GSMR越區(qū)切換算法的仿真與分析

生慶月 蔡娟

摘要：在CTCS3級列車運行控制系統(tǒng)中作為車地信息的傳輸通道，保證了列車運行的安全。而越區(qū)切換的成功與否，關(guān)系到列車能否及時接收到來自TCC（Train Control Center，列控中心）的列控信息，并且由越區(qū)切換失敗引發(fā)的掉話故障將導致車地信息傳輸?shù)闹袛?，危害著列車運行的安全。本文利用Hata模型分析了切換門限值對越區(qū)切換的影響。以傳統(tǒng)的基于功率估計的提前切換算法為基礎(chǔ)，提出了切換算法的優(yōu)化模型并利用MATLAB9.0進行仿真。通過延遲切換觸發(fā)的方式，使切換的觸發(fā)避開了重疊區(qū)內(nèi)發(fā)生乒乓效應(yīng)的影響，從而提高了越區(qū)切換的成功率。

關(guān)鍵詞：GSMR;CTCS3;越區(qū)切換;時延;功率

1 概述

隨著我國高速鐵路的大規(guī)模建設(shè)，CTCS3級列車控制系統(tǒng)在我國高速鐵路中得到了廣泛運用，通信信號一體化的重要性也逐漸凸顯。在CTCS3級列車運行控制系統(tǒng)中，GSMR網(wǎng)絡(luò)提供了安全、可靠的無線環(huán)境，利用GSMR無線通信網(wǎng)絡(luò)進行地車雙向數(shù)據(jù)傳輸，成為列車在高速下運行的安全、平穩(wěn)強有力的技術(shù)支持。

多數(shù)區(qū)域的GSMR網(wǎng)絡(luò)的組網(wǎng)采用線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，導致在高速運行狀態(tài)下的列車發(fā)生高頻率的越區(qū)切換。GSMR網(wǎng)絡(luò)若采用硬切換技術(shù)進行越區(qū)切換，每進行一次越區(qū)切換將會造成車地通信的短暫中斷，從而影響列控數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)，降低了通信質(zhì)量，將直接影響列車運行安全。因此，研究越區(qū)切換對CTCS3級車運行控制系統(tǒng)產(chǎn)生的影響，以及對雙層網(wǎng)絡(luò)中的越區(qū)切換進行優(yōu)化意義重大。

2 GSMR網(wǎng)絡(luò)的越區(qū)切換原理

2.1 越區(qū)切換的原理

GSMR網(wǎng)絡(luò)在鐵路沿線的小區(qū)中多是采用線狀網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式，并且半徑相對不大，因此列車在高速運行的過程中，越區(qū)切換將會頻繁地發(fā)生。在MS發(fā)起呼叫的過程中，MS側(cè)負責對無線網(wǎng)下行鏈路性能相關(guān)參數(shù)的測量，以及對鄰近小區(qū)信號電平的測量;基站側(cè)則負責測量小區(qū)內(nèi)每個被服務(wù)MS的上行接收電平，并對鏈路信號的質(zhì)量進行評估。當有異常情況被檢測到時，基站立刻將告警信號發(fā)送給MSC或BSC，MSC或BSC接收到告警信號后會立即尋找一個新的小區(qū)或信道，同時觸發(fā)越區(qū)切換。若切換成功，釋放原信道，通話繼續(xù)在新信道上進行[1]。

2.2 越區(qū)切換的時延

在2.1節(jié)中所提到的切換過程的特點，結(jié)合高速鐵路上列車切換頻繁的特點，進一步對切換過程的四個階段中所造成的時延進行研究。由MS和BSS共同完成相關(guān)數(shù)據(jù)周期性的測量過程，周期也是固定的，因此其時延也是個定值;觸發(fā)過程是在BSS內(nèi)完成的，這一過程的時延包括BSS預處理過程的時延和BSS門限值判決時延，門限值判決的算法較簡單其時延可忽略，預處理過程的時延由參數(shù)配置和計算方法等兩個因素所決定，需要著重研究;選擇過程的時延主要為切換執(zhí)行過程中選擇目標小區(qū)時產(chǎn)生的時延，取決于BSC的處理能力;執(zhí)行過程中不同交換點信令交互的復雜程度也是各不相同的，因此其時延也會有所差異。

3 越區(qū)切換的仿真分析

3.1 車地通信無線信道模型

3.1.1 路徑損耗模型

在900MHz的GSMR網(wǎng)絡(luò)中，適用于宏小區(qū)的無線傳播模型有很多種。由于公式化的Hata模型，其計算所需的各種參數(shù)相對容易獲得且模型簡單，因此被廣泛使用[2]。

Hata模型市區(qū)中值路徑的表達式為式（1）：

PLH（dB）=59.55+26.16lgf-13.82lght-a（hr）+（44.9-6.55lght）lgd（1）

在這一算法中，k1、k2的值依實際環(huán)境調(diào)整。Speed_Static設(shè)置為80km/h，在列車運行速度低于Speed_Static時將不采取提前切換策略，MS執(zhí)行正常的功率估計切換算法;當列車運行速度超過Speed_Static時，MS采用提前切換策略，切換容限隨速度動態(tài)降低，使MS能夠更快切換到目標小區(qū)中。列車速度比固定值高K km/h時，動態(tài)可調(diào)切換容限減小HOMargin_Dynamic_Offset（n）dB，當其值為3dB，式（11）中k1和k2分別取值為k1=200，k2=150，HOMargin（n）=6dB。

3.3 切換算法的仿真與分析

使用MATLAB9.0對切換模型進行數(shù)值仿真并加以分析。仿真所需相關(guān)參數(shù)設(shè)置如下：小區(qū)半徑為R=3km，陰影衰落的標準方差σ=6dB，工作頻率f=900MHz，MS天線高度hr=4m，重疊區(qū)長度a=600m，基站高度ht=30m[6，7]。

圖1是只考慮路徑損耗時，相鄰兩個基站的接收電平隨距離變化的信號模型，圖中兩條曲線的交點表示越區(qū)切換的發(fā)生。

圖1 只考慮路徑損耗時的信號模型

慢衰落一般服從對數(shù)正態(tài)分布，圖2是標準方差為6.5dB時服從對數(shù)正態(tài)分布的陰影衰落模型。

圖2 陰影衰落模型

圖3是在只考慮路徑損耗的信號模型中加入陰影衰落后的信號模型，圖中兩條接收電平的曲線在重疊區(qū)有多處交匯，意味著MS在重疊區(qū)將會發(fā)生乒乓切換，甚至掉話。

圖3 加入陰影衰落后的信號模型

圖4和圖5分別是中等速度下、高速下切換門限值改進前后的對比圖。其中門限值較高的一條函數(shù)曲線為優(yōu)化后的信號曲線。

圖4 中等速度下優(yōu)化前后切換門限值與速度關(guān)系

圖5 高速下優(yōu)化前后切換門限值與速度關(guān)系

兩相鄰小區(qū)的重疊區(qū)的長度是有限的，隨著列車運行速度的提高，留給移動臺執(zhí)行越區(qū)切換的時間會相對減少，因此越區(qū)切換的難度也隨之增加。這時，降低切換門限值減小使MS提前進行切換，變相延長可用于執(zhí)行越區(qū)切換的時間，從而提高了越區(qū)切換的成功率。

從圖4和圖5我們可以看出，隨著列車運行速度的加快，切換門限值逐漸減小?？紤]到陰影衰落的影響，發(fā)生乒乓效應(yīng)的可能性增大，使越區(qū)切換的難度隨列車運行速度的提高而逐漸提高。改進后提高切換門限值的方式，推遲了MS觸發(fā)越區(qū)切換，這樣就實現(xiàn)了推遲向目標小區(qū)切換的目的，防止了因乒乓切換而發(fā)生的變化，提高了越區(qū)切換的成功率。

4 結(jié)語

在CTCS3級列車運行控制系統(tǒng)中，GSMR網(wǎng)絡(luò)為列車信息的傳輸提供了安全、可靠的傳輸通道，保障了列車在高速環(huán)境下運行的安全。通過建立兩種算法的數(shù)學模型，利用MATLAB9.0軟件對兩模型進行了數(shù)值計算仿真分析，并得出結(jié)論。通過提高切換門限值的方法，減小了乒乓效應(yīng)發(fā)生的可能性，從而提高越區(qū)切換的成功率。

隨著GSMR網(wǎng)絡(luò)技術(shù)的不斷發(fā)展與完善，仍有許多諸如小區(qū)參數(shù)的設(shè)置、信道的調(diào)試和修正等多方面的問題，需要進一步研究并提出解決方案。

參考文獻：

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[7]南海蘭，王湘，鐘章隊.GSMR網(wǎng)絡(luò)小區(qū)覆蓋半徑的算法研究.鐵道學報，2005，27（1）：6669.

基金項目：2018年，重慶公共運輸職業(yè)學院，“信號基礎(chǔ)設(shè)備維護”課程建設(shè)與改革（項目編號：YSJG20180505）

作者簡介：生慶月（1992—），男，漢族，黑龍江哈爾濱人，本科，助教，研究方向：鐵路通信信號;蔡娟（1986—），女，漢族，四川廣安人，碩士，講師，專任教師，研究方向：軌道交通信號自動控制。