；2）在一般干线采用ZBF-70列车无线通信设备，作为行车调度员和列车司机的直接通话，其工作频率为460MHz；3）在编组站采用的调车无线工作频率为80-450MHz；4）汽车无线（460MHz）、隧道无线（450MHz）、维修无线（160MHz）等系统。
日本铁路无线电话系统的功能比较齐全，如1）列车无线电话，包括列车调度电话、客调电话、业务电话、乘务员电话、防护无线电话等；2）车站无线电话，包括站内无线电话、调车无线电话；3）维修作业无线电话。
这些无线通信系统都是针对相应的具体任务设置的，有着明确的权限和责任，系统之间的过渡很困难，或者根本不能过渡。
并且大多数铁路移动通信仍停留在单信道模拟常规对讲系统水平上，频率资源浪费，信道利用率低。
因此，世界各国都在积极进行新一代铁路综合无线通信系统的研究。
比如瑞典铁路新一代无线通信项目采用了GSM-R技术，韩国的高速铁路列车无线通信系统采用了MOTOROLA公司智慧区模拟集群系统和RD-LAP无线数传系统。
这些系统将现有的分离铁路通信应用融合为一个集成网络，为铁路运行提供了更方便灵活的通信。
2高速铁路无线通信技术覆盖理论
本文将详细对高速铁路覆盖理论中存在的种种问题进行研究，主要从车体损耗、多普勒效应、小区切换等方面进行了阐述，为高速铁路的移动通信覆盖规划提出了问题，也初步做出了一些理论性的解决方案，并对实际覆盖中某些方面指出方向，其中很多地方也为实际勘测指明了疑点，是高速铁路移动通信网络覆盖研究不可或缺的内容。
2.1高铁通信网络面临的挑战
高速铁路通信网络面临的挑战是巨大的，主要集中在这几个方面：
1）车厢消耗巨大，主要是传输损耗大，以CRH型车厢为例，静态时消耗25db，高速运行时就更高了。
2）车速快，对切换和重选非常不利。
目前国内高铁时速最快能达到300km/h以上，多普勒效应非常明显。
3）高速铁路通信对SNR要求高，还有很多乘客网上看视频，下载等业务同时进行，这种业务集中度高。
4）铁路的地形地貌复杂多样性。
在这些挑战下，针对多普勒频偏，必须加入纠偏算法，对频偏纠正和补偿，来提高解调的性能。
2.2多普勒效应的影响
什么是多普勒效应？
当终端在高速运动中通信情况下，终端和基站都直视信号，接收端的信号频率会发生变化，称为多普勒效应。
事实上个人认为多普勒效应应可以看成是频域上的多径效应，多径效应是“时延”。
在多普勒的情况下，造成频延不同的原因其实也是信号多径传输，不同路径到达时的角度不同，因此相对速度就不同。
高铁覆盖中的多普勒频移也可以用以下公式来表示：
FR-FTx（1+-v/c）,其中FR是收信机接收频率，FT是发信机发射频率，V是移动台移动速度，C为电波传播速度，C为电波传播速度。
值得注意的是，多普勒频移引起上行信道的偏移量是下行信道偏移量的两倍。
总之，随着车速的不断提高，多普勒频移的影响也越来越明显，在高铁覆盖中首先考虑的是多普勒频移效应。
在仿真环境中，瑞丽衰落时的多普勒效应对信道影响很大很明显，在直视范围内的莱斯衰落环境下的多普勒效应对无线信道的影响大大减少，所以，尽量保证发射天线和列车经过的铁路沿线保持在直视范围内。
天线方位的规划，最好在相邻站点间的2/3的距离来规划，保证高铁覆盖强度和站间重叠覆盖距离。
然后切换时延，就X2插口来说，控制面平均时延大概0.06s，用户面UL/DL0.57s。
车速250km/h，切换区域在69m；车速300km/h时，切换区域在83m。
2.3单站覆盖距离
Okumura/Hata模型是应用较为广泛的覆盖预测模型，它是以准平滑地形的是市区作基准，其余各区的影响均以校正因子的形式出现。
Okumura/Hata模型市区的基本传输损耗模式为：
Lb=69.55+26.16lgf-13.82loghb-nx（hm）+（44.9-6.55lghb）lgd
其中Lb为市区准平滑地形电波传播损耗中值（dB）；f为工作频率（MHz）；hb为基站天线有效高度（m），d为移动台与基站之间的距离（km）；a（hm）为移动台天线高度校正因子；s（a）为建筑物密度因子。
由此式就可以计算出天线高度和覆盖距离的相关数据。
2.4相邻基站重叠覆盖
由于高铁多于同频组网方式，来提高频谱效率，但同频组网存在着小区间的同频干扰问题。
现实中我们通常是通过管理无线资源使小区间干扰得到控制，也就是小区中资源和负载的情况来进行的多小区无线资源商量着来解决的，就是我们常说的ICBC。
从资源协商来讲，频率复用分为软频率复用（SFR）、部分频率复用（FFR）和全频率复用（Full）三类。
软频率复用，是把所有的频段分成2组子载波，一组是主子载波，一组是辅子载波，主子载波可以在小区的任何地方使用，权力大得很，辅子载波只能在小区中心被使用，不同小区间的主子载波相互正交，在小区边缘有效地抑制了干扰。
部分频率复用是把所有的频率分成4个组，对于小区中心的用户，给他频率复用因子1，固定分配到一组频段。
对于小区边缘的用户，就只能用剩下的三组频率了，复用因子是3，保证和其相邻的小区边缘用户的频段相互正交，互不干扰。
全频率复用就是所有的频点可放在小区的任何位置使用。
总的来看，三种频率复用，其实FFR和SFR可以算作一边，全频率复用算另一边。
FFR和SFR是使用联系多个RB来组成子频带，全频率复用是使用单个RB，这是很大的区别！
第二个区别是在小区中心资源和边缘资源的不同，换句话说就是使用的复用系数不同，全频复用由于无小区中心和边缘区域资源划分；也就是说，在频率划分上，FFR和SFR的不同小区边缘用户使用相互正交的子载波，而全频率复用在不同小区用户使用相互正交的RB，或者干脆就结合功控来使用同一RB。
3GSM-R系统网络优化及案例分析
3.1GSM-R系统网络优化的概念
铁路GSMR系统网络优化是充分利用网络性能统计分析工具对联调联试期间或已经投入运行的GSMR系统网络进行数据采集和分析，找出网络运行中存在的诸如信道拥塞、频率干扰、弱场覆盖、业务掉话、切换失败等影响网络应用质量的原因，通过修改网络参数、调整网络结构及设备配置、排查频率干扰等工作，使网络达到最佳的运行状态，为铁路运输提供良好的通信保障。
3.2GSM-R系统网络优化的方法
GSMR系统网络优化可以按照认识网络问题、分析网络问题、解决网络问题、检验优化效果的“四阶”循环模式开展。
3.2.1认识网络问题
在充分了解网络运行状况的前提下进行网络优化，其首要环节是利用统计工具采集GSM-R网络性能指标、场强覆盖、服务质量等各类衡量网络运行情况的数据。
现阶段采集GSM-R网络运行数据的常用方式包括GSM-F网络性能指标的统计、铁路综合检测车的路测等。
（1）网络性能指标的统计
GSM-R系统中的移动交换中心（MSC）、通用分组无线业务服务支持节点（SGSN）、通用分组无线业务网关支持节点（GGSN）、基站控制器（BSC）等设备的网管操作系统可以设置不同的移动业务统计类型，各种业务在相关网元中有特定的计数器，一旦网络中发起此业务的信令流程，则触发计数器工作，记录此信令发生的次数，在规定的统计时间内，各计数器记录发生此类信令流程的总次数，铁路维护人员按照铁道部统一制定的统计规则对计数器进行运算，得出评价GSM-R各子系统的网络性能指标，衡量各种铁路通信业务GSM-R网络中的实际运行情况。
（2）铁路综合检测车的路测
铁路综合检测车可以进行GSM-R场强及服务质量（QoS）的测试。
GSM-R场强测试采用专用扫频仪及分析软件，对无线网络的射频信号强度进行全面精确测量，绘制出GSM-R场强覆盖曲线，反映GSM-R场强覆盖情况。
3.2.2分析网络问题
对数据采集结果进行分析，了解统计值是否达到铁道部相关文件规定的网络性能指标、场强覆盖、服务质量指标，分析不达标的指标存在的原因。
在分析过程中，通常使用GSM-R系统路测工具、信令分析仪进行实际路测和信令跟踪，定位网路问题。
GSM-R系统路测工具的使用
对统计出的不合格指标进行网络优化时使用路测工具在现场进行实际路测，路测工具包括路测软件、测试终端、笔记本电脑、GPS接收机、干扰分析仪等。
铁路维护人员进行路测时，通过测试终端进行拨打测试并对各种业务信令流程进行记录和分析，判断信令流程是否正确，场强覆盖是否合理，是否存在干扰等情况，并针对某一地点或地区进行网络优化。
信令分析仪的使用
信令分析仪用来监测信令链路、收集和分析信令信息，网络问题在信令上均有一定表现。
铁路维护人员可以结合现场实际路测、在GSM-R系统机房使用信令分析仪对A接口、Abls接口、Gb接口的信令和协议进行跟踪分析，对网络性能指标有问题的小区分析呼叫链接及切换时的信令流程、信道负荷、掉话拥塞率等。
3.2.3解决网络问题
利用实际路测、信令分析仪等网络优化工具定位网络问题后，由铁路维护部门的网络优化工程师制定优化方案，明确优化需要解决的网络问题，改善网络性能指标和网络覆盖指标的程度等。
网络优化方案经铁路维护主管部门审核批准后实施，根据制定的网络优化方案，调整设备版本、网络数据、网络结构、相关参数、天馈系统等。
在实施过程中应高度重视网络安全问题，涉及到网络参数调整的操作，应在施工天窗点内实施，并在数据修改后，进行GSM-R系统相关业务的拨测，确保通信业务不受影响。
3.2.4验证优化效果
网络优化方案实施完成后，应密切监控网络性能和网络告警信息等情况，对优化后的网络性能指标进行专项测试和数据采集，验证是否达到优化效果。
如果不能达到预先制定的优化目标，应重新对网络进行测试分析并制定新的优化方案，直到达到预期目的。
每次优化工作完成后，对优化全程进行总结，形成网络优化总结报告，并将总结报告存档作为下一次网络优化资料。
优化报告内容应包括：
网络优化方案和实施过程，系统参数修改记录，优化前后网络指标对比情况，网络优化过程中出现的问题和得出的经验。
3.3GSM-R系统网络优化
截止2011年初，我国已开通GSM-R系统正式运营线路里程达11878km，各线路总体运行质量平稳。
铁路维护人员在GSM-R系统联调测试、运行维护期间不断积累网络优化经验，提高网络优化技术水平。
GSM-R系统的网络性能统计及网络优化工作逐渐成为GSM-R系统日常维护工作的一项重要内容，对GSM-R系统开通运营以来常见的不合格网络性能指标产生原因进行分类汇总，编写相应的网络优化案例，总结网络优化经验，供GSM-R系统网络优化的技术人员参考。
3.3.1邻区参数设置不当造成无法进行正常越区切换
铁路综合检测车进行越区切换时发现某GSM-R线路A局管内X基站与B局管内Y基站切换时存在X基站往Y基站单向切换失败的情况。
在BSC网管系统内，进行不同铁路局内跨BSC切换的相邻小区数据的制作时，除要添加相邻小区关系外，两小区NCC允许参数设置情况也需要一致。
3.3.2直放站增益设置不当导致上行通信质量差
某GSM-R线路维护人员进行日常网络性能统计时，发现该线越区切换成功率较低，越区切换失败的小区主要集中在A、B基站之间。
维护人员利用路测工具进行现场实际路测发现此处乒乓切换，在网管侧进行干扰带统计，发现此处存在5-7级的干扰。
通过路测及干扰带统计的综合分析，确定在直放站覆盖区域内，触发上行通信质量差的乒乓切换导致掉话，造成越区切换成功率较低。
原因是该线路直放站上行增益设置过高，在放大信号的同时也将噪声放大，导致上行通信覆盖质量较差，在直放站网管下调A，B基站所带直放站的上行增益后，这两个小区的越区切换正常，越区切换成功率有所提高。
直放站在放大基站信号的同时也放大噪声，一味提高直放站增益，并不能完全解决弱场覆盖，反而会使GSM-R系统本身底噪提高，造成通信质量变差。
在GSM-R系统工程联调联试及后期维护时应注意直放站增益的合理调控。
在确定是否存在干扰情况时，可以通过网管对频点进行干扰带的统计，确定频是否存在干扰。
3.3.3外网干扰导致业务信道掉话
某CTS-3级线路联调联试期间，途径某基站覆盖区域的列车发生CTS-3级转CTS-2级的降级运行，通过接口监测系统分析，场强曲线的接收电平值正常，但通信质量很低，达到6-7级，维护人员到该基站附近用于干扰分析仪进行扫频测试，发现当地移动公司基站占用了GSM-R频点，导致基站通信质量差，触点非正常切换，切换失败掉话造成CTS-3级降级运行。
经铁路局与当地无线电管理委员会协调，移动公司关闭该基站频点后，未再发生因干扰导致的CTCS-3级的降级运行。
GSM-R系统维护人员在遇到外网干扰时，应尽快与当地无线电管理委员会协调，查找干扰源，进行干扰排查。
3.3.4公网用户占用GSM-R频点发起位置更新请求
某GSMR线路维护人员进行日常网络性能统计时发现信令信道拥塞率指标较高。
通过信令分析仪得知原因是移动公网覆盖不好导致移动用户搜索到GSMR频点，占用GSM-R无线信道资源发起位置更新请求，致使GSM-R信令信道拥塞率指标较高。
通过修改GSM-R无线侧接入等级控制参数、SIM卡接入等级参数可以避免发生此类情况。
4GSM-R系统网络优化工作展望及建议
铁路GSM-R线路的大量建设，各线网络覆盖实际环境存在差异，网络环境随时发生变化等不确定因素的存在，导致GSM-R系统网络优化工作不仅是提高通信质量，保障通信畅通的一项重要工作，也是铁路各级维护单位需要进行的一项复杂、长期的系统工程。
现阶段铁路GSM-R系统网络优化统计工具，完善网络性能统计制度，培养专业的GSM-R系统网络优化人才，建立全面的网络基础资料上，逐步积累铁路特有的网络优化经验。
4.1建立GSM-R系统网络优化统计工具，完善网络性能统计制度
铁路GSM-R系统网络优化工作尚处于起步阶段，各线网络性能统计工具还处于逐渐完善的过程，建立完整的网络统计工具，完善的统计制度，进行常态网络性能质量统计分析，开展针对性的网络优化是今后铁路各级管理维护单位在加强网络优化技术方面需要进行的工作。
4.2培养专业的GSM-R系统网络优化人才
GSM-R系统网络优化是一项理论和实际紧密结合的综合性技术。
网络优化不仅需要有扎实的通信理论基础，还需要熟悉频谱规划、通信协议、电波传播等知识以及具备丰富的实际优化经验。
开展理论学习、进行现场GSMR系统网络优化的实施是铁路各级管理维护单位在提高网络维护人员素质方面需要进行的工作。
4.3建立全面的网络基础资料
网络优化的前提是全面掌握网络基础数据资料，主要包括工程竣工的各种设计、安装调试数据等（如频率规划、天线俯仰角、方位角、天线收益、电缆损耗）。
资源配置数据：
包括网络识别参数、系统控制参数、小区选择参数和网络功能参数。
网络识别参数主要是用于移动台和网络相互识别身份；系统控制参数主要指涉及系统配置的参数；小区选择参数主要指与移动台进行小区选择、小区重选的相关参数；网络功能参数主要指与显示系统各种功能相关的参数等
网络维护质量资料：
包括场强测试资料、服务测试资料、路测数据、系统网络性能统计分析资料、各GSM-R系统网元的测量分析报告等。
建立完善的各类基础数据资料是铁路各级管理维护单位在日常资料管理方面的工作。
结论
目前由于某些地段处于偏远山区，设备不好覆盖或者由于海拔高等原因很容易在在日常运行中出现问题，还有些受到市区强段干扰，传输性能慢，导致频率利用率低，而且经常被盗，加上平时闲置，造成资源浪费。
这些干扰的存在给我们网络的正常运行带来了一定的
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