高速铁路GSM-R无线通信网络的优化设计

段清豪

【摘要】    GSM-R覆盖整体上呈现出线状，导致列车在实际行驶中经常出现频繁切换网络现象，严重影响了列车行驶速度，为了解决这一问题，现针对高速铁路无线通信网络关键问题，根据铁路数字移动通信系统GSM-专业人员网络结构及工作原理，从直放站优化方案、无线通信网络覆盖优化、越区切换优化三个方面入手，为实现对高速铁路GSM-R无线通信网络的科学设计提出具有建设性的建议。结果表明：无线通信网络优化措施具有非常高的可行性和有效性，不仅解决了高速铁路无线通信网络小尺度衰落、越区频繁切换问题，还提高了无线通信网络性能，为乘客和司机提供了良好、稳定、可靠的无线通信网络环境，满足人们的无线通信需求。

【关键词】    高速铁路    GSM-R无线通信    网络    优化设计

随着社会经济水平的不断提高和信息时代的不断发展，高速铁路行业取得了良好的发展，而这得益于GSM-R无线通信网络的出现和应用，但是，一旦GSM-R无线通信网络没有得到科学优化和设计，将会直接影响高速铁路通信水平，给乘客或者司机与外界沟通、通信造成了很大的不便，因此，为了提高高速铁路通信水平，如何科学优化设计GSM-R无线通信网络是专业人员必须思考和解决的问题。

一、高速铁路无线通信网络关键问题

1.1小尺度衰落

小尺度衰落主要是指无线通信网络信号在短时间传输期间或者短距离传输期间，出现快速衰落现象，导致小尺度路径出现严重的损耗问题[1]，这种小尺度衰落出现的根本原因是统一传输信号沿着多条路径进行传输，由于受接收机信号的干涉和影响而出现的。接收机天线根据多径波信号强弱，在尽可能缩小传输时间的基础上，实现对传播信号带宽的科学控制。接收机载波频率偏移如表1所示。

1.2越区切换

越区切换过程主要包含以下几个环节：1.触发。触发主要是指基站通过采用检测的方式，发现移动台进入到越区切换环节中。2.扫描。基站根据切换相关标准和要求，将采用排队的方式，在各个小区排队等候。3.选择。在这个BSC中，通过利用业务管理功能，优先选择出可以作为目标小区的最优小区。4.执行。通过对各个信道进行分配、规划和激活，将各个各个信道快速切换到下一个信道上进行通话[2]，以保证通话的连续性、稳定性和可靠性。越区切换在提高对于铁路数字移动通信系统GSM-技术人员运行性能方面发挥出重要作用，与公网越区切换相比，存在相应的不同点。

二、铁路数字移动通信系统GSM-R

2.1 GSM-R概述

GSM-R（中文全称为：“铁路数字移动通信系统”）主要应用于高速铁路的无线通信领域中，满足人们的无线通信需要，GSM-R主要由移动台、基站子系统、网络子系统组成，为提高铁路系统运行性能，保证行车调度的高效性提供重要的平台支持。GSM-R具有强大的语音组呼功能和语言广播呼叫功能，满足铁路运维业务开展需求，为实现铁路列车高效调度、提高维修作业组通信能力打下坚实的基础。总之，为了充分发挥和利用GSM-R的应用优势，技术人员要将GSM-R与无线通信网络进行充分结合，在保证无线通信网络优化水平的基础上，尽可能提高隧道通信管控水平，为人们提供更加优质的通信体验，从而促进高速铁路的健康、可持续发展。

2.2 GSM-R无线覆盖

GSM-R无线通信网络是高速铁路运行的基础和保障，主要沿着铁路线，不断扩大网络覆盖范围，从而形成一个稳定、独特的网络结构，现根据网络覆盖特点，GSM-R无线通信网络采用线状覆盖的方式，完成对各个基站的铺設，从而形成如图1所示的GsM—R网络沿线覆盖简图，这种覆盖形式不仅降低了相邻小区之间的距离和数量，还为小区最优选择和高效切换提供有力的保障。

三、高速铁路GSM-R无线通信网络优化设计建议

为了进一步提高高速铁路的通信水平，技术人员要严格按照GSM-R无线网络优化流程图，对无线通信网络进行科学优化和设计，以保证无线通信网络系统性、健全性和完整性，只有这样，才能为人们提供良好无线通信网络服务。

3.1直放站优化方案

直放站优化方案作为GSM-R无线通信网络优化的首要环节[3]，在具体的实施中，技术人员要从以下几个方面入手：1.一旦GSM-R服务区内部出现大量隧道时，技术人员要采用漏缆与光纤直放站相结合的方式，对无线通信网络进行优化。直放站作为一个功率增强器，主要用于对射频信号的发射和管理，因此，直放站属于典型的同频放大设备。技术人员要借助直放站的这一功能，采用冗余配置的方式，对直放站的关键功能模块进行优化和设计。2.采用单条铺设的方式，对漏泄电缆铺设在铁路的一侧[4]，同时，精确计算漏泄电缆的覆盖范围，在保证漏泄电缆输出功率为1W时，将无线通信网络通信概率提高至95%，确保漏泄电缆的传播路程达到1111米。3.在综合考虑交织覆盖相关影响因素的基础上，尽可能提高无线通信网络覆盖余量，确保两个相邻的直放站之间间隔在1000米以下。例如：根据直放站经常主用上行信号差别大、备用信号未出现等共性问题，借助网管的作用，实现对直放站远端主用模块参数以及远端备用模块参数的收集和整理，在此基础上，严格按照不同告警处理相关标准和要求，对以上共性问题进行分析和解决。

3.2无线通信网络覆盖优化

通常情况下，无线通信网络覆盖情况直接影响了整个网络运行得稳定性、可靠性和安全性，因此，技术人员要重视对无线通信网络覆盖的优化。在这个过程中，首先，要根据GSM-R网络特点，在充分结合基站覆盖电平相关要求的基础上，将无线通信网络覆盖范围控制在95%以上，同时，还要确保无线信道呼损率在0.5%以下，无线通信网络覆盖电平在-921dBm以上，只有这样，才能最大限度地提高无线通信网络肤感范围，满足人们无线通信需求。此外，在进行选址基站期间，还要根据现场环境，科学控制基站覆盖范围，避免因出现基站覆盖范围不均匀而严重影响无线通信网络覆盖效果，同时，在对GSM-R无线通信网络进行优化的过程中，还要科学调整和控制天线俯仰角度数，以达到科学管控基站覆盖范围的目的。例如：某客专区基站覆盖范围较小[5]，降低了人们无线通信体验效果，为了解决这一问题，技术人员对天线俯仰角进行科学调整和控制。将沿着No.5S2方向的天线俯仰角度数由原来的4°调整为现在的6°;将沿着No.6S2方向的天线俯仰角度数由原来的7°调整为现在的4°，将沿着No.7S1方向的天线俯仰角度数由原来的5°调整为现在的3°。当天线的下倾角达到4°时，整个无线通信网络所辐射的能量无法全面、彻底地投向轨道上，这样一来，不仅浪费了大量的基站输出能量，还造成覆盖较强的无线通信网络经常出现越区覆盖问题。为了解决这一问题，将天线下倾角设置为6°，确保网络所辐射出的能量全面投向轨道上。此外，在天线下倾角的不断调整和优化下，覆盖较强的无线通信网络产生的信号电平会有所下降，以达到科学控制基站远处覆盖的范围，从而降低越区覆盖的可能性。

3.3越区切换优化

越区切换主要是指移动台在进行通信期间，需要从某一个基站覆盖区移动到下一个基站覆盖区，同时，为了降低外界噪音对通信的影响，需要将语音信道安装和固定在新的空闲语言信道上，确保通话过程的连续性和稳定性[6]。通常情况下，越区切换失败、切换过于频繁、切换位置不正确等问题的出现会降低无线通信网络运行性能。现阶段，GSM-R系统在具体的运用中，尽管越区切换成功率较高，但是，由于存在越区切换位置不正确问题，经常出现频繁切换现象，为了解决这一问题，通过利用铁路数字移动通信系统GSM-R，对越区切换问流程进行优化。首先，当列车从上一个小区行驶到下一个小区时，通常要进行越区切换，为了保证通话的稳定性和连续性，技术人员要在精确计算两个小区切换时间和切换距离的基础上，科学调整和控制无线通信网络覆盖距离[7]，这样一来，即使第一次越区切换失败，列车司机有足够的时间和距离，进行第二次越区切换。此外，为了进一步提高越区切换的效率和效果，还要确保铁路数字移动通信系统GSM-R符合运营速度为350km/s的要求，同时，将两次越区切换的时间控制在10s以内，此时，按照1000米无线通信网络覆盖距离，对越区切换进行优化和设计。例如：某车站基站与其他车站经常出现频繁切换问题[8]，为了解决这一问题，技术人员要做好对基站天線区间的确定，同时，还要严格按照天线仰俯角设置标准，将沿着S1方向仰俯角设置为7°，并对第一个基站与车站基站之间的切换门限进行调整和控制，将其调整为6dB;同时，将车站与第一个基站之间的切换门限调整为7dB。

四、结束语

综上所述，对于高速铁路而言，其GSM-R无线通信网络优化是一个复杂、漫长的工程，这是由于在网络参数以及网络外部环境的不断更新和变化下，无线通信网络容易出现各种各样的新问题，这对技术人员的专业技能和职业素养提出了更高的要求，只有加强对GSM-R无线通信网络的科学优化设计，才能不断提高网络运营效率和效果，使得GSM-R无线通信网络达到最佳状态，为人们的沟通和通信提供更加优质的服务。

参考文献

[1]位永彩.京沪高速GSM-R网络规划与优化设计[D].北京：北京交通大学，2020.DOI：10.7666/d.y879117.

[2]赵琰.铁路GSM-R网络无线信道建模与覆盖优化设计[D].兰州交通大学，2020，33（5）：12-13.DOI：10.3969/j.issn.2096-711X.2020.05.006.

[3]郑义军，缪海波，黄绍伟.郑西高速铁路GSM-R网络优化设计[J].铁路技术创新，2011，（1）：79-81.

[4]黄绍伟，郑义军.铁路GSM-R网络优化设计[J].铁道通信信号，2021，47（1）：69-71.DOI：10.3969/j.issn.1000-7458.2021.01.029.

[5]任静.GSM-R网络中越区切换失效和优化的研究[D].北京：北京交通大学，2020.DOI：10.7666/d.y1082466.

[6]张亮.大西高铁枢纽地区GSM-R网络干扰及解决方案[C].//中国铁道学会自动化委员会.中国铁道学会自动化委员会高速铁路通信信号维护技术交流会论文集.2020：101-102.

[7]魏炼.大秦线4亿吨GSM-R核心网网络优化设计[J].铁路技术创新，2019，（z1）：74-76，95.

[8]邓梦.基于GSM-R的高速客运专线无线网络优化设计[D].广东：华南理工大学，2020.DOI：10.7666/d.Y1383877.