滬昆高鐵GSM-R直放站多徑干擾優(yōu)化簡(jiǎn)析

鮑節(jié)爾

(中國(guó)鐵路上海局集團(tuán)有限公司上海通信段，上海 200434)

滬昆高鐵設(shè)計(jì)時(shí)速350 km，其中上海局管內(nèi)線路長(zhǎng)292.7 km，隧道35座25.6 km，全線采用GSM-R系統(tǒng)[1]，提供CTCS-3級(jí)列車(chē)控制信息傳輸?shù)裙δ?。無(wú)線系統(tǒng)包含基站84個(gè)，采用單網(wǎng)交織覆蓋方式；直放站[2-5]有23個(gè)近端機(jī)、64個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)，基于冗余保護(hù)考慮，直放站均采用主、備、從方式設(shè)置。直放站的引入解決了隧道內(nèi)的無(wú)線覆蓋問(wèn)題，但也給無(wú)線網(wǎng)絡(luò)帶來(lái)一定影響，特別是直放站區(qū)域的多徑時(shí)延[6-8]干擾問(wèn)題，在GSM-R網(wǎng)絡(luò)日常維護(hù)中處理比較困難，是網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化的難點(diǎn)。

1 直放站區(qū)域多徑時(shí)延干擾相關(guān)基本概念

1.1 直放站原理

直放站是一種同頻放大設(shè)備，基本功能是把基站的無(wú)線信號(hào)延伸放大到基站覆蓋不到的弱場(chǎng)區(qū)，同時(shí)將移動(dòng)終端的上行信號(hào)放大送往基站。目前在我國(guó)GSM-R系統(tǒng)中應(yīng)用的直放站多為光纖直放站，主要用于隧道和車(chē)站站房覆蓋。

光纖直放站系統(tǒng)由基站耦合器、光線直放站近端機(jī)、光纜、光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)、天線或漏纜等部分構(gòu)成。光纖直放站的系統(tǒng)原理如圖1所示。

圖1 光纖直放站的系統(tǒng)原理Fig.1 The system principle of optical repeater

1.2 GSM-R光纖直放站單網(wǎng)交織冗余覆蓋組網(wǎng)

對(duì)于采用單網(wǎng)交織冗余覆蓋的線路，在隧道和路塹區(qū)域使用的光纖直放站也必須能夠提供交織冗余覆蓋的能力。為了提供交織覆蓋，每個(gè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)需要接入相鄰兩個(gè)BTS信號(hào)，合成的信號(hào)分別饋送至漏泄同軸電纜或天線。

GSM-R光纖直放站單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案如圖2所示。

圖2 SM-R光纖直放站單網(wǎng)交織冗余覆蓋方案Fig.2 The redundancy coverage scheme of GSM-R optical repeater single network interleaving

1.3 TA值

在呼叫開(kāi)始時(shí)，移動(dòng)臺(tái)發(fā)給基站的測(cè)量報(bào)告攜帶有移動(dòng)臺(tái)測(cè)量的時(shí)間，而基站監(jiān)控呼叫到達(dá)的時(shí)間，并在下行信道上向移動(dòng)臺(tái)發(fā)送指令，指示移動(dòng)臺(tái)提前發(fā)送的時(shí)間，以補(bǔ)償移動(dòng)臺(tái)至基站之間的傳輸時(shí)間損耗，這個(gè)時(shí)間就是時(shí)間提前量（Timing Advance，TA）。一個(gè)TA 的時(shí)長(zhǎng)為3.7 μs，TA的取值范圍是0～63，TA每增加1，意味著手機(jī)離開(kāi)基站的距離增加約550 m（空間）。GSM規(guī)范要求均衡器應(yīng)能處理時(shí)延高達(dá)15 μs左右的多徑信號(hào)，15 μs約對(duì)應(yīng)4比特周期（4 TA）,因此，TA值是判斷是否存在多徑時(shí)延干擾的重要參數(shù)值。

1.4 多徑時(shí)延效應(yīng)產(chǎn)生的原理

經(jīng)過(guò)不同路徑的多路信號(hào)到達(dá)某車(chē)載臺(tái)的傳播時(shí)間存在差異，路徑的延長(zhǎng)必然導(dǎo)致傳播時(shí)間的延遲。時(shí)延擴(kuò)展定義為最大傳播時(shí)延和最小傳播時(shí)延的差值，時(shí)延擴(kuò)展是衡量多徑傳播信道質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。

當(dāng)時(shí)延多徑差超過(guò)15 μs，多徑間電平相差小于9 dB，工程上小于12 dB時(shí)，就會(huì)發(fā)生強(qiáng)烈的多徑衰落，引發(fā)碼間干擾，出現(xiàn)下行電平雖強(qiáng)但質(zhì)量很差的現(xiàn)象，甚至導(dǎo)致下行質(zhì)差掉話造成CTCS-3無(wú)線連接超時(shí)，或降級(jí)的情況發(fā)生。因此，在GSM網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化時(shí)應(yīng)盡量避免出現(xiàn)時(shí)延大于15 μs的多徑信號(hào)。

下文主要講一種列車(chē)高速運(yùn)行時(shí)在直放站區(qū)段產(chǎn)生高TA導(dǎo)致的多徑時(shí)延干擾實(shí)例。

2 多徑時(shí)延干擾案例

滬昆高鐵上下行多趟車(chē)次行駛至ZJ-YW10到ZJYW11區(qū)段，出現(xiàn)無(wú)線鏈路超時(shí)情況。無(wú)線鏈路超時(shí)會(huì)引起CTCS-3降級(jí)的發(fā)生，對(duì)行車(chē)安全帶來(lái)一定的影響。當(dāng)無(wú)線鏈路超時(shí)后，通常使用C3接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行分析，通過(guò)接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以查看上下行電平值、通話質(zhì)量、TA值、鄰區(qū)電平值、切換公里標(biāo)、Abis口信令、A口信令、PRI口信令等重要信息。

2.1 問(wèn)題描述

2.1.1 滬昆高鐵下行方向運(yùn)行列車(chē)

提取接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Abis口數(shù)據(jù)分析，超時(shí)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，均為切換后出現(xiàn)下行持續(xù)質(zhì)差，然后導(dǎo)致掉話，如圖3所示。

超時(shí)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，ZJ-YW10至ZJ-YW11切換公里標(biāo)、切換前后TA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)比正常車(chē)次如下。

1）無(wú)論是超時(shí)還是正常車(chē)次，切換公里標(biāo)均在K255+450附近。

2）正常車(chē)次切換后的TA≤10，而超時(shí)車(chē)次切換后的大部分是TA≥11。

圖3 超時(shí)下行車(chē)次G1347 C3接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)截圖Fig.3 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime downward train number of G1347

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在K255+450附近存在一個(gè)TA≥11的多徑信號(hào)，如果切換后占用該多徑信號(hào)時(shí)會(huì)出現(xiàn)異常。

2.1.2 滬昆高鐵上行方向運(yùn)行列車(chē)

提取接口監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Abis口數(shù)據(jù)分析，超時(shí)問(wèn)題發(fā)生時(shí)，均為切換后出現(xiàn)下行持續(xù)質(zhì)差，然后導(dǎo)致掉話，如圖4所示。

對(duì)超時(shí)問(wèn)題發(fā)生時(shí)ZJ-YW11至ZJ-YW10切換公里標(biāo)、切換前后TA進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)對(duì)比正常車(chē)次如下。

1）無(wú)論是超時(shí)還是正常車(chē)次，切換公里標(biāo)均在K255+200附近。

2）正常車(chē)次切換后的TA≤5，而超時(shí)車(chē)次切換后大部分是TA≥7。

圖4 超時(shí)上行車(chē)次G1662 C3接口監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)截圖Fig.4 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime upward train number of G1662

根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)分析，在K255+200附近存在一個(gè)TA≥7的多徑信號(hào)，如果切換后占用該多徑信號(hào)會(huì)出現(xiàn)異常。

2.1.3 分析小結(jié)

此類(lèi)多徑干擾是由于切換后產(chǎn)生高TA導(dǎo)致，并且由于列車(chē)在高速運(yùn)行過(guò)程中TA沒(méi)有及時(shí)降至理想狀態(tài)造成的。

2.2 問(wèn)題排查

在處置初期，通過(guò)調(diào)整直放站主從信號(hào)強(qiáng)度、調(diào)整天線方位、降低重疊覆蓋區(qū)信號(hào)強(qiáng)度等方法，均未解決滬昆高鐵ZJ-YW10至ZJ-YW11區(qū)段上下行無(wú)線鏈路超時(shí)問(wèn)題。為進(jìn)一步查證原因，通過(guò)對(duì)Abis口數(shù)據(jù)結(jié)合竣工文件如圖5所示判斷多徑來(lái)源，采用關(guān)閉天線、從信號(hào)等手段來(lái)觀察多徑來(lái)源判斷是否正確，采用以下辦法。接饋纜、ZJ-YW11/R1往K255＋757天線的連接饋纜。調(diào)整后，上下行方向均未出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象，至此可以判斷多徑來(lái)源為直放站從信號(hào)。

3) 為進(jìn)一步確定多徑來(lái)源，僅關(guān)閉ZJYW10/R2、ZJ-YW11/R1的從信號(hào)時(shí)，上下行方向均出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象；僅關(guān)閉ZJ-YW10/R1、ZJYW11/R2時(shí)，上行方向出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象，下行方向未出現(xiàn)超時(shí)現(xiàn)象。

從上述試驗(yàn)可以發(fā)現(xiàn)，滬昆高鐵ZJ-YW10至ZJ-YW11區(qū)段上下行無(wú)線鏈路超時(shí)問(wèn)題是由于ZJ-YW10/R1、ZJ-YW10/R2、ZJ-YW11/R1、ZJ-YW11/R2直放站從信號(hào)引起的多徑干擾。

2.3 優(yōu)化調(diào)整

綜上所述，該多徑干擾問(wèn)題是由于切換后產(chǎn)生高TA造成，可以嘗試改變切換位置來(lái)避免產(chǎn)生高

圖5 滬昆高鐵ZJ-YW10到ZJ-YW11區(qū)段工程設(shè)計(jì)及位置示意圖Fig.5 The schematic diagram of engineering design and location of section ZJ-YW10 to ZJ-YW11 of Shanghai-Kunming high-speed railway

1) 為了排查多徑來(lái)源，先斷開(kāi)K255+596處至K255+757單立桿的連接纜、K255+077處至K254+739單立桿的連接纜，調(diào)整后上下行方向仍有超時(shí)現(xiàn)象；再斷開(kāi)K255+596處ZJ-YW11/R1的直放站天線、K255+077處ZJ-YW10/R2的直放站天線，調(diào)整后，上下行方向依然存在超時(shí)現(xiàn)象。至此可以排除直放站主信號(hào)之間產(chǎn)生的多徑干擾問(wèn)題。

2) 先后將該區(qū)段4個(gè)直放站的從信號(hào)全部關(guān)閉，恢復(fù)ZJ-YW11/R1和ZJ-YW10/R2處的直放站天線、 ZJ-YW10/R1往K254+739天線的連TA。

優(yōu)化方案：將切換位置由ZJ-YW10/R2與ZJYW11/R1區(qū)間調(diào)整至ZJ-YW11/R2與ZJ-YW11宏基站區(qū)間(預(yù)計(jì)在K257附近)，通過(guò)翻轉(zhuǎn)ZJYW11/R1、ZJ-YW11/R2的主從信號(hào)強(qiáng)度實(shí)現(xiàn)，具體操作如下：

1）恢復(fù)ZJ-YW10/R1和ZJ-YW11/R2從信號(hào)；

2）ZJ-YW11/R1和ZJ-YW11/R2主 備 信 號(hào)增加16 dB光衰，從信號(hào)去除6 dB光衰，并在網(wǎng)管上提升從信號(hào)功率，完成主從信號(hào)翻轉(zhuǎn);

3）修改切換參數(shù)：ZJ-YW10至ZJ-YW11的“PBGT切換門(mén)限”由66改為68，“PBGT統(tǒng)計(jì)時(shí)間”由3改為6，“PBGT持續(xù)時(shí)間”由2改為4。

2.4 處理結(jié)果

將切換位置由ZJ-YW10/R2與ZJ-YW11/R1區(qū)間調(diào)整至ZJ-YW11/R2與ZJ-YW11宏站區(qū)間后,該區(qū)段上下行未再次出現(xiàn)超時(shí)問(wèn)題，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化效果理想。

3 總結(jié)

目前，從聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間通過(guò)綜合檢測(cè)車(chē)對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)線路的檢測(cè)結(jié)果看，可以發(fā)現(xiàn)TA跳變、直放站主從信號(hào)設(shè)置不合理等存在隱患的問(wèn)題，但此類(lèi)切換后續(xù)出現(xiàn)高TA的問(wèn)題有一定偶然性，還需數(shù)據(jù)樣本的積累才能暴露出來(lái)。因此，部分直放站多徑干擾問(wèn)題還需在GSM-R網(wǎng)絡(luò)日常維護(hù)時(shí)去發(fā)現(xiàn)和處置。

在隧道群多直放站區(qū)段發(fā)生直放站多徑時(shí)延干擾問(wèn)題時(shí)，當(dāng)排查多徑來(lái)源并采用調(diào)整多徑來(lái)源信號(hào)強(qiáng)度的優(yōu)化方案不能完全解決直放站多徑時(shí)延干擾問(wèn)題的發(fā)生時(shí)，通過(guò)調(diào)整基站切換位置區(qū)的方式來(lái)進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，成為直放站多徑時(shí)延干擾問(wèn)題的處置一種優(yōu)化思路。