酒昀洋， 楊樹忠， 段賀輝

（1. 北京鐵科英邁技術(shù)有限公司，北京 100081；2. 中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081

0 引言

目前，GSM-R 無線通信系統(tǒng)（簡稱GSM-R 系統(tǒng)）已廣泛應(yīng)用于我國全部高速鐵路及部分普速鐵路，無論在CTCS-2 線路車地間傳輸調(diào)度命令，還是在CTCS-3線路傳輸列車控制信息，都發(fā)揮了重要作用。從理論角度分析，鐵路通信基站應(yīng)按照鐵路沿線等間距線狀排布。但在實(shí)際建設(shè)中，因地形地貌、橋梁隧道、交叉并線［1］等原因，站址布局不均勻，造成各基站覆蓋距離及天線發(fā)射功率不同。為了保證通信服務(wù)質(zhì)量達(dá)到指標(biāo)要求，基站多采用冗余覆蓋。

在綜合檢測列車每月1次的通信動態(tài)檢測中，基站場強(qiáng)覆蓋異常、場強(qiáng)覆蓋不合格等問題更加普遍，只是由于其不會對服務(wù)質(zhì)量造成顯著危害而未得到重視。雖然基站過覆蓋不會導(dǎo)致載干比異常和話音質(zhì)量惡化，但它嚴(yán)重影響越區(qū)切換及CSD 數(shù)據(jù)傳輸，為GSM-R 系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量埋下隱患［2］。

根據(jù)2016—2019年通信動態(tài)檢測中場強(qiáng)覆蓋檢測數(shù)據(jù)的特點(diǎn)，基于BCCH信道電平值對高鐵基站過覆蓋進(jìn)行判定，結(jié)合典型線路基站過覆蓋案例，完成GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化。

1 場強(qiáng)覆蓋指標(biāo)及檢測原理

目前，我國高速鐵路存在普通單網(wǎng)和交織單網(wǎng)2種基站覆蓋方式：

（1）對于CTCS-2 線路的基站，采用普通單網(wǎng)覆蓋。該方案為1 個基站對應(yīng)1 個小區(qū)，每個基站只需保證對應(yīng)小區(qū)的場強(qiáng)滿足要求。根據(jù)TB 10430—2014《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測規(guī)程》，普通單網(wǎng)覆蓋檢測需使用2 臺測量接收機(jī)同時檢測2 個BCCH 頻點(diǎn)的電平值［3］。如從基站 A 向基站 C 方向行駛，應(yīng)在基站A位置同時檢測基站A和B的電平值；在基站B位置同時檢測基站B和C的電平值。普通單網(wǎng)覆蓋示意見圖1。

圖1 普通單網(wǎng)覆蓋示意圖

（2）對于CTCS-3 線路，采用交織單網(wǎng)覆蓋。該方案擴(kuò)大了相鄰基站的覆蓋重疊區(qū)域，采用密集基站提供深度冗余覆蓋。在此結(jié)構(gòu)下，可避免無線子系統(tǒng)的單點(diǎn)故障，即在1個基站發(fā)生故障無法滿足覆蓋時，相鄰2個基站在此故障基站范圍的覆蓋仍能滿足最低覆蓋要求，確保列車運(yùn)行至此處時的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。交織單網(wǎng)覆蓋的檢測需使用4臺測量接收機(jī)，分別對奇數(shù)和偶數(shù)基站頻點(diǎn)電平值進(jìn)行檢測。如從基站A向基站C 方向行駛，在基站A 位置，測量接收機(jī)1 和2分別檢測基站A 和C 的電平值，測量接收機(jī)3 和4 分別檢測基站B和D的電平值；運(yùn)行至基站C位置，測量接收機(jī)1 和2 分別檢測基站C 和E 的電平值；其他設(shè)備以此類推，可在1次單程檢測中檢測所有基站頻點(diǎn)覆蓋情況［3］。交織單網(wǎng)覆蓋示意見圖2。

圖2 交織單網(wǎng)覆蓋示意圖

為滿足業(yè)務(wù)需求和設(shè)備維護(hù)要求，無線覆蓋范圍應(yīng)包括鐵路線路、鐵路運(yùn)輸生產(chǎn)相關(guān)區(qū)域、車載無線終端庫檢作業(yè)區(qū)及GSM-R 核心網(wǎng)機(jī)房。無線覆蓋是基于地形情況、接收電平及干擾保護(hù)余量等條件進(jìn)行設(shè)計(jì)的。根據(jù)TB 10088—2015《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）設(shè)計(jì)規(guī)范》，車載終端全向接收天線處的輸入端射頻信號最小可用接收電平Prmin為覆蓋指標(biāo)要求（見表1）［4］。

表1 最小可用接收電平指標(biāo)要求

GSM-R 系統(tǒng)場強(qiáng)覆蓋檢測方式主要為采集列車通信終端距信號發(fā)射位置的接收電平強(qiáng)度。接收電平由小尺度衰落信號與大尺度衰落信號疊加而成，在檢測中主要關(guān)注大尺度衰落信號的傳播特性?？紤]系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理能力以及保證采樣數(shù)量盡量多的需求，檢測系統(tǒng)在每4 cm 采集1 次場強(qiáng)信號樣本并進(jìn)行定位。要根據(jù)檢測大尺度衰落情況的檢測需求，選取有效值檢波方式。統(tǒng)計(jì)區(qū)間取100 m，以保證小尺度衰落信號對統(tǒng)計(jì)值影響不超過1 dB，且便于表征覆蓋分布情況。場強(qiáng)覆蓋動態(tài)檢測指標(biāo)要求CTCS-3 線路覆蓋電平為-95 dBm 的概率應(yīng)大于92%，CTCS-2 線路覆蓋電平為-92 dBm的概率應(yīng)大于98%。

2 過覆蓋原因及影響

基站過覆蓋主要是基站在某個方向覆蓋范圍過大，與相鄰基站覆蓋重合甚至超過相鄰基站覆蓋范圍，且頻點(diǎn)電平發(fā)射功率較高，導(dǎo)致在設(shè)計(jì)覆蓋范圍外仍有較強(qiáng)電平強(qiáng)度的現(xiàn)象。過覆蓋問題產(chǎn)生主要有以下原因：

（1）基站參數(shù)設(shè)置不合理。在規(guī)劃網(wǎng)絡(luò)時，欠缺對地形地貌的充分了解，導(dǎo)致天線掛高、天線俯仰角、發(fā)射功率等參數(shù)設(shè)計(jì)不合理，產(chǎn)生弱覆蓋和過覆蓋問題。在聯(lián)調(diào)聯(lián)試中，易發(fā)現(xiàn)覆蓋不合格和覆蓋異常的問題，但過覆蓋問題不易發(fā)現(xiàn)，通常不會對此進(jìn)行調(diào)整。

（2）天氣影響。大風(fēng)、雨雪、冰雹等天氣現(xiàn)象會引發(fā)戶外設(shè)備故障或工作狀態(tài)異常，如天氣可改變天線下傾角和方位角，造成覆蓋范圍變化。通常情況下，設(shè)備故障問題可通過檢測識別并及時維修，但覆蓋范圍變化尤其是過覆蓋現(xiàn)象不易察覺。

（3）基站信號被反射至其他基站覆蓋區(qū)域［5］。當(dāng)基站覆蓋電平功率過強(qiáng)時，如附近存在面積較大的反射體（湖泊、外墻為反射材料的高樓等），基站信號可能被反射至其他基站覆蓋區(qū)域，造成重疊覆蓋。

相對于GSM-R 系統(tǒng)的服務(wù)質(zhì)量問題或其他網(wǎng)絡(luò)覆蓋問題，過覆蓋問題的影響并不顯著，但也不容忽視。存在過覆蓋問題的小區(qū)（簡稱過覆蓋小區(qū)）在其他小區(qū)造成干擾，嚴(yán)重時會產(chǎn)生孤島效應(yīng)，導(dǎo)致切換失敗或掉話。為了避免影響行車安全，通常采取在GSM-R系統(tǒng)中設(shè)置適合當(dāng)前覆蓋狀態(tài)的切換參數(shù)的方法解決，但對于嚴(yán)重的過覆蓋問題（如越區(qū)覆蓋），改變切換參數(shù)也不能避免“乒乓切換”的產(chǎn)生。

從數(shù)據(jù)傳輸角度分析，列控?cái)?shù)據(jù)主要通過CSD 傳輸，過覆蓋引發(fā)“乒乓切換”使信令頻繁傳輸產(chǎn)生擁塞，造成CSD 傳輸干擾時間（TTI）和傳輸無差錯時間（TREC）不滿足要求。若發(fā)生孤島效應(yīng)或掉話，引發(fā)列控?cái)?shù)據(jù)傳輸中斷，會導(dǎo)致CTCS-3 無線連接超時，嚴(yán)重時降級至CTCS-2，使行車速度降至250 km/h 以下，影響行車效率。

基站發(fā)射功率過大是基站過覆蓋產(chǎn)生的主要原因之一，不僅造成電力資源浪費(fèi)，也增加了無線電發(fā)射機(jī)的損耗。另外，基站BCCH 或TCH 頻點(diǎn)電平過高，可能對其他BCCH頻點(diǎn)造成網(wǎng)內(nèi)干擾，如同頻干擾、鄰頻干擾或互調(diào)干擾等。

3 過覆蓋判定方式

目前，對于鐵路基站過覆蓋沒有明確的定義和評判標(biāo)準(zhǔn)。在對于公網(wǎng)GSM-R 系統(tǒng)基站覆蓋的研究中，杜萌等［6-7］提出基于TA值判定過覆蓋小區(qū)的方法，但高速鐵路存在較多特殊地形條件，TA值判定法不夠成熟。另外，在鐵路隧道中多使用通信漏纜和直放站增強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋，其多徑干擾等問題也對TA值變化情況造成影響［8］。

根據(jù)綜合檢測列車對高鐵通信網(wǎng)絡(luò)覆蓋的檢測經(jīng)驗(yàn)，相鄰2 個基站的BCCH 頻點(diǎn)電平交匯點(diǎn)位于2 個基站中點(diǎn)附近時為正常覆蓋；如果電平交匯點(diǎn)與中點(diǎn)偏差過大，則表示有基站存在過覆蓋現(xiàn)象。首先，對動態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)預(yù)處理，即里程校準(zhǔn)和無效數(shù)據(jù)剔除；再根據(jù)相鄰基站站間距定義過覆蓋現(xiàn)象判定點(diǎn)［9-10］?；具^覆蓋判定示意見圖3。如圖3 所示，若交匯點(diǎn)位于判定點(diǎn)1 左側(cè)，則基站B 存在過覆蓋問題；若交匯點(diǎn)位于判定點(diǎn)2 右側(cè)，則基站A 存在過覆蓋問題；若交匯點(diǎn)位于判定點(diǎn)1、2之間，則判定基站A、B在此區(qū)間覆蓋正常。判定點(diǎn)位置根據(jù)線路環(huán)境和檢測情況取值不同，在對典型線路的分析中，根據(jù)該線路通信動態(tài)檢測中由過覆蓋原因造成的服務(wù)質(zhì)量問題所發(fā)生區(qū)域的電平覆蓋特點(diǎn)，將判定點(diǎn)1 和判定點(diǎn)2 設(shè)定在2個基站間距的1/3及2/3處。

圖3 基站過覆蓋判定示意圖

4 典型線路動態(tài)檢測數(shù)據(jù)分析

按照上述基站過覆蓋判定方法，對某高鐵線路2016—2019 年動態(tài)檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。該線路為CTCS-3 線路，最小可用接收電平指標(biāo)為-92 dBm。該線路開通時間較長，至2016 年運(yùn)營狀態(tài)良好，其他通信服務(wù)質(zhì)量都已達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

在動態(tài)檢測中，對該高鐵線路不同時間段的過覆蓋小區(qū)數(shù)量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到2016—2019 年的過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比變化趨勢圖（見圖4）。

由圖4（a）可知，過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比在2016—2017 年下降顯著；在2017—2018 年，數(shù)量占比緩慢下降；2018—2019 年，數(shù)量占比有所提升，但增長幅度仍處于較低水平，且趨勢平穩(wěn)。

圖4 過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比變化趨勢圖

由圖4（b）可知，過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比在7 月最高、4 月最低，說明不同季節(jié)的數(shù)據(jù)存在較顯著差異，主要表現(xiàn)為夏季最高、冬季次之、春秋相對較低。由于該線路貫通南北，冬季大風(fēng)降雪、夏季暴雨冰雹等天氣現(xiàn)象，對通信基站設(shè)備工作狀態(tài)有顯著影響。除了雨滴吸收及散射信號造成的場強(qiáng)衰減、潮濕空氣對空氣傳播中電波的削弱等問題，風(fēng)雪、雷電、暴雨等可能改變基站天線方向角、俯仰角，影響覆蓋范圍；惡劣天氣易造成設(shè)備故障或工作異常，工作人員進(jìn)行設(shè)備維護(hù)和更換的頻率較高，在維護(hù)過程中也可能改變發(fā)射功率、天線角度等參數(shù)設(shè)置，造成覆蓋電平增強(qiáng)或覆蓋范圍變大，產(chǎn)生過覆蓋問題。

通過統(tǒng)計(jì)分析發(fā)現(xiàn)，高鐵線路過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比存在上下行線的顯著差異。上下行線過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比對比見圖5。由圖5可知，在2016—2019年上行線過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比均高于下行線。其中，2016 年上行線過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比遠(yuǎn)高于下行線；2017—2019年，上下行線過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比差異逐年減?。?019年，差異縮小至2.7%。

統(tǒng)計(jì)2016—2019 年該線路電平交匯點(diǎn)到當(dāng)前基站距離L1，以及當(dāng)前基站與下個基站間距離的總長度L，得電平覆蓋距離占比L1/L。L1/L數(shù)值出現(xiàn)次數(shù)分布情況見圖6。其中，紅線為過覆蓋問題的判斷界限，左側(cè)紅線（1/3處）以左及右側(cè)紅線（2/3處）以右的小區(qū)均存在過覆蓋現(xiàn)象。

圖5 上下行線過覆蓋小區(qū)數(shù)量占比對比

圖6 電平覆蓋距離占比出現(xiàn)頻次分布示意圖

由圖6可知，上下行線的電平覆蓋距離占比分布具有顯著差異。上行線電平覆蓋距離占比大于2/3 的次數(shù)明顯比小于1/3 的次數(shù)多，下行線則相反。該現(xiàn)象表明，同一個基站在向上行覆蓋時，覆蓋距離較長或電平值較高；向下行覆蓋時，覆蓋距離較短或電平值較低。

另外，上下行線存在相似的分布趨勢。電平覆蓋距離占比大于2/3 的次數(shù)隨比例增高呈平穩(wěn)下降趨勢，而電平覆蓋距離占比小于1/3 的次數(shù)隨比例降低呈U 形趨勢變化，并在0～2%陡增。該現(xiàn)象表明，相鄰2個基站電平交匯于距基站100 m以內(nèi)的次數(shù)占全部過覆蓋次數(shù)的11.26%，該高鐵線路多個基站存在較嚴(yán)重的過覆蓋甚至越區(qū)覆蓋現(xiàn)象。由于越區(qū)覆蓋的基站覆蓋范圍更廣，對距離較遠(yuǎn)小區(qū)也有顯著影響，因此危害更大。

統(tǒng)計(jì)2016—2019 年該線路過覆蓋基站的覆蓋距離在2個基站間的距離占比，得到此線路過覆蓋距離占比出現(xiàn)頻次的分布情況（見圖7）。由圖7 可知，上下行過覆蓋范圍占比分布趨勢基本一致。過覆蓋距離占比在66.7%～88.0%的次數(shù)逐漸下降，88%～98%的次數(shù)穩(wěn)定，但在98%～100%的次數(shù)陡增。該分布表明，輕微過覆蓋現(xiàn)象和越區(qū)覆蓋現(xiàn)象是基站過覆蓋問題中最常見的情況。

圖7 過覆蓋距離占比出現(xiàn)頻次分布示意圖

由上分析，該線路存在過覆蓋問題的小區(qū)數(shù)量較多。通過相關(guān)單位對該線路2016—2019 年通信檢測問題反饋，在列車實(shí)際運(yùn)營時，因過覆蓋原因引發(fā)的服務(wù)質(zhì)量問題數(shù)量較少，主要由天線俯仰角過大或電平功率過高導(dǎo)致，均未造成惡劣影響。但是，有關(guān)單位仍應(yīng)對GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化給予重視。

根據(jù)以上分析，對GSM-R 系統(tǒng)基站網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)及日常維護(hù)維修提出如下建議：

（1）在高鐵線路網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)、聯(lián)調(diào)聯(lián)試過程中對基站過覆蓋問題予以重視，尤其避免出現(xiàn)越區(qū)覆蓋現(xiàn)象；

（2）當(dāng)基站設(shè)備故障或異常時，現(xiàn)場維護(hù)人員應(yīng)嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)進(jìn)行維修或更換，避免因人為因素產(chǎn)生新的過覆蓋小區(qū)；

（3）對已開通的線路中存在過覆蓋問題的基站積極進(jìn)行排查和整改，在冬季和夏季或惡劣天氣較多的季節(jié)和月份應(yīng)適量提高排查頻率，并加強(qiáng)對基站上行覆蓋范圍的檢查。

5 結(jié)論

通過對典型高鐵線路覆蓋情況分析，可知過覆蓋現(xiàn)象是高鐵GSM-R 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)覆蓋中非常普遍的現(xiàn)象，過覆蓋小區(qū)數(shù)占線路總小區(qū)數(shù)量30%以上，相同基站的上行覆蓋范圍通常大于下行覆蓋范圍，且越區(qū)覆蓋問題頻次顯著。天氣狀況對場強(qiáng)覆蓋有重要影響，雨雪多發(fā)季節(jié)過覆蓋現(xiàn)象更加嚴(yán)重。從網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的角度看，不論過覆蓋問題是否影響檢測指標(biāo)，都應(yīng)該引起重視。因?yàn)榛据椛涔β蔬^強(qiáng)或覆蓋距離過遠(yuǎn)，雖然滿足了覆蓋要求，但存在很多運(yùn)營風(fēng)險，影響行車效率，造成資源浪費(fèi)，增加網(wǎng)內(nèi)干擾發(fā)生幾率。建議相關(guān)鐵路單位積極優(yōu)化GSM-R 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)，減少由過覆蓋現(xiàn)象引發(fā)的網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量問題。