影響GSM-R無線運用質(zhì)量指標的問題分析

鄭和民 上海鐵路局上海通信段

影響GSM-R無線運用質(zhì)量指標的問題分析

鄭和民 上海鐵路局上海通信段

以大量現(xiàn)場實例，從無線覆蓋、無線干擾、硬件維護等角度重點分析了GSM-R系統(tǒng)運用質(zhì)量下降的主要原因，對GSM-R系統(tǒng)的規(guī)劃、調(diào)測以及維護中遇到的問題進行了剖析，以利于進一步提高GSM-R系統(tǒng)的運用質(zhì)量。

GSM-R；運用質(zhì)量；簡析BTS實現(xiàn)了無線冗余覆蓋。缺點：投資成本比單網(wǎng)要高；對服務(wù)質(zhì)量有一定影響（切換數(shù)量增加）；需要較多的站址；無線參數(shù)設(shè)置比單網(wǎng)復(fù)雜。主要運用于承載C3列控業(yè)務(wù)的線路。

圖2 單網(wǎng)交織覆蓋模型

隨著我國高速鐵路的不斷建設(shè)發(fā)展，列車運行的速度也不斷提高，鐵路原有的無線通信模式已經(jīng)不能滿足高速鐵路運用需求，高速鐵路網(wǎng)絡(luò)化、智能化、綜合化的行車調(diào)度指揮系統(tǒng)需要高度可靠、高度安全、快速接入的鐵路綜合數(shù)字移動通信網(wǎng)絡(luò)，以及透明、雙向、大容量的車-地信息傳輸平臺。鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）是在GSM蜂窩系統(tǒng)的基礎(chǔ)上增加了調(diào)度通信功能，特別運行速度在300公里/小時的線路上，GSM-R系統(tǒng)還承載著C3無線列控業(yè)務(wù)，通信在鐵路運輸生產(chǎn)中的作用也越來越重要。

1.1.3 雙網(wǎng)覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)

雙網(wǎng)覆蓋網(wǎng)絡(luò)模型如圖3所示，完全重疊覆蓋方式，每個地點上有兩個獨立網(wǎng)絡(luò)的信號覆蓋。每層網(wǎng)各由一套BSC控制，形成雙層無線覆蓋。優(yōu)點：全系統(tǒng)冗余。缺點：投資高；無線參數(shù)設(shè)置復(fù)雜。主要運用于承載列控、機車同步操控業(yè)務(wù)的線路，目前僅在青藏線、大秦線有運用。

圖3 雙網(wǎng)覆蓋模型

1 無線覆蓋

1.1 我國鐵路現(xiàn)網(wǎng)無線覆蓋基本現(xiàn)狀

根據(jù)線路等級不同，對通信可靠性的要求也不同，GSMR網(wǎng)絡(luò)覆蓋方式可分為單網(wǎng)覆蓋、單網(wǎng)交織覆蓋和雙網(wǎng)覆蓋。

1.1.1 單網(wǎng)覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)

單網(wǎng)覆蓋的模型如圖1所示，它的優(yōu)點是低成本、無線參數(shù)易于設(shè)置、最有效的利用頻率、需要最少的站址。缺點：一旦某BTS故障，其服務(wù)區(qū)域?qū)⒉惶峁I(yè)務(wù)，將會產(chǎn)生無線覆蓋盲區(qū)。主要運用于非承載C3列控業(yè)務(wù)的線路。

圖1 單網(wǎng)覆蓋模型

1.1.2 單網(wǎng)交織覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)

單網(wǎng)交織覆蓋無線網(wǎng)絡(luò)模型如圖2所示，某一基站發(fā)出的信號覆蓋到兩側(cè)各兩個基站的位置。這種設(shè)置的優(yōu)點：

1.2 特殊區(qū)域的無線覆蓋

1.2.1 交叉區(qū)段的覆蓋

指兩條GSM-R線路交叉區(qū)域。兩條線的無線覆蓋由一個或兩個BSC控制，滿足交叉區(qū)域的場強覆蓋。

1.2.2 樞紐地區(qū)無線覆蓋

鐵路樞紐地區(qū)是多條鐵路的交匯點，話務(wù)量大，無線覆蓋受城市樓群的遮擋變得極為復(fù)雜，網(wǎng)絡(luò)建設(shè)時也缺少樞紐地區(qū)的統(tǒng)籌考慮，多線不同制式設(shè)備在樞紐無區(qū)匯集，造成樞紐地區(qū)的頻率規(guī)劃困難、無線參數(shù)復(fù)雜、部分區(qū)域優(yōu)化困難。

（1）多線交叉區(qū)域的基站互有鄰區(qū)關(guān)系，且在該區(qū)域場強覆蓋較強，切換點位置相距很近，稍有不慎會造成基站相鄰小區(qū)切換錯誤，引起C3降級，影響運輸秩序。

（2）鐵路GSM-R系統(tǒng)上行采用885 M--889 M頻段，下行采用930 M-930 M頻段，僅有4 M頻段的帶寬，可用頻點只有19個。而在交叉區(qū)域、接近區(qū)域的基站頻點設(shè)置既要考慮單網(wǎng)交織，又要考慮同頻、鄰頻干擾的問題，頻率規(guī)劃十分困難。

（3）樞紐地區(qū)一般為人口集中的大城市，各移動運營商基站分布稠密，互調(diào)信號非常復(fù)雜，GSM-R無線環(huán)境的清頻工作難度很大。

（4）各線GSM-R建設(shè)有時間先后，但均需要保證無線指標，測試、優(yōu)化、驗證的工作量也非常艱巨。

1.2.3 高鐵站房下覆蓋

高鐵車站站臺區(qū)域多采用無柱鋼質(zhì)雨棚，GMS-R無線信號在正上方的穿透損耗一般在10 dBm-15 dBm，特大型站場由于候車大廳整體位于其上方，會導(dǎo)致站房下場強很弱，當高鐵列車通過站區(qū)時會引起乒乓切換、連接丟失等導(dǎo)致CSD指標不合格的情況發(fā)生。

2 問題分析及解決方案

影響GSM-R無線運用質(zhì)量指標主要是由于無線場強覆蓋的強度、無線頻率的干擾、小區(qū)間切換指標的不合格等因素引起。無線場強覆蓋強度相對簡單，場強多高于指標規(guī)定要求，現(xiàn)場發(fā)生概率極低，在此不做討論。下面從系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾、系統(tǒng)外頻率干擾、小區(qū)切換等方面做一闡述。

2.1 系統(tǒng)內(nèi)頻率干擾

GSM－R系統(tǒng)內(nèi)可能存在同頻干擾、鄰頻干擾。

同頻干擾是指在一定的范圍內(nèi)使用相同頻率進行復(fù)用而產(chǎn)生的干擾。GSM移動臺的同頻干擾信號不高于有用信號9 dB。為了滿足這一條件，必須確保兩個使用相同頻率的基站間有足夠的空間距離。

鄰頻干擾是來自相鄰的或相近的頻道干擾,相近頻道可以是相隔幾個或幾十個頻道。GSM移動臺的鄰頻干擾(C/A)性能要求:在城市環(huán)境下 (有多徑快衰落但運動速度不高),分別在200 kHz鄰頻存在不高于有用信號9 dB的GSM干擾信號,400 kHz鄰頻存在不高于有用信號41 dB的GSM干擾信號,600 kHz鄰頻存在不高于有用信號49 dB的GSM干擾信號,此時的誤碼率可以滿足要求。

目前，由于GSM-R頻點數(shù)較少，鄰頻間隔一般保證400 kHz，同頻間隔單網(wǎng)覆蓋區(qū)段采用的8頻組配置，單網(wǎng)交織區(qū)段一般采用的6頻組配置，遇有大站或兩條GSM-R線路平行接近時也會采用5頻組或4頻組配置。多線交匯或平行的線路及區(qū)域，為保證無線覆蓋指標，目前多采用調(diào)整天線俯仰角、更換窄波瓣寬度天線、降低基站發(fā)射功率等方法，縮短無線覆蓋范圍，減少來自系統(tǒng)內(nèi)的頻率干擾。另外也采用頻率互換的方式，以盡可能減少同頻、鄰頻干擾。所謂頻率互換，即對于距離相近、頻率配置相同或相近的兩個基站，將其中一個基站的BCCH與TCH互換，并在網(wǎng)絡(luò)中將兩個基站設(shè)置為語音和數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)優(yōu)先使用BCCH，這種配置在區(qū)間話務(wù)量低的區(qū)域效果較好。個別困難區(qū)域，可采用分布式基站的方式，解決由于頻率規(guī)劃困難、直放站時延色散引起的運用質(zhì)量問題。

2.2 系統(tǒng)外頻率干擾

系統(tǒng)外干擾主要是CDMA網(wǎng)絡(luò)和GSM網(wǎng)絡(luò)對GSM-R的干擾。中國電信CDMA的運行頻段為:上行825 MHz～840 MHz,下行870 MHz～885 MHz。CDMA的下行頻段與GSM-R的上行頻段比較接近,如果站址選擇及網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃不當,有可能對GSM-R造成干擾。具體表現(xiàn)為:①CDMA發(fā)射機的邊帶雜散噪聲落入GSM-R接收帶內(nèi);②當2個或2個以上載頻通過GSM-R上行非線性器件時將發(fā)生互調(diào)干擾,一般只考慮3階,其余高階可忽略不計。該類干擾信號的特點是具有穩(wěn)定性。

中國移動GSM900M頻段范圍為:889 MHz～909 MHz(上行)、934 MHz～954 MHz(下行),與GSM-R頻段安全相鄰，可對GSM-R網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生以下幾類干擾。

（1）同頻干擾。所有落在接收機通帶內(nèi)的與有用信號頻率相同的無用信號的干擾,也稱為同信道干擾。這些無用信號與有用信號一樣在超外差接收機中經(jīng)放大變頻而落入中頻通帶內(nèi),因此只要在接收機輸入端存在同頻干擾,接收系統(tǒng)就無法濾除和抑制。

（2）鄰頻干擾。來自相鄰或相近頻道的干擾,是由發(fā)射機的帶外輻射和接收機共同作用而且發(fā)射機的輻射功率為一個帶寬而非單頻,因此其在鄰道的輻射功率可以和有用信號一起進入接收機。鄰道干擾有兩個方面:一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產(chǎn)生的干擾;二是一組空間離散的鄰近工作頻道引入的干擾。

（3）互調(diào)干擾。當有多個不同頻率的信號加到非線性器件上時,將產(chǎn)生許多組合頻率信號,其中的一部分可能落到接收機中頻通帶內(nèi),成為對有用信號的干擾。三階互調(diào)的頻率接近或等于主信號頻率，對通信的影響最大，其也是我們重點關(guān)注的。

互調(diào)產(chǎn)生的原因有三方面：發(fā)射機互調(diào)、接收機互調(diào)和外部效應(yīng)引起的互調(diào)。

發(fā)射機互調(diào)是由于基站在多個載波同時工作時，因合路器系統(tǒng)的隔離度不夠而導(dǎo)致信號相互耦合，干擾信號侵入發(fā)射機末級功放，從而與有用信號之間合成互調(diào)產(chǎn)物，并隨有用信號發(fā)射，造成干擾。

接收機互調(diào)主要是由接收機接收多個無線信號，由高級放以及第一混頻電路的非線性引起互調(diào)產(chǎn)物。

外部效應(yīng)引起的互調(diào)主要是由于發(fā)射機饋線、高頻濾波器等無源電路接觸不良，以及由于異種金屬的接觸部分非線性等原因，使強電場的發(fā)散信號引起互調(diào)，產(chǎn)生干擾源。

目前，對GSM-R系統(tǒng)影響最大的是互調(diào)干擾，基本為發(fā)射互調(diào)、接收互調(diào)。根據(jù)我們現(xiàn)場多次排查，解決互調(diào)干擾的基本方法為：

①在移動運營商基站射頻口加裝帶通濾波器，抑制互調(diào)信號的發(fā)射。

②調(diào)整GSM-R沿線移動運營商基站的頻點，根據(jù)計算，使用絕對頻道號為50以上的頻點，使三階互調(diào)信號的頻點沒有落在GSM-R頻帶內(nèi)。

③降低沿線移動運營商基站的發(fā)射功率，以減低互調(diào)電平，使其不至于落入有源器件的非線性區(qū)。

④在車載語音和數(shù)據(jù)模塊上加裝帶通濾波器，從根本上抑制接收互調(diào)

2.3 小區(qū)間切換

GSM-R移動臺在通話中由一個服務(wù)小區(qū)到另外一個服務(wù)小區(qū)的過程稱為切換。GSM系統(tǒng)采用的是硬切換，也即在切換過程中有一次很短暫的中斷，對于語音業(yè)務(wù)影響不大，但對于CSD業(yè)務(wù)就是一次數(shù)據(jù)丟包或誤碼，嚴重的可能會造成C3降級。下面從多線交匯區(qū)域、大型站房覆蓋等場景對如何優(yōu)化小區(qū)切換指標做一簡述。

2.3.1 多線交匯區(qū)域

（1）通過調(diào)整各基站間的無線場強覆蓋范圍，優(yōu)化小區(qū)間切換點，保證切換間隔滿足GSM規(guī)范和CSD指標要求。具體調(diào)整方法在前文已介紹。

（2）通過網(wǎng)管調(diào)整切換判決門限、回切時間等指標，對小區(qū)切換點小幅度地優(yōu)化，直到能夠滿足指標。

2.3.2 大型站房覆蓋

（1）雨棚覆蓋站場股道，基站天線位于站房廣場區(qū)域的中間部位。此種覆蓋下，在站房正下方的場強將比其相鄰區(qū)域要低10 dBm-15 dBm，一般會導(dǎo)致乒乓切換。解決方案：將相鄰兩個基站的功率降低或調(diào)整切換門限、回切時間等，來優(yōu)化切換點的位置。

（2）雨棚覆蓋站場股道，基站天線位于站房區(qū)域的一側(cè)。此種覆蓋下，在站房另一側(cè)，由于候車大廳及雨棚的遮擋，場強要低約25 dBm-30 dBm，會造成切換區(qū)域的不均衡，影響CSD傳輸無錯誤時間。如另一側(cè)增加直放站，在考慮減少時延色散的情況下，需對直放站采用單面定向覆蓋，同時降低或關(guān)閉施主基站一側(cè)的無線信號。

（3）候車大廳位于站場股道上方，基站天線位于站房中間或一側(cè)位置，雨棚下至少在兩側(cè)采用直放站定向覆蓋方式。此種方式可以解決乒乓切換、連接丟失等問題，但是應(yīng)該要注意直放站的覆蓋范圍不宜與施主基站重疊太多，即使有重疊，也應(yīng)保證同頻載干比至少大于12 dB。

（4）候車大廳位于站場股道上方，兩側(cè)距雨棚邊沿1公里左右分別設(shè)置基站1個，站房下采用直放站主從方式分別連接兩個基站。此種方式可有效解決乒乓切換、連接丟失等問題，尤其適用于中間站雨棚下覆蓋。

3 結(jié)論

GSM-R系統(tǒng)在無線側(cè)的規(guī)劃、維護等方面需注意如下幾點：

3.1 無線場強覆蓋方面

（1）樞紐地區(qū)、交叉并線區(qū)段宜采用分布式基站進行覆蓋，避免同、鄰頻干擾，提高該區(qū)域的GSM-R無線運用質(zhì)量。

（2）遇有高鐵車站鋼結(jié)構(gòu)雨棚遮擋時，基站不宜設(shè)置在車站，宜在車站兩側(cè)約1 km附近設(shè)置基站，減少或避免站下黑和多徑效應(yīng)產(chǎn)生的無線質(zhì)量下降。特大型車站應(yīng)考慮在雨棚邊緣處設(shè)置直放站，直放站宜采用向內(nèi)的單面天線，減少時間色散的發(fā)生。

（3）線路特別復(fù)雜區(qū)域的頻率規(guī)劃應(yīng)采用多種方式混合使用，如降低功率、調(diào)整天線覆蓋、頻率分層等。

3.2 避免無線干擾方面

（1）做好頻率規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，克服網(wǎng)內(nèi)干擾。

（2）在當?shù)責o委會的支持下，加強與沿線移動運營商的協(xié)調(diào)，對存在發(fā)射互調(diào)的基站要加裝濾波器或更換設(shè)備；移動公司盡可能不用50號以內(nèi)的小頻點，并適當降低功率。

（3）GSM-R基站選址時，應(yīng)盡可能的距離移動運營商基站近一些，減少接收互調(diào)引起的C/I降低和大功率引起的阻塞干擾。

（4）鐵路技術(shù)標準制定部門應(yīng)對車載無線通信設(shè)備（包括MT）廠家提出要求，采取措施，使終端模塊僅工作在GSMR頻段范圍內(nèi)。

[1]邵汝峰、蔣笑冰．鐵路移動通信系統(tǒng)[M]．北京．中國鐵道出版社．2011：104246-251.

[2]時虎等.TZ 341－2007．鐵路GSM-R數(shù)字移動通信工程施工技術(shù)指南．北京．中國鐵道出版社．2010：58-61.

[3]吳克非,中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設(shè)計指南[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

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責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-11-10