【摘要】 GSM-R（GSM for Railway）是以GSM（全球移动通信系统）为平台，集列车公务通信和区间通信为一体的铁路专用移动通信系统，已经成为我国铁路通信技术的发展方向。越区切换是GSM-R系统的关键技术之一，由于列车速度的提升导致多普勒效应更严重、切换位置更靠后、越区切换更频繁，最终GSM-R的安全性和可靠性会严重降低，因此对越区切换的研究具有非常重要的意义。本文分析了GSM—R网络越区切换掉话的原因并提出了优化方案。
【关键词】 越区切换 掉话 网络优化
Summary：GSM - R （GSM for Railway） is based on GSM （global system for mobile communications） platform， concluding the train business communication and interval communication.Nowadays it has become the development direction of Railway communication technology in China. Handoff is one of the key technology of GSM - R system. As the Speed-raising of trains causes the severe Doppler Effect，postponement of handover triggering and frequent handover，the safety and reliability of the GSM-R system will be seriously reduced.So the.research is of great importance.This article analyzes the reasen of GSM - R network handoff drop words and put forward the optimization scheme
Keyword： Handoff；Call drop；Network optimization
一、背景介绍
1988年GSM-R作为欧洲的铁路通信和控制的标准系统被建立起来，命名为Railway（简称GSM-R）GSM-R网络主要被用于铁路运输，这种专用GSM网络涉及到了铁路的相关功能，如分配，列车控制等等。GSM-R中的切换主要是基于信号从基站（bs）到移动台（ms）的信号传输。如果一个ms发现来源于临近信号的质量好于自己所处的基站，当一些条件满足之后，在当前小区的ms释放信道，在越区切换过程中开始使用临近小区的信道。在火车上的移动台通过切换穿过两个相邻小区，切换通常重复出现在相邻小区的重叠区域。ms一般速度很高，要获得一个适合的门限是很困难的，信号传输会有明显的阴影，衰落和多普勒效益。
二、GSM-R越区切换的概述
鉴于GSM-R系统面临铁路服务环境，其服务覆盖区域呈现出横跨地理范围较大的区域，并且呈现出依据铁路运输系统而延展的带状分布，这样的服务区域决定了GSM-R在分区上必然会采取沿铁路线分段的方式进行服务覆盖，也就是说，在列车行驶的过程中，将随着路段的延伸更换基站确保实现有效数据传输。通常而言，GSM-R系统通过在不同小区交界的地方保留有覆盖叠加，用以实现确保列车在叠加区域内实现越区切换，但是随着列车行驶速度的不断提升，以及铁路运输系统自身所面临的复杂的自然环境，越区切换所能够获取到的允许时间越来越短，因此对其工作效率和准确性方面的要求均有所提升。在这样的实际工作背景之下，如何实现有效快速的越区切换成为了当前关注的重点。
越区切换是指移动台（MS）在呼叫进行中，从一个小区移动到另一个服务小区时，维持呼叫继续进行的过程。整个越区切换过程需要经历5个阶段。首先是获取数据，主要是由移动台针对其当前的小区以及邻区的数据服务质量进行数据采集，重点指下行链路接收信号电平和质量。通常移动台在480ms内将信号最强的6个小区上报基站系统BSS，并且由BSS系统根据GREQAVE和HREQT对上报的相应数据进行预处理。而后进行门限值比较，在每个SACCH复帧内，BTS负责将当前小区的测试结果与邻区的测试结果进行比对和判定，对于满足门限条件数据进行触发切换行为。进一步地，基站将根据相应的数据判断表达式来最终对切换动作进行判定，确定出应当切换的小区，并将合格的小区放入切换邻区表中，最终根据PBGT值进行排序，列出最为合理的候选邻区表。完成上述工作后即可执行越区切换动作，主要包括分配并激活一个新的信道，而后将数据服务获取切换到该信道上。从根本上看，越区切换对于数据传输服务质量的影响也大多主要发生在切换的执行阶段。
三、越区切换掉话原因分析
在高速铁路环境下，列车频繁发生越区切换。以列车速度350km/h为例，基站间距取平均值3km，可以得到平均每小时发生越区切换的次数为116。越区切换发生得如此频繁，增大了网络覆盖、越区切换参数设置、同邻频干扰及系统传输等原因引起越区切换掉话的风险。
邻区关系设定不合理。（1）切换不及时。列车高速运行过程中，可能会突然进入弱场区，致使无线链路性能严重下降。由于列车运行速度较快，切换可能未及时启动或者未及时完成，会导致掉话现象的发生。（2）T3103定时器超时。基站控制器BSC向移动台发出“Handover Command”信令时。13103定时器启动。如果在T3103超时之前，BSC没有收到移动台发出的“Handover Complete”或“Handover Failure”信令，BSC就认为原小区发生了无线链路故障，从而释放链路，引起掉话。（3）目标小区无可利用信道。由于目标基站无切换信道，或者在拓扑关系中未定义切换条件，则用户在执行切换时，无法占用相邻小区的空闲语音信道，如果移动台不能及时切向其他较好小区，则可能在原小区因为切换失败而掉话。（4）目标小区无可利用信道。由于目标基站无切换信道，或者在拓扑关系中未定义切换条件，则用户在执行切换时，无法占用相邻小区的空闲语音信道，如果移动台不能及时切向其他较好小区，则可能在原小区因为切换失败而掉话。（5）接入目标小区后的异常中断。当移动台成功接入目标小区后，在通信过程中往往会由于系统存在干扰或接收电平很低，致使移动台或者网络无法正确解码对端发来的信息，且无法通过其他手段（如功率控制或者再次切换）来控制时，系统将认为出现了无线链路故障。出现这种情况时，移动台或者启动呼叫重建，或者强拆链路，造成掉话。
四、网络优化解决越区切换掉话问题的方案
4.1 切换点优化
在列车运行速度较快的情况下，容易发生越区切换滞后的现象，即在设计的最佳切换点处没有发生切换。切换滞后容易引发掉话。如果前一个切换滞后，下一个切换到达保护间隔时间时，已经错过了设计的最佳切换点，切换时的电平或者质量处于较差的状态，容易发生掉话。如图1所示，小区1切换到小区2的最佳切换点为A点，但实际切换滞后，切换发生在B点，C点为小区2切换到小区3的最佳切换点，但由于移动台在小区2未达到切换保护时间，切换不能发生，直至D点处才满足切换保护时间的要求，切换发生，但是由于错过了最佳切换点，D点的电平质量等均不是最佳，可能在切换过程中掉话。因此切换点的优化是避免越区切换掉话的重要方面。
引起切换滞后的原因主要有3种情况：①当前服务小区的基站在列车运行方向的覆盖过高，导致切换迟迟不能发生；②在直放站区域，如果直放站的主从信号均高于-47dBm，则移动台上报给基站的测量报告中服务小区和最大邻小区电平相等，不会触发切换，导致切换滞后；③列车运行速度较快的情况下，切换门限参数设置过高，在原小Ⅸ的场强已经下降到很低时，仍然不能向目标小区切换，最终容易导致掉话。
对于上述问题，可通过以下方法进行优化解决：（1）调整基站的天线俯仰角，双向覆盖基本对称；相邻基站覆盖交叉点电平在-60dBm以上，交织基站覆盖交叉点电平在-70dBm以上。（2）在直放站区域出现切换滞后的情况时，可在设计的切换点附近，适当降低从信号直放站的下行增益，避免切换滞后。（3）对于列车运行较快的情况，可适当调低切换门限，降低切换的难度，使切换能够及时发生。切换滞后导致掉话示意图如图1所示。
4.2 切换点优化
当切换的测量报告显示接收信号的质量很差。但接收强度很好时，可初步判断质量下降的原因是由于干扰造成。在网络优化的过程中可通过降级模式（关闭相邻的同频基站）进行判断。如果降级模式质量良好，而全基站模式下的质量下降，则可判断为网内同频干扰造成的质量下降。此类问题可通过更改受干扰点的频点进行优化。如果降级模式和全基站模式下的质量均无较大差距，则可以判断干扰可能来自网外。
4.3 传输环优化
传输闪断是GSM-R网络有线部分出现的典型故障。目前建成的客专中，GSM-R传输网络均采用环形结构，实现方法比较简单，但是需要一定的时间判断传输故障和倒换环的方向，在传输进行倒换时容易发生掉话。对于此类问题，可以使基站传输环路的正环和反环同时工作，保证2个传输路径的状态完全独立，并且在传输的消息里添加序列号和时间戳等信元。接收端对接收到的消息按照序列号的大小依次进行接收，若新收到的消息序列号与之前收到的消息序列号相同，则比较时间戳，丢弃时间戳较小的消息，如果时间戳相同，则丢弃新收到的消息。这样既减少了传输闪断导致掉话的发生，又可以保证对重传消息的接收，使接收端总能接收传输最快方向的消息，保证消息传输速度高。
五、结束语
作为GSM-R网络的关键技术，越区切换的可靠性和有效性是体现GSM-R系统性能的重要指标，对保障铁路移动通信的高可靠性和安全性起着举足轻重的作用。本文对越区切换掉话进行深入的分析研究，并提出了GSM-R网络越区切换的优化方案，以进一步提高越区切换的稳定性，保证列车平稳、高速、安全地运行。
参 考 文 献
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