GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)差優(yōu)化分析

胡田立

(大秦鐵路股份有限公司太原通信段，太原 030013)

GSM-R現(xiàn)網(wǎng)主要采用宏基站加光纖直放站的方式實現(xiàn)無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋。光纖直放站屬于同頻放大設(shè)備，在基站與移動臺之間起到信號中繼轉(zhuǎn)發(fā)、增強射頻信號的作用，是保障路塹、山區(qū)、隧道等特殊地形環(huán)境下無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋的重要設(shè)備。GSM-R網(wǎng)絡(luò)依靠頻率復(fù)用來提高頻率利用率，而頻率復(fù)用常常會引發(fā)同頻或鄰頻的干擾。GSM-R頻帶窄、頻點少，復(fù)用難，而且在鐵路編組站、大型樞紐站等線路并行、交叉、匯合區(qū)段，以及山區(qū)、隧道、橋梁等特殊環(huán)境場景無線網(wǎng)覆蓋難度大，給GSM-R的建設(shè)帶來了不少困難，也導(dǎo)致GSM-R網(wǎng)絡(luò)通信質(zhì)量不良的情況在新建線路上經(jīng)常發(fā)生。鐵路運輸中通信質(zhì)量差不僅影響日常話務(wù)、調(diào)度命令傳送等業(yè)務(wù)，重載線路上還會影響組合列車聯(lián)控，同時也是高鐵線路上導(dǎo)致列車發(fā)生CTCS-3降級的主要原因。

鐵路采用的光纖模擬直放站的覆蓋方式容易在基站和直放站共同覆蓋區(qū)或同信源的幾個直放站的共同覆蓋區(qū)，由于同一信號源的不同發(fā)射設(shè)備的時延差值大，功率設(shè)置不合理，在移動終端處產(chǎn)生多徑干擾，多徑干擾實質(zhì)上是一種同頻干擾，是GSM-R系統(tǒng)中常見的一種干擾。有時還會由于基站間頻點設(shè)置不合理，產(chǎn)生鄰頻干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量惡化。下面主要以鐵路生產(chǎn)運輸中這兩種最常見的網(wǎng)內(nèi)干擾進行分析，并結(jié)合典型案例提出有效的解決方案及改進措施。

1 常見質(zhì)差類問題分析

1.1 同頻干擾分析

GSM-R系統(tǒng)中常見的同頻干擾主要是多徑干擾，這里主要以多徑干擾為研究對象說明同頻干擾對網(wǎng)絡(luò)的影響。GSM-R無線信號在傳播過程中受地形影響會以多條不同的路徑傳播，路徑不同、到達接收終端的時間也不同，這樣就造成了有用信號中摻有延遲到達的其他信號。GSM-R通信系統(tǒng)中，當主信號和多徑信號的時延差超過15 μs，兩信號功率比值小于12 dB時, 就會發(fā)生強烈的多徑干擾，直接影響到移動臺通話質(zhì)量,甚至產(chǎn)生掉話或呼叫失敗的情況。

列車在鐵路移動通信網(wǎng)覆蓋區(qū)段運行，移動臺發(fā)給基站的測量報告中攜帶了移動臺測定的時間，基站側(cè)負責監(jiān)聽呼叫到達的時間，然后在下行信道中向移動臺發(fā)送指令，提示移動臺需要提前發(fā)送的時間，以補償移動臺至基站之間的傳輸時間損耗，即時間提前量TA。TA取值為[0,63]的整數(shù)，TA值每增加1，時延增加3.7 μs。GSM-R信號在空間、光纖、漏纜中的傳播速度分別為3×108m/s、(3×108)×2/3 m/s、(3×108)×0.88 m/s，TA 增加 1，所對應(yīng)的移動臺與基站的傳播距離分別增加3.7×10-6×3×108/2=555 m、3.7×10-6×(2/3)×3×108/2=370 m、3.7×10-6×0.88×3×108/2 ≈ 488.4 m。

工程中，當某處存在時延差大于15 μs的多徑信號，即同信源相鄰發(fā)射機之間的TA跳變大于4時，可以通過改變多徑信號發(fā)射天線的方位角、俯仰角，或利用地形地貌阻隔干擾源信號，或降低多徑信號的發(fā)射功率等措施，控制多徑信號的覆蓋范圍，使問題地點主信號比多徑信號電平強12 dB以上，確保不發(fā)生多徑干擾。

1.2 鄰頻干擾分析

鄰頻干擾指與本小區(qū)所使用信號頻率相鄰或相近頻道的輻射功率和有用信號一起進入接收機引起的干擾。GSM-R網(wǎng)絡(luò)中大多是因為頻率規(guī)劃不合理、發(fā)射功率設(shè)置不當，導(dǎo)致鄰近小區(qū)中存在與本小區(qū)工作信道相鄰的信道，或是一些原因使得基站小區(qū)的覆蓋范圍超出了設(shè)計范圍，引起的干擾。鄰頻率干擾保護比是指在頻率復(fù)用模式下，相鄰頻率會對服務(wù)小區(qū)使用的頻率進行干擾，這兩個信號間的比值要求大于-6 dB。當列車運行區(qū)段兩個信號間的比值超出這個范圍時，移動臺通信質(zhì)量會迅速下降，此時就有可能產(chǎn)生掉話或通信中斷現(xiàn)象。

所以通常在鐵路通信系統(tǒng)中，規(guī)劃頻點時要盡量保證移動臺所在的小區(qū)不會有與本小區(qū)主用的頻點相同或鄰近頻點的信號覆蓋。如果存在同頻、鄰頻干擾等問題，可重新規(guī)劃頻率，對相關(guān)基站小區(qū)的工作頻點進行調(diào)整，優(yōu)化相關(guān)小區(qū)的參數(shù)，避免網(wǎng)內(nèi)干擾的發(fā)生。

2 典型質(zhì)差類案例分析

2.1 同頻干擾案例分析

瓦日線在開行萬噸試驗檢測車時發(fā)現(xiàn)機車在下行方向行駛至官子溝隧道和杜家莊1號隧道間的空曠地帶出現(xiàn)通信中斷。官子溝隧道和杜家莊1號隧道GSM-R無線信號分別由XX-PX01基站下掛的光纖模擬直放站XX-PX01/R1和XX-PX01/R2覆蓋。分析檢測車信令，發(fā)現(xiàn)機車在通信中斷位置出現(xiàn)上行7級質(zhì)差，對應(yīng)的電平值由-48 dBm降至-64 dBm，并且伴隨有測量報告丟失、TA跳變快且跳變幅度大于4TA的情況發(fā)生，如圖1所示。

為進一步確定引起通信中斷的原因，工區(qū)人員于天窗點內(nèi)，分別在K248+475、K248+580附近及兩隧道之間的空曠地帶進行呼叫測試。因為官子溝隧道、杜家莊1號隧道山勢高，且中斷地帶距離XXPX01基站較遠，可以排除基站天線對該地帶越區(qū)覆蓋的可能性。測試中，先后關(guān)閉R1、R2信號，接通狀態(tài)下在Abis接口監(jiān)測網(wǎng)管跟蹤信令，分析檢測得到的數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)關(guān)閉R2信號后，該處TA值處于4～5之間，上行電平值在-70 dBm附近波動；關(guān)閉R1信號后，該處TA值處于8～9之間，上行電平值在-65 dBm附近波動。

圖1 檢測車信令Fig.1 test car signaling

如圖2所示，結(jié)合圖2中R1、R2直放站與XX-PX01基站的連接情況，XX-PX01基站信號通過R1到達通信中斷位置的路徑為：先通過光纖將基站信號發(fā)射到R1后經(jīng)漏纜傳播至中斷帶，信號通過這條傳播路徑的TA值為(247.925-246.760)/0.37+(248.475-247.925)/0.488 4≈4；XX-PX01基站信號通過R2到達通信中斷位置的路徑為：先通過光纖將基站信號發(fā)射到R2后經(jīng)漏纜傳播至中斷帶，信號通過這條傳播路徑的TA值為(249.480-246.760)/0.37+(249.480-248.580)/0.488 4≈9，其中通過光纖傳播的部分TA值約為7，基站信號到達R2后通過漏纜傳播的部分TA值約為2。通過TA值判斷移動臺當前占用的信號來源。分析可知，關(guān)閉R1后，移動臺在檢測車通信中斷帶占用R2提供的信號，關(guān)閉R2后，移動臺在檢測車通信中斷帶占用R1提供的信號。兩個相鄰的信號覆蓋區(qū)域TA跳變大于4，同一信源的兩路信號電平差小于12 db。結(jié)合檢測車運行，機車運行至官子溝隧道和杜家莊1號隧道間的空曠地帶時，受到了來自R1、R2信號重疊覆蓋影響產(chǎn)生的多徑干擾，導(dǎo)致通信中斷。

圖2 信令中斷位置Fig.2 Signaling interrupt location

如果繼續(xù)使用光纖模擬直放站解決該地區(qū)的多徑干擾問題，只能采用在R1、R2之間增加直放站，減小切換帶TA差值、調(diào)整直放站發(fā)射功率的方法來避免多徑干擾。但是這種方案需對光纜重新割接，還要為增設(shè)的直放站新建機房，不僅工程量大，而且耗時耗力。數(shù)字直放站可以根據(jù)實際情況自主設(shè)定TA，調(diào)整發(fā)射功率，能有效避免多徑干擾。且工程量小，造價低，只需在原有網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)上將模擬直放站替換為數(shù)字直放站即可。針對瓦日線XX-PX01基站的R1至R2間機車閃斷問題，網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化過程中將XX-PX01下掛的模擬直放站替換為數(shù)字直放站，結(jié)合廠家給出的調(diào)整收發(fā)時延時一般要比直放站覆蓋區(qū)域最大的TA值略大的建議，對照XX-PX01基站下掛3個直放站的實際情況，為有效避免TA跳變情況的發(fā)生，將R1、R2 TA值設(shè)為19。再次跟蹤機車檢測信令，發(fā)現(xiàn)占用XX-PX01 TA跳變引發(fā)的多徑干擾現(xiàn)象消失，且上下行質(zhì)量都保持在1級以上，質(zhì)差問題得以解決，如圖3所示。

圖3 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況Fig.3 Network coverage after optimization

2.2 鄰頻干擾案例分析

機車在瓦日線南呂梁山隧道上行方向行駛經(jīng)由PX-LM02/R1向PX-LM01/R6的覆蓋區(qū)域切換時，發(fā)生了PX-LM02/R1信號占用異常中斷如圖4所示。結(jié)合施工圖紙及信令監(jiān)測網(wǎng)管進行分析，該地區(qū)PX-LM06的主B頻點為1003，分別為PX-LM02/R1、PX-LM01/R6提供從信源信號。PX-LM02主B頻點為1004，與PX-LM06頻點相鄰，在PX-LM02與PX-LM01的重疊覆蓋區(qū)，02基站的信號下降，06基站信號不變，在主頻信號比鄰頻信號小于6 db時，產(chǎn)生了鄰頻干擾，導(dǎo)致在切換帶位置PX-LM02電平陡降。

為消除該切換帶的異常中斷情況，將PX-LM02的BCCH頻點由1004改為1014。跟蹤后續(xù)列車接口監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)修改頻點后,機車由PX-LM02向PX-LM01切換正常，切換帶電平值能夠平滑過渡，質(zhì)差消失如圖5所示，鄰頻干擾消除，無線覆蓋良好，司機不再反映有中斷發(fā)生。

3 結(jié)語

影響 GSM-R無線網(wǎng)運用質(zhì)量的原因很多，常見的有網(wǎng)內(nèi)外無線頻率干擾、小區(qū)參數(shù)設(shè)置不當、小區(qū)間切換指標不合格、硬件設(shè)備故障、傳輸質(zhì)量差等因素。無線通信網(wǎng)絡(luò)發(fā)生質(zhì)差，首先要排查問題小區(qū)是否存在對通信質(zhì)量有影響的故障，網(wǎng)管查詢相關(guān)基站、直放站等區(qū)間設(shè)備近期的告警記錄，排查硬件故障，其次根據(jù)基站場強覆蓋測試結(jié)果，與歷史值對比分析，排查天饋劣化問題，通過接口監(jiān)測分析、現(xiàn)場測試等技術(shù)手段，對相關(guān)基站小區(qū)各項指標進行統(tǒng)計，分析各項指標是否異常，結(jié)合網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)狀、地形及相鄰基站信號覆蓋情況，分析導(dǎo)致問題發(fā)生的原因。

對于GSM-R網(wǎng)絡(luò)中同頻干擾的典型問題多徑干擾，可采用數(shù)字直放站、分布式基站代替模擬直放站，根據(jù)網(wǎng)絡(luò)存在的問題，及時調(diào)整參數(shù)，消除多徑時延，或剪除基站與直放站間的多余光纜，縮短二者連接長度，降低多徑時延帶來的影響，以此有效解決多徑干擾。鐵路尤其是山區(qū)地帶的鄰頻干擾多是由于施工期間頻率規(guī)劃不合理導(dǎo)致，可通過對相關(guān)基站小區(qū)的工作頻點重新調(diào)整，優(yōu)化相關(guān)基站小區(qū)的覆蓋范圍，做好頻率規(guī)劃和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化工作，統(tǒng)籌管理頻點來克服干擾。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)差分析及優(yōu)化可以有效提升小區(qū)及切換帶的服務(wù)質(zhì)量，提高GSM-R網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，確保網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量達標，保障列車行車秩序及鐵路運輸安全。

圖5 優(yōu)化后網(wǎng)絡(luò)覆蓋情況Fig.5 Network coverage after optimization