GSM-R同址双基站异常切换原因分析及其优化方案

代小虎

（中国铁路武汉局集团有限公司电务部，湖北武汉 430071）

0 引言

GSM-R网络的越区切换是实现其网络不间断通信的核心技术之一，由越区切换时延造成的掉话约占总掉话数的40%，且通信质量低［1］。越区切换是高速铁路宽带无线通信系统的关键技术，对保障列车的行车安全和通信可靠性具有重要意义［2］。高铁CDMA2000移动用户呈线状分布的特性，存在集中式小区频繁切换、小区重选、位置更新及多普勒频移等问题，容易导致网络切换成功率低、掉话率高、通话质量差等缺陷［3］。在此，结合合武客运专线、京广高铁共用基站越区切换失败问题查找及其解决方案，探讨防止异常切换的有效手段，从而提高GSM-R网络运用的可靠性。

1 同址双基站切换问题分析

2009年4月1日，合武客运专线开通，同年12月26日，京广高铁武广段通车，2012年12月26日，京广高铁全线贯通。京广高铁与合武客运专线在K1179+800位置交越并线，其中京广高铁GSM-R系统采用单网交织的组网方式，合武客运专线采用单网覆盖的组网方式。带宽不足和切换频繁是高速铁路现阶段发展宽带移动通信所面临的关键问题［4］。由于铁路无线频率资源少，单基站覆盖容灾能力最差，交织站址冗余覆盖容灾能力最强，但投资成本较高［5］，为避免重复设置基站造成频率资源浪费以及同频或邻频干扰问题，因此在合武客运专线、京广高铁并线区段采用共用基站的方式，在交越位置的基站将决定列车在进、出并线区段时小区切换的顺序，这将成为决定列车在沿京广高铁或合武客运专线方向运行时通信不中断的重要环节，因此为防止在交越位置基站故障时带来的风险，在该位置设置同址双基站，即孝感北—横店东26A/B（XGB-HDD26A/B）。

实际运用中，京广高铁孝感北—横店东区间下行方向，在XGB-HDD26A/B小区附近K1180+800位置存在偶发异常切换，继而引发切换失败和C3超时问题，该区域为京广高铁和合武客运专线的交汇处，XGBHDD26A/B附近的基站分布见图1，基站服务小区和邻小区关系见表1。

图1 XGB-HDD26A/B附近的基站分布

表1 基站服务小区和邻小区关系

从图1和表1可以看出，该区域基站较多，切换关系较为复杂。高速铁路GSM-R动态检测能够测试本小区及邻小区电平、干扰、通话质量等，从而根据检测情况调整基站参数设置[6]，XGB-HDD26小区附近动态检测结果见图2。

图2 XGB-HDD26小区附近动态检测结果

XGB-HDD26A/B基站的天馈系统：XGB-HDD26A和XGB-HDD26B为同址双基站结构，其天馈系统示意见图3。

图3 XGB-HDD26A/B基站天馈系统示意图

XGB-HDD26A基站的天馈系统使用1层平台，共3副天线，分别面向京广高铁上行、京广高铁下行和合武客运专线上行方向，其天线基本信息见表2。

XGB-HDD26B基站的天馈系统使用2层平台，共3副天线，同样分别面向京广高铁上行、京广高铁下行和合武客运专线上行方向，其天线基本信息见表3。

由于该位置地理位置比较特殊，是京广高铁与合武客运专线上、下行小区切换的枢纽，为了避免单基站故障造成切换失败，在此处设置为同址双基站以作备份，正常情况下使用XGB-HDD26A，当XGBHDD26A故障时，XGB-HDD26B承担26A的枢纽职能。

表2 XGB-HDD26A基站天线基本信息

表3 XGB-HDD26B基站天线基本信息

1.1 切换失败原因分析

1.1.1 切换顺序统计分析

京广高铁孝感北—横店东26A/B附近，下行方向主要有以下3种越区切换方式：

（1） 顺序切换：XGB-HDD25→XGB-HDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（横店东站）。

（2）非顺序切换（未造成切换失败或C3超时）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD27→HengDianDong（横店东站）。

（3）非顺序切换（造成切换失败或C3超时）：XGB-HDD25→XGB-HDD26B→XGB-HDD27→XGBHDD26A→XGB-HDD25→切换失败或C3超时。

造成该处C3超时的主要原因是第（3）种非顺序切换。

1.1.2 接口监测数据分析

针对上述第（3）种情况，提取C3-Abis接口监测数据进行分析。

（1）XGB-HDD25→XGB-HDD26B切换接口监测数据见图4。在K1179+026位置发生XGB-HDD25→XGBHDD26B小区切换时，服务小区XGB-HDD25的电平强度为-58 dBm，其邻小区XGB-HDD26A、XGBHDD26B的电平强度分别为-60 dBm和-47 dBm，切换类型为更好小区（better cell）。

图4 XGB-HDD25→XGB-HDD26B切换接口监测数据

（2）XGB-HDD26B→XGB-HDD27切换接口监测数据见图5。当运行至K1181+507附近发生第2次切换，服务小区XGB-HDD26B的电平强度为-59 dBm，其邻小区XGB-HDD27的电平强度为-50 dBm，切换类型为better cell。XGB-HDD26A和XGB-HDD26B无邻小区关系。

图5 XGB-HDD26B→XGB-HDD27切换接口监测数据

（3）XGB-HDD27→XGB-HDD26A切换接口监测数据见图6。继续前行至K1181+757附近时发生第3次切换，服务小区XGB-HDD27的电平强度为-55 dBm，邻小区XGB-HDD26A的电平强度为-53 dBm，切换类型为better cell。

对比切换前后，XGB-HDD27和XGB-HDD26A小区的电平强度非常接近，仅（±2～3）dB的差值。

（4）XGB-HDD26A→XGB-HDD25切换接口监测数据见图7。当继续前行至K1182+828时发生第4次切换，发生切换时服务小区XGB-HDD26A的电平强度为-62 dBm，邻小区XGB-HDD27和XGB-HDD25的电平强度分别为-48 dBm和-56 dBm。

图7 XGB-HDD26A→XGB-HDD25切换接口监测数据

由于14：15：06在K1181+757发生了XGB-HDD27对XGB-HDD26A的小区切换，当14：15：34在K1182+828处时，由于设置了XGB-HDD27对XGBHDD26A的防回切时间为30 s，而发生本次切换时在运行28 s后，出现了符合切换条件的小区XGB-HDD27和XGB-HDD25，虽然同为邻小区的XGB-HDD27电平强度要比XGB-HDD25高出很多，由于受到防回切时间30 s的限制因而无法完成切换。

当切换完成后，占用XGB-HDD25的1015频点，业务信道（TCH）频点：1017，电平强度为-61 dBm，而此处与XGB-HDD27距离很近，且XGB-HDD27的频率设置为1014和1016，电平强度为-48 dBm，比XGBHDD25高出13 dB，满足邻频干扰的条件，因而直接下行质差掉话，造成C3超时。

1.1.3 异常切换分析

综合以上4阶段切换数据，XGB-HDD27→XGBHDD26A和XGB-HDD26A→XGB-HDD25两个小区切换阶段存在异常。

（1）XGB-HDD27→XGB-HDD26A。当移动终端发生XGB-HDD26B→XGB-HDD27小区切换后，仅运行了4 s就发生了XGB-HDD27→XGB-HDD26A的小区切换，并且XGB-HDD27和XGB-HDD26A小区的电平强度非常接近，因此可考虑增大该处XGB-HDD27对XGBHDD26A功率预算切换门限值（HOM值）的方式避免回切。

XGB-HDD27对XGB-HDD26A的HOM值为64，即高1 dB；而XGB-HDD27对XGB-HDD26B的HOM值为67，即高4 dB，因此考虑不改变正常上行方向XGBHDD27对XGB-HDD26A/B切换顺序的前提下，将XGB-HDD27对XGB-HDD26A的HOM值修改为66。

（2）XGB-HDD26A→XGB-HDD25。此处小区异常切换主要是XGB-HDD27→XGB-HDD26A的防回切时间还未超时导致，下一站横店东站为合武客运专线、京广高铁共用车站，京广高铁下行方向，部分列车减速经横店东站进入合武客运专线，部分列车正常速度通过横店东站继续沿京广高铁运行，本次异常切换列车运行的平均速度为225 km/h，运行时长为28 s，正常速度310 km/h通过用时约为20.3 s，如果采用调整防回切参数避免这一阶段的异常切换，必须将防回切参数从30 s减至20 s，但是如此大的调整可能会造成其他未知问题，因此暂不采用。

1.1.4 综合检测数据分析

XGB-HDD26A/B位置下行方向测试结果见图8。从图8可见，XGB-HDD25在K1179+500附近发起了小区切换，由于在K1179+000—K1179+500区间XGBHDD26A的电平比XGB-HDD26B的电平整体水平低，且最大差值达到13 dB，因此最后切换到XGB-HDD26B小区。重新对XGB-HDD26A/B异常切换造成的C3超时进行分析，发现凡是从XGB-HDD25切换到XGBHDD26A的列车，其后的切换正常，没有发生C3超时；而从XGB-HDD25切换到XGB-HDD26B的列车，其后的切换均非正常顺序，部分列车出现了C3超时，且对于此处双基站的设置，XGB-HDD26B本身就是XGBHDD26A的备份基站。

图8 XGB-HDD26A/B位置下行方向测试结果

根据上述分析结果，解决思路是：如果能够控制在XGB-HDD26A正常工作的情况下，下行方向XGBHDD25小区下的所有列车均切换到XGB-HDD26A小区，就可以解决此处异常切换和C3超时的问题。为保证XGB-HDD25小区优先切换至XGB-HDD26A小区，需要具备2个条件：一是XGB-HDD25小区与XGBHDD26B小区在该区间不发生切换；二是XGBHDD26A小区的电平强度比XGB-HDD26B小区高，且满足切换条件。综合以上分析，通过降低XGBHDD26B基站的发射功率可以达到该目的。

1.2 原因定位

综上所述，造成XGB-HDD26A/B小区异常切换的原因为：（1）XGB-HDD27→XGB-HDD26A小区的异常回切；（2）XGB-HDD26B小区的覆盖异常。

2 优化方案及其效果

2.1 优化方案

XGB-HDD25小区对XGB-HDD26A小区和XGBHDD26B小区的HOM值分别为66（高3 dB）和69（高6 dB），由于XGB-HDD25在切换至XGB-HDD26B前，只有在K1179+400之后，XGB-HDD26B的电平值才持续比XGB-HDD25高6 dB以上；而在K1179+400位置XGB-HDD26A的电平值也已经抬升至-55 dBm，随后快速达到-47 dBm以上，因此可先将XGB-HDD26B基站的发射功率降低6 dB，之后再进行微调。

（1）XGB-HDD26A小区正常情况下切换位置的变化。当XGB-HDD26B基站降低发射功率6 dB后，在K1179+500位置，XGB-HDD26B的电平值约为-53 dBm，而此处XGB-HDD25的电平值约为-56dBm，而此处XGBHDD26A的电平值约为-48dBm，因此降低6 dB应可满足最初设置条件。

（2）XGB-HDD26A故障情况下的切换。当XGBHDD26A故障时，则需要XGB-HDD25向XGB-HDD26B小区进行切换，因此当XGB-HDD26B降低6 dB之后，在K1179+700附近移动台测到XGB-HDD26B的电平强度如下：移动台测到的电平强度=基站发射功率-天馈系统损耗-距离100 m的空间损耗，其中基站满功率发射的电平值为46 dBm，考虑降低6 dB的发射功率后此处取值40 dBm，天馈系统损耗取值7 dBm，空间损耗取值71.47 dBm，最后算得移动台测到的电平强度为-38 dBm，而此处XGB-HDD25的电平强度为-57 dBm，因此满足其切换条件，不会因功率降低影响XGB-HDD26B所起到的冗余覆盖。

2.2 优化效果

通过调整XGB-HDD27对XGB-HDD26A小区HOM值和降低XGB-HDD26B基站发射功率，观察3日内下行方向所有列车的小区切换均为XGB-HDD25→XGBHDD26A小区切换。针对还有极少数列车存在切往XGB-HDD26B的情况，调整XGB-HDD25对XGBHDD25B的HOM值，由69提高至71，最终解决这一问题。至此，京广高铁XGB-HDD26A/B双基站位置异常切换问题得到解决。

2.3 小区切换的重要参数

2.3.1 HOM值

HOM值是用于定义“功率预算切换”的切换电平门限。由于功率预算发生的切换是由于移动台（MS）选择better cell，此值定义了作为MS待切换邻小区（ADJC）的功率偏差值，以决定此ADJC是否符合此差值条件被MS切入。

当MS位于小区边缘时，可能会有若干相邻小区作为待切换目标候选小区，通过设置这些ADJC中不同的HOM值可以控制MS的切换方向。

对于较易产生乒乓切换的小区交界处，可以通过不同的HOM值设置来抑制反复的乒乓切换。

HOM取值范围：0～126，单位：1 dB，0＝-63 dB。

2.3.2 防回切参数

防回切参数用于在一定时长内限制定向重试（Directed Retry）后的切回尝试请求。

由于业务信道拥塞，在开启了Directed Retry时，TCH指配会对合适的相邻小区尝试Directed Retry过程。当Directed Retry成功后，防止回切限制时长（TIMERFHO）开始计时，则在TIMERFHO规定的时长内，禁止已指配到此ADJC中的Directed Retry连接由于功率预算（PBGT）原因而对原小区进行切换请求尝试。只有当计时器的值达到TIMERFHO规定值之后，才允许进行功率余量原则切换（PBGT HO）尝试。

取值范围：1～320，单位：10 s。

3 相关建议

在进行GSM-R网络参数调整时，需要对问题小区及其附近所有小区的场强覆盖、切换进行统筹考虑，经过计算后方可实施参数的修改，避免出现新的问题［7］。

由于并线区段及交叉区域的距离非常接近，从无线角度来讲，若频率分配稍有不慎或周边地区突发干扰信号，就会引起同频干扰、邻道干扰、互调干扰等各种情况的发生，给无线网络优化工作带来了极大困难。需要结合实际地理位置考察、全球定位系统（GPS）、服务质量（QoS）值及场强图的分析，提出网络优化方案，有效解决网络干扰及切换问题［8］。针对并线交叉区段位置设置双基站，需要对双基站的覆盖进行细致调整，避免在主用基站正常工作的情况下，备用冗余基站代替其参与切换，造成切换异常。

为了克服基于接收信号强度的越区切换触发机制的局限，可以考虑建立基于发送切换邀请的准周期触发机制，使越区切换的触发更及时、准确和可靠，防止乒乓切换现象的发生［9］。

越区切换成功率均随列车运行速度的增加而降低，而LTE-R的越区切换成功率高于GSM-R，且受列车运行速度增加的影响较小，在后续铁路建设中，建议采用LTE-R通信网络［10-11］。

4 结束语

随着我国高铁线路的不断延伸，GSM-R网络覆盖范围不断扩大，因此确保GSM-R系统安全、可靠运用是面临的重大责任和挑战，需要在工作中不断总结经验，摸索规律，不断优化方案，从而采取有效措施改善网络运行环境，为铁路运输安全有序提供有力保证。