基于高性能射線追蹤技術的復雜交叉并線場景GSM-R網絡優化研究

孫魯泉，劉靜，張玉

GSM-R系統雖然已在鐵路應用多年，但GSM-R網絡的運維和優化目前仍然面臨著巨大的壓力［1］。由于遮擋或反射等原因造成信號快速衰落，進而引發信號覆蓋等問題，因此需對GSM-R網絡進行優化。目前對GSM-R無線網絡覆蓋、干擾問題的排查，主要是在發現接口檢測報告存在疑似干擾或發生無線通信超時事件后，再由工作人員前往現場，采用掃頻儀、場強儀等排查頻譜數據，對網絡是否存在干擾進行分析、判斷和優化。網絡優化專家根據頻譜數據和過往經驗做出網絡優化決策和方案后，需要工作人員反復進行人工調試和測量，以達到網絡優化效果。整個網絡優化周期，從明確網絡優化需求、分析網絡優化問題、做出網絡優化決策、實施網絡優化方案到驗證網絡優化效果，需要耗費大量的人力和物力。因此，研究面向GSM-R網絡的高精度優化技術，具有迫切的需求，以及重要的研究意義和應用價值［2］。

研究面向GSM-R網絡的高精度優化技術需要充分考慮目標優化場景的無線信道特征［3］。高性能射線追蹤仿真技術可將抽象的電波傳播等效為直觀的射線，通過理論和計算實現對無線電磁波傳播效果的推演，對仿真場景的無線信道進行精細建模［4］?；谏倭繉崪y數據進行校正后，高性能射線追蹤模型具備對實際場景中無線信道的準確建模能力，對無線信號在實際場景中的傳播特性進行準確表征，進而為無線通信系統性能和覆蓋范圍的優化提供有力支撐。

在GSM-R網絡維護過程中，存在完全并線、三岔路口并線、十字路口并線、鐵路與編組站完全并線、鐵路與編組站相交并線等多種交叉并線場景［5］。由于線路地形復雜多樣，交叉并線區域的網絡維護無法完全參考既有網絡優化經驗 ，且根據具體場景進行分析的難度也非常大［6］，一直以來是GSM-R網絡運維的關鍵難點。

本文以西安北銀西高速、西寶高速、西成客專交叉并線區域內的GSM-R網絡優化問題為典型案例，研究高性能射線追蹤技術在復雜交叉并線場景中GSM-R網絡優化的應用，通過充分仿真推演網絡投入運行后的各方面性能表現，進而復現GSM-R網絡問題、分析網絡問題出現的根本原因、提出網絡優化方案、預測網絡優化效果，彌補基于反復人工調試與測量的網絡優化方案效率低的短板，為高鐵交叉并線區域GSM-R網絡優化提供參考和技術積累。

1 復雜交叉并線場景的GSM-R網絡問題分析

1.1 西安北交叉并線場景

基于充分的行業調研，以西安北銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專3條鐵路線在西安北的交叉匯聚區段為研究場景，進行復雜交叉并線場景的GSM-R網絡分析和優化。2023年1～5月，上述區域內的動檢車檢測數據顯示，在該交叉并線區段內發生多起無線信號小區切換異常問題，并引起列車通信質差。以下重點對該復雜交叉并線場景下的GSM-R網絡現狀和存在問題進行分析。

西安北交叉并線場景線路及基站分布情況見圖1。

圖1 西安北交叉并線區域線路及基站分布

圖1中，基站的BCCH頻點編號見表1；紅色虛線方框所標識的區域為銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專在西安北交叉并線區域，該區域內信號切換涉及3條鐵路線的樞紐基站XAB_XYX01（XAB_SHYXLS01）、銀西高鐵沿線基站ShiHeYangXLS和西寶高鐵沿線基站XAB_XYX02。XAB_XYX01位于銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專3條鐵路線交匯區域，為樞紐基站，即3條鐵路線的無線信號在線路交匯區域附近均會接入XAB_XYX01。ShiHeYangXLS與西寶高鐵的地理位置較近，該基站會對西寶高鐵的信號切換產生干擾。XAB_XYX02與銀西高鐵線路和西成客專線路距離較近，該基站會對銀西高鐵信號和西成客專信號在臨近線路交匯區域的信號切換產生干擾。

表1 西安北交叉場景中基站的頻點編號

因此，在西安北交叉并線區域的GSM-R網絡維護過程中，需要重點關注銀西高鐵沿線基站Shi-HeYangXLS在西寶高鐵的信號覆蓋，以及西寶高鐵沿線基站XAB_XYX02在銀西高鐵、西成客專的信號覆蓋范圍和質量。以下將詳細對銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專線路及沿線基站進行介紹，并基于2023年1～5月動檢車異常數據對3條線路的GSM-R網絡問題分別進行分析。

1.2 銀西高鐵網絡

銀西高鐵線路及其沿線基站詳細分布情況如圖1所示，列車向東行駛至與西寶高鐵、西成客專交匯區域為上行行駛方向，反之則為下行方向。在銀西高鐵現有GSM-R通信系統中，上行方向列車信號設計切換順序為：SHYXLS_XYB02—SHYXLS_XYB01—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，下行方向列車切換順序與上行相反。

2023年2～4月，動檢車沿銀西高鐵上行方向行駛，發生了多起信號實際切換順序與設計切換順序不符的異常切換問題，異常檢測場強見圖2。圖2中，橫軸為高鐵線路的公里標，縱軸為動檢車接收電平，紅色曲線為動檢車通信服務小區電平。

圖2 銀西高鐵上行信號切換異常檢測場強

由圖2可知，在XAB_XYX01的覆蓋范圍內，其接收電平短暫低于XAB_XYX02，信號切換至XAB_XYX02基站。在無線通信系統的切換保護時間結束后，由于乒乓切換保護時間的限制，信號無法回切至電平最高的基站XAB_XYX01，信號切換至電平次最強的基站SHYXLS_XYB01。

綜上，西寶高鐵沿線基站XAB_XYX02對銀西高鐵的信號切換產生了干擾，導致銀西高鐵上行在XAB_XYX01覆蓋范圍內信號切換關系混亂。

1.3 西寶高鐵網絡

西寶高鐵線路及其沿線基站分布情況如圖1所示，列車向東行駛至與銀西高鐵、西成客專交匯區域為上行方向，反之則為下行方向。在西寶高鐵現有GSM-R通信系統中，上行方向列車信號設計切換順序為：XAB_XYX03—XAB_XYX02—XAB_XYX01，下行方向列車切換順序與上行相反。

2023年5月，動檢車沿西寶高鐵上行方向行駛，發生了信號實際切換順序與設計切換順序不符的異常切換問題，異常檢測場強見圖3。

圖3 西寶高鐵上行動檢車信號切換異常檢測場強

由圖3可知，在XAB_XYX02向XAB_XYX01切換的區間內，銀西高鐵線路上ShiHeYangXLS的接收電平高于西寶線上的XAB_XYX02和XAB_XYX01。西寶高鐵的信號實際切換順序為：XAB_XYX02—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，且信號在切換至ShiHeYangXLS后列車通信質量變差。

綜上，銀西高鐵沿線基站ShiHeYangXLS在西寶高鐵存在過覆蓋問題，導致西寶高鐵上行信號切換異常。

1.4 西成客專網絡

西成客專線路及其沿線基站分布情況如圖1所示，列車向東行駛至與銀西高鐵、西寶客專交匯區域為上行行駛方向，反之則為下行方向。在西成高鐵現有GSM-R通信系統中，上行方向列車信號設計切換順序為：XAB_XAX02—XAB_XYX02—XAB_XYX01，下行方向列車切換順序與上行相反。

2023年2月，動檢車沿西成客專下行方向行駛，發生了信號切換滯后導致通話質量變差的問題，異常檢測場強見圖4。

由圖4可知，在XAB_XYX01向XAB_XYX02切換的區間內，XAB_XYX01和XAB_XYX02接收電平相對接近，信號切換沒有成功。當信號成功從XAB_XYX01切換至XAB_XYX02時，動檢車已經離開XAB_XYX02的覆蓋區域，到達了XAB_XAX02的覆蓋范圍內。由于在列車的切換保護時間限制內，信號無法立即切換至XAB_XAX02，列車通信的服務小區為XAB_XYX02，而XAB_XYX02接收電平不斷降低，導致通話質量變差并最終掉話。

綜上，西寶高鐵沿線基站XAB_XYX02與樞紐基站XAB_XYX01在西成客專信號之間的相對關系引起了信號切換滯后，進而導致西成客專通話質量變差。

1.5 西安北交叉并線無線覆蓋問題小結

西安北交叉并線區域內，銀西高鐵上行、西寶高鐵上行、西成客專下行均發生信號切換異常問題，且動檢車異常檢測數據反映的信號切換異常的原因是銀西高鐵沿線ShiHeYangXLS和西寶高鐵沿線XAB_XYX02的信號覆蓋欠合理所致，具體表現為：銀西高鐵信號在交叉并線區域切換至西寶高鐵沿線XAB_XYX02后信號切換關系混亂；西寶高鐵信號誤切換至銀西高鐵沿線ShiHeYangXLS；西成客專從XAB_XYX01至XAB_XYX02的信號切換滯后。西安北交叉并線區域的信號切換異常問題實際為基站覆蓋問題，因此需要對該區域進行準確的無線信道建模，復現上述基站覆蓋問題，尋找優化方案。

2 基于射線追蹤技術的交叉并線問題復現與優化

2.1 高性能射線追蹤技術

首先使用GIS電子地圖構建西安北交叉并線區域的地形、地物、建筑；然后使用Sketchup進行建模，構建場景中特有的高架橋結構［7］。

高性能射線追蹤仿真模型將抽象的電波傳播等效為直觀的射線，構建西安北交叉并線場景中的電磁信號傳播環境，推演出發射機與接收機之間的無線信號傳播路徑，對無線信道進行建模［8］。建模時需要以一定測量數據為參考，通過對三維場景模型的幾何參數、材料電磁參數，以及傳播機理模型的特征參數等多目標進行聯合校正，提升射線追蹤對仿真場景無線信道特征參數的估計精度，以及射線追蹤技術的泛化能力，為基于高性能射線追蹤的GSM-R網絡維護提供前提條件［9］。在福銀高速和西安繞城高速進行數據測量，獲取銀西線沿線基站ShiHeYangXLS和西成客專沿線基站XAB_XAX02的信號接收功率。之后根據西安繞城高速與西成客專線路地理位置接近區域的測量數據對射線追蹤模型進行校正。

通過射線追蹤校正技術調整射線追蹤仿真傳播機理參數，確定在西安北交叉并線場景中傳播模型為：直射、透射、繞射、一階反射、一階散射。在此基礎上，通過西安繞城高速和福銀高速測量數據對該場景中的材料電磁參數進行校正，校正后參數見表2。

表2 射線追蹤校正后西安北交叉并線場景材料電磁參數

以校正后的材料電磁參數為仿真輸入，在使用材料電磁參數校正相同的傳播模型的條件下，進行射線追蹤仿真，仿真結果與實測數據的對比結果見圖5。

圖5 射線仿真結果與實測數據對比

由圖5（a）可見，銀西高鐵線的仿真結果與實測數據誤差均值為-0.67 dB，均方根誤差為7.81 dB；由圖5（b）可見，西成客專線仿真結果與實測數據誤差均值為2.82 dB，均方根誤差為6.22 dB。銀西高鐵線和西成客專線仿真結果滿足與測量數據間誤差均值小于3 dB、均方根誤差小于8 dB的精度要求，表2中的材料電磁參數能夠用于復現西安北交叉并線區域的信號覆蓋情況。

2.2 基于高性能射線追蹤的GSM-R網優方案

基于高性能射線追蹤的GSM-R網絡優化方案，以地圖、結構模型、基站參數為基礎，構建GSM-R網絡所在實際物理空間的電磁環境［10-11］，通過校正后的高性能射線追蹤模型仿真完成無線信道的準確建模，進而計算覆蓋指標，充分仿真推演網絡投入運行后的各方面性能?；诟咝阅苌渚€追蹤技術的GSM-R網絡優化方案見圖6，實施過程如下。

圖6 基于高性能射線追蹤技術的GSM-R網絡優化方案

Step 1以地圖、結構模型構建的西安北交叉并線三維場景模型及基站參數信息為基礎，進行高性能射線仿真，預測場景覆蓋指標，復現西安北交叉并線區域內的異常檢測場強。

Step 2根據可視化的高性能射線仿真結果，分析西安北交叉并線區域內信號切換異常問題出現的根本原因。

Step 3根據分析結果，調整基站參數，重新進行射線仿真，預測調整后場景中的信號覆蓋情況，提出網絡優化方案。

2.2.1 問題復現

基于校正后的高性能射線追蹤模型仿真完成無線信道的準確建模，并對西安北交叉并線場景中，銀西高鐵線上行方向、西寶高鐵線上行方向、西成高鐵線下行方向出現切換異常的信號覆蓋情況進行復現，復現結果見圖7。

圖7 西安北交叉并線區段信號覆蓋情況復現結果

由圖7（a）可見，銀西高鐵上行方向，在XAB_XYX01覆蓋區域內，XAB_XYX02的接收功率短暫高于XAB_XYX01，信號存在切換至XAB_XYX02的風險。若無線信號切換至XAB_XYX02，信號會在乒乓切換保護時間內切換至接收功率次最強的SHYXLS_XYB01，在切換保護時間結束后切換回XAB_XYX01，信號切換關系混亂。圖8展示了銀西線上行的實際切換順序為ShiHeYangXLS—XAB_XYX01—XAB_XYX02—SHYXLS_XYB01—XAB_XYX01，而非GSM-R網絡系統中設計的通信服務小區一直為XAB_XYX01。

圖8 銀西高鐵上行方向信號異常切換順序

由圖7（b）可見，西寶高鐵上行方向，在信號從XAB_XYX02基站向XAB-XYX01基站切換的區間內，XAB_XYX02、XAB_XYX01、Shi-HeYangXLS基站接收功率之間的相對關系與動檢車測量結果一致，ShiHeYangXLS基站的接收電平高于西寶線上的XAB_XYX02、XAB_XYX01。圖9展示了西寶高鐵的信號實際切換順序為XAB_XYX02—ShiHeYangXLS—XAB_XYX01，而非GSM-R網絡系統中設計的通信服務小區從XAB_XYX02切換至XAB_XYX01，且列車通信質量在切換至ShiHeYangXLS變差。

圖9 西寶高鐵上行方向信號異常切換順序

由圖7（c）可見，西成客專下行方向，在信號從XAB_XYX01基站向XAB_XYX02基站切換的區間內，XAB_XYX01、XAB_XYX02、XAB_XAX02接收功率之間的相對關系與動檢車測量結果一致。圖10展示了西成客專下行方向的信號實際切換順序為XAB_XYX01—XAB_XYX02—XAB_XAX02，與設計切換順序一致。由于在信號切換區域內，XAB_XYX01、XAB_XYX02的接收功率相對接近，信號成功從XAB_XYX01切換至XAB_XYX02時，列車實際位置已經離開了XAB_XYX02的覆蓋區域，到達了XAB_XAX02的覆蓋范圍內，會引起切換之后導致的通信質差。

圖10 西成?？拖滦蟹较蛐盘柷袚Q順序

綜上所述，西安北交叉并線區域的射線追蹤仿真得出的銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專各基站間信號接收功率相對關系與動檢車測量結果一致，銀西高鐵上行、西寶高鐵上行均存在信號切換異常問題，西成客專下行會發生信號切換滯后引起的通信質差問題。

2.2.2 網絡優化

西安北交叉并線區域內，銀西高鐵上行和西成客專下行的信號切換異常問題主要原因是西寶高鐵沿線基站XAB_XYX02的覆蓋范圍過大，西寶高鐵的切換異常問題主要原因是銀西高鐵沿線基站ShiHeYangXLS覆蓋范圍過大。因此，可以通過降低XAB_XYX02和ShiHeYangXLS發射功率，縮小基站覆蓋范圍，進行網絡優化。優化后，銀西高鐵、西寶高鐵的信號切換均會按照原本設計順序進行切換。而由于西成客專XAB_XYX01的覆蓋區域包含了XAB_XYX02的覆蓋區域，且信號強度整體優于XAB_XYX02，因此，降低XAB_XYX02功率將使信號不再切換至西寶高鐵的XAB_XYX02，西成客專原設計切換順序優化為僅切換至沿線基站，不會引起其他覆蓋問題。

降低XAB_XYX02和ShiHeYangXLS發射功率，對西安北網絡覆蓋范圍進行調整后，西安北交叉并線區域的信號覆蓋預測結果見圖11。

圖11 優化后西安北交叉并線區段信號覆蓋情況預測結果

由圖11（a）可見，銀西高鐵上行方向，在XAB_XYX01覆蓋區域內，XAB_XYX02的接收功率降低，信號不會切換至XAB_XYX02；Shi-HeYangXLS直接切換至XAB_XYX01，該區段的信號切換不再經由XAB_XYX02。至此銀西高鐵的信號切換順序混亂問題得以解決。

由圖11（b）可見，西寶高鐵上行方向，在XAB_XYX02和XAB_XYX01信號切換區域附近，ShiHeYangXLS的接收功率降低，西寶高鐵信號不會切換至銀西高鐵的ShiHeYangXLS。信號先后接入XAB_XYX02、XAB_XYX01，信號切換順序正常，且服務小區接收功率在-60 dB以上，西寶高鐵的信號覆蓋正常，過覆蓋導致的切換錯誤問題得以解決。

由圖11（c）可見，西成客專下行方向，XAB_XYX02的接收功率降低，該區段的信號切換不再經由XAB_XYX02，且在信號切換發生區域內，服務小區不會發生信號質差問題；列車信號會直接從XAB_XYX01切換至XAB_XAX02，切換滯后引起的信號質差問題得以解決。

綜上，通過調整基站發射功率，銀西高鐵上行、西寶高鐵上行、西成客專下行的列車信號只切換至行駛線路的沿線基站，符合優化設計目標。

3 結論

1）本文分析了西安北銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專交叉并線區域內的GSM-R網絡發生的列車信號切換異常問題，并提出基于高性能射線追蹤的GSM-R網絡優化方案。通過基于實測數據校正后的高性能射線追蹤模型，對西安北交叉并線區域內的基站在銀西高鐵、西寶高鐵、西成客專的無線信號覆蓋情況進行了仿真。仿真結果復現了銀西高鐵上行方向切換關系混亂問題、西寶高鐵上行方向過覆蓋導致的異常切換問題、西成客專下行信號切換滯后問題?；跍蚀_和可視化的覆蓋仿真結果，分析得出調整西寶高鐵XAB_XYX02基站和銀西高鐵ShiHeYangXLS基站發射功率的優化方案，并對優化后的信號覆蓋范圍進行了預測。

2）基于射線追蹤的仿真預測結果表明，通過調整發射功率，縮小基站的覆蓋范圍，銀西高鐵、西寶高鐵、西成?？偷男盘枌H切換至沿線基站，西安北交叉并線區域的信號切換異常問題從根本上得以解決。本文提出的基于高性能射線追蹤的GSM-R網絡優化方案，彌補了基于反復人工調試與測量過程網絡優化方案效率低的短板，可為其他區域內的交叉并線問題提供參考。