重載鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急處置策略研究

王文帥

(國能朔黃鐵路發(fā)展有限責(zé)任公司，河北肅寧 062350)

LTE(Long Term Evolution)是一種基于3GGP的通用移動通信系統(tǒng)技術(shù)，2004年，LTE概念正式提出，經(jīng)過需求討論、標(biāo)準(zhǔn)研究和標(biāo)準(zhǔn)制定3個階段，最終形成國際通用標(biāo)準(zhǔn)。LET技術(shù)的推廣及應(yīng)用大幅提升了移動通信業(yè)務(wù)的用戶體驗，相較于3G，LTE不僅具有更高的通信速率和頻帶利用率，同時還具有網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)簡單、系統(tǒng)部署靈活及網(wǎng)絡(luò)時延低等優(yōu)點。根據(jù)雙工方式不同，LTE可分為TDD-LTE和FDD-LTE兩種制式。相較于FDD，TDD-LET具有多項優(yōu)勢：①配置頻率靈活，使用FDD系統(tǒng)不易使用的零散頻段；②可以通過調(diào)整上下行時隙轉(zhuǎn)換點，提高下行時隙比例，并支持非對稱業(yè)務(wù)；③具有上下行信道一致性，基站的接收和發(fā)送可共用部分射頻單元。經(jīng)過不斷發(fā)展和完善，TDD-LTE技術(shù)已廣泛應(yīng)用于民用移動通信領(lǐng)域。

2014年9月，LTE寬帶無線移動通信系統(tǒng)在朔黃鐵路正式上線運行，采用TDD-LTE制式，工作頻率為1 785～1 795 MHz。承載業(yè)務(wù)涉及列車運行的實時性數(shù)據(jù)和非實時性數(shù)據(jù)，主要包括重載列車機(jī)車同步、可控列尾、調(diào)度通信、調(diào)度命令、無線車次號校驗等，見表1。

表1 朔黃鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)承載業(yè)務(wù)

LTE-R網(wǎng)絡(luò)采用共站址雙網(wǎng)絡(luò)冗余覆蓋，在設(shè)計、建設(shè)階段，均以保障網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力完好率、優(yōu)質(zhì)率為首要目標(biāo)。已有學(xué)者開展相關(guān)研究，岳彩青以LTE網(wǎng)絡(luò)與PSTN、調(diào)度語言系統(tǒng)的對接方式、協(xié)議應(yīng)用及適配為研究對象，認(rèn)為行車語言調(diào)度業(yè)務(wù)在LTE網(wǎng)絡(luò)中十分重要[1]；胡躍華分析朔黃鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)承載應(yīng)用業(yè)務(wù)的擴(kuò)展方法和具體流程[2]；梁軼群等以RRU共小區(qū)、接入網(wǎng)共享為研究對象，提出一種LTE-R網(wǎng)絡(luò)冗余組網(wǎng)技術(shù)，在網(wǎng)絡(luò)規(guī)劃設(shè)計方面充分考慮了網(wǎng)絡(luò)安全性[3]；韓瑞峰分析朔黃鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)常見故障的恢復(fù)處理方法[4]；趙留俊等以無線射頻鏈路預(yù)算作為基本方法，給出不同場景下的隧道覆蓋方案[5]。

以往研究多集中于LTE網(wǎng)絡(luò)建設(shè)、業(yè)務(wù)應(yīng)用研究及常見故障處理等方面，當(dāng)網(wǎng)絡(luò)運維階段發(fā)生設(shè)備故障影響無線覆蓋，導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力下降(缺失)時，傳統(tǒng)的故障處理難以滿足要求。因此，以提升故障應(yīng)急處置效率為目的，進(jìn)行應(yīng)急處置策略研究很有必要。

1 LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景與故障類型

鑒于LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)在重載鐵路行車業(yè)務(wù)中的重要作用，當(dāng)其發(fā)生故障且短時間不能恢復(fù)時，勢必引起線路堵塞，導(dǎo)致運輸秩序混亂[6-7]。為了將這種影響減少到最小，應(yīng)遵循“先通后復(fù)”的原則，以最短時間恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)運行。根據(jù)故障應(yīng)急處置效率對LTE-R網(wǎng)絡(luò)故障進(jìn)行分類，以判別是否采用應(yīng)急處置方式恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)。故障應(yīng)急處置效率EoEH定義如下，即

(1)

其中，Tp為預(yù)計故障處理時長；Ts為應(yīng)急處置設(shè)置時長。

當(dāng)EoEH≤1時，表示故障具備短時間恢復(fù)的條件，不需要采用應(yīng)急處置方式，可按照普通故障處理程序，有序恢復(fù)網(wǎng)絡(luò)；當(dāng)EoEH>1時，表示故障不具備短時間恢復(fù)的條件，需立即采取應(yīng)急處置方式，以滿足行車業(yè)務(wù)需求。

由故障應(yīng)急處置效率可以看出，把握處置時機(jī)，并形成有效聯(lián)動機(jī)制，是增強(qiáng)故障應(yīng)急策略實用性的關(guān)鍵。因此，需要對LTE網(wǎng)絡(luò)無線覆蓋場景和網(wǎng)絡(luò)故障類型等信息進(jìn)行梳理和分類。

1.1 LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)覆蓋場景分析

鐵路LTE無線網(wǎng)絡(luò)屬于典型線性組網(wǎng)模式，其沿途地貌和氣候條件復(fù)雜，海拔落差大，涉及覆蓋場景種類多[8]。根據(jù)朔黃重載鐵路LTE組網(wǎng)情況，重點對LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)在平原覆蓋和山區(qū)覆蓋的典型場景進(jìn)行分析。

(1)平原覆蓋

平原覆蓋多集中于平原地區(qū)，地勢平坦空曠，建筑物較稀疏。無線覆蓋采用在鐵路一側(cè)安裝四角鐵塔，天線安裝在鐵塔上，分別覆蓋上、下行方向。站間距平均為3 km，車站之間基本為直線，個別段落為曲線(彎度在10°以內(nèi))，天線采用18 dbi增益、65°水平波瓣，見圖1。

圖1 典型的平原覆蓋場景

(2)山區(qū)覆蓋

山區(qū)覆蓋場景主要集中于丘陵地區(qū)，地形復(fù)雜，橋隧相連，溝壑交匯，且鐵路組網(wǎng)呈帶狀。漏泄同軸電纜(漏纜)可有效保證隧道、橋梁、溝壑及高路塹地段的場強(qiáng)需求。漏纜系統(tǒng)主要包括：漏纜、電橋、避雷器、直流阻斷器、跳線等器件。

山區(qū)覆蓋場景中，漏纜敷設(shè)成本及施工難度均較大，如在橋梁上或高路塹地段架設(shè)漏纜。在兩隧道口之間無法進(jìn)行漏纜覆蓋時，一般通過在隧道口位置增設(shè)尾巴天線的方式，來實現(xiàn)無線場強(qiáng)的覆蓋，見圖2。

圖2 典型的漏纜覆蓋場景示意

1.2 LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)故障類型分析

造成LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)故障的原因較多，如核心網(wǎng)系統(tǒng)、傳輸系統(tǒng)、電源、無線系統(tǒng)等異常均可導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)故障。根據(jù)場景分析，導(dǎo)致LTE-R網(wǎng)絡(luò)短時間不能恢復(fù)的故障，主要集中在無線系統(tǒng)側(cè)，因此，應(yīng)重點分析這類故障，以有效提升故障應(yīng)急處置效率。

(1)基站設(shè)備故障

基站設(shè)備故障通常指基站主設(shè)備故障導(dǎo)致的無線網(wǎng)絡(luò)中斷，其中包括基站BBU設(shè)備、RRU設(shè)備故障等。根據(jù)朔黃LTE網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)情況，當(dāng)1個BBU設(shè)備發(fā)生故障時，將導(dǎo)致該設(shè)備連接的2～3個RRU基站的網(wǎng)絡(luò)無法提供正常業(yè)務(wù)承載服務(wù)，影響范圍達(dá)9～12 km，影響面較大；當(dāng)RRU設(shè)備故障時，該設(shè)備覆蓋范圍內(nèi)無法提供正常服務(wù)，影響范圍為2～3 km，影響范圍相對較小[9]。

(2)鐵塔及天線故障

平原覆蓋場景中，鐵塔及塔上天饋系統(tǒng)作為重要的無線射頻信號收發(fā)承載實體，是共站址雙網(wǎng)覆蓋的公共單元，若該部分發(fā)生故障，將嚴(yán)重影響該場景下的無線場強(qiáng)。天線故障包括高駐波、天線主體損壞(雷擊、器件老化)等，鐵塔故障包括受外力損壞、傾斜度劣化、倒塌等[10]。

(3)漏纜系統(tǒng)故障

漏纜系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，將嚴(yán)重影響漏纜無線射頻信號的傳播，出現(xiàn)信號場強(qiáng)傳播中斷、信號傳輸衰減過大等現(xiàn)象，導(dǎo)致漏纜無線覆蓋場強(qiáng)出現(xiàn)弱覆蓋、信號場強(qiáng)抖變、覆蓋空洞等問題，造成車載設(shè)備無法入網(wǎng)、故障區(qū)段切換失敗、上下行吞吐率降低等異常[11-12]。

常見的漏纜系統(tǒng)故障如下。

①漏纜受外力擠壓，造成破損、折斷、彎曲半徑超限等導(dǎo)致的高駐波、高信號傳輸損耗；

②跳線、電橋、避雷器、直流阻斷器等主要器件發(fā)生損壞或性能下降，導(dǎo)致高駐波、高信號傳輸損耗；

③漏纜、漏纜接頭等處進(jìn)水，導(dǎo)致高駐波、高信號傳輸損耗；

④附屬尾巴天線故障。

2 LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急處置策略

基于重載鐵路LTE無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用場景及網(wǎng)絡(luò)故障類型分析，需根據(jù)不同應(yīng)用場景及故障類型進(jìn)行針對性的策略分析，從而進(jìn)一步完善現(xiàn)場應(yīng)急處置恢復(fù)作業(yè)措施。

2.1 模塊化LTE應(yīng)急基站應(yīng)用策略

當(dāng)發(fā)生重大LTE基站故障，如機(jī)房塌陷損毀、火災(zāi)、隧道內(nèi)機(jī)房滲水、滲液等，LTE基站內(nèi)的無線設(shè)備、傳輸設(shè)備、電源設(shè)備不能短時間內(nèi)恢復(fù)，故障應(yīng)急效率遠(yuǎn)大于1時，可采用模塊化LTE應(yīng)急基站作為應(yīng)急處置手段，在短時間內(nèi)為故障基站覆蓋區(qū)段提供有力保障，將大大壓縮網(wǎng)絡(luò)中斷延時。

2.2 RRU級聯(lián)策略

在漏纜覆蓋場景中，若兩個基站間的漏纜由于某種原因?qū)е聡?yán)重?fù)p壞無法短時間內(nèi)完成修復(fù)，或需要進(jìn)行漏纜更換時，可通過在級聯(lián)RRU上連接周期性對數(shù)天線來解決故障區(qū)域的覆蓋，RRU級聯(lián)進(jìn)行信號補強(qiáng)示意見圖3。

圖3 RRU級聯(lián)進(jìn)行信號補強(qiáng)示意

2.3 天線調(diào)整策略

平原覆蓋場景單一，LTE基站出現(xiàn)故障導(dǎo)致無線網(wǎng)絡(luò)中斷時，可通過調(diào)整中斷基站上、下行方向最近的相關(guān)基站天線下傾角、方位角等工程參數(shù)，解決由于基站中斷造成的覆蓋空洞，從而保證LTE-R系統(tǒng)場強(qiáng)連續(xù)覆蓋。天線工程參數(shù)調(diào)整策略以無線網(wǎng)絡(luò)設(shè)計場強(qiáng)覆蓋冗余為基礎(chǔ)，在保證無線業(yè)務(wù)正常承載的前提下，達(dá)到補強(qiáng)覆蓋盲區(qū)最大化[13]，見圖4。

圖4 基站有效覆蓋范圍示意

天線工程參數(shù)調(diào)整應(yīng)以不影響基站自身覆蓋區(qū)域場強(qiáng)性能為前提。天線調(diào)整策略應(yīng)在日常維護(hù)中完成制定，而非應(yīng)急處置時臨時動議。該策略以大量日常網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，以基站越區(qū)信號強(qiáng)度(即基站A信號在基站B至基站C區(qū)間內(nèi)的場強(qiáng))為參考，在完成有效GIS仿真后，合理確定基站天線下傾角調(diào)整幅度，并逐一分析補強(qiáng)信號強(qiáng)度，制定相關(guān)基站天線調(diào)整方案，見圖5。

圖5 補強(qiáng)信號場強(qiáng)GIS仿真示意

在進(jìn)行天線調(diào)整前，需對所調(diào)整基站天線的工程參數(shù)進(jìn)行詳細(xì)記錄，以便完成故障處理后的工參復(fù)原。天線下傾角調(diào)整時應(yīng)優(yōu)先進(jìn)行天線電子下傾角調(diào)整，當(dāng)電子下傾角調(diào)整無法滿足實際需求時，再考慮機(jī)械下傾角調(diào)整。

2.4 軟參調(diào)整策略

軟參調(diào)整作為上述幾種應(yīng)急策略的補充，可快速有效地實施。軟參調(diào)整策略的制定應(yīng)以現(xiàn)網(wǎng)場強(qiáng)覆蓋及業(yè)務(wù)應(yīng)用為前提，以大量的日常網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試數(shù)據(jù)為依據(jù)，在完成有效的GIS仿真后，再確定具體的調(diào)整量。主要調(diào)整軟參有參考信號功率和切換參數(shù)兩類[14]。

(1)參考信號功率

該參數(shù)表示每個物理天線的小區(qū)參考信號的功率值，該值的設(shè)置將影響基站發(fā)射功率。參數(shù)設(shè)置需要綜合多方面因素，既要保證覆蓋與容量平衡，又要保證信道估計的有效性，還要保證對干擾的合理控制。

該參數(shù)對無線網(wǎng)絡(luò)性能的影響如下。

①覆蓋：該參數(shù)設(shè)置過大會造成越區(qū)覆蓋，對其他小區(qū)造成干擾；參數(shù)設(shè)置過小，會造成覆蓋不足，出現(xiàn)盲區(qū)。

②干擾：由于受周圍小區(qū)干擾的影響，該參數(shù)設(shè)置也會不同，干擾大的地方需要留出更大的干擾余量。

③信道估計：該參數(shù)設(shè)置會影響信道估計，參數(shù)越大，信道估計精度越高，解調(diào)門限越低，接收機(jī)靈敏度越高，對鄰區(qū)干擾也越大。

④容量：參數(shù)越大，覆蓋越好，但用于數(shù)據(jù)傳輸?shù)墓β试叫?，會造成系統(tǒng)容量的下降。

基站發(fā)射功率由參考信號功率參數(shù)決定，同時受RRU物理硬件性能影響。當(dāng)通過調(diào)整參考信號功率來補強(qiáng)因基站設(shè)備故障造成的覆蓋盲區(qū)時，需調(diào)整相鄰基站的參考信號功率，犧牲部分系統(tǒng)容量來提升基站覆蓋半徑，減少覆蓋盲區(qū)。

(2)切換參數(shù)

切換參數(shù)主要包括小區(qū)級切換參數(shù)和鄰區(qū)級切換參數(shù)。

小區(qū)級切換參數(shù)包括同頻切換幅度遲滯、同頻切換偏置、同頻切換時間遲滯3類，當(dāng)基站發(fā)生故障，可切換相鄰兩基站的小區(qū)級參數(shù)，如將同頻切換幅度遲滯、同頻切換偏置、同頻切換時間遲滯3個參數(shù)調(diào)小，使小區(qū)切換更加容易，以保障故障基站兩相鄰小區(qū)的切換成功率[15]。

鄰區(qū)級切換參數(shù)主要包括小區(qū)偏移量，該參數(shù)為鄰區(qū)級參數(shù)，僅對鄰區(qū)關(guān)系所涉及的兩個小區(qū)生效。用于控制同頻測量事件發(fā)生的難易程度和切換次數(shù)，當(dāng)基站發(fā)生故障時，可將相鄰基站鄰區(qū)的小區(qū)偏移量增大，提升同頻測量和切換次數(shù)，提升故障基站相鄰的鄰區(qū)切換成功率。

小區(qū)級、鄰區(qū)級切換參數(shù)區(qū)別主要在于生效對象、生效范圍不同，見圖6。小區(qū)級切換參數(shù)和鄰區(qū)級切換參數(shù)對比見表2。

圖6 小區(qū)級、鄰區(qū)級參數(shù)生效范圍示意

表2 小區(qū)級、鄰區(qū)級參數(shù)對照

3 LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急處置效果評估原則

LTE-R無線網(wǎng)絡(luò)應(yīng)急處置措施實施完成后，需要對其效果進(jìn)行評估，以驗證無線網(wǎng)絡(luò)對業(yè)務(wù)的承載能力。從網(wǎng)管驗證、撥打測試、優(yōu)化驗證3個方面驗證網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載服務(wù)能力。

(1)網(wǎng)管告警驗證

涉及基站設(shè)備應(yīng)急措施、天饋連接等作業(yè)完成后，需要LTE-R網(wǎng)管側(cè)對相關(guān)設(shè)備、硬件進(jìn)行告警核查，確認(rèn)所有涉及的網(wǎng)元、設(shè)備無告警。

(2)業(yè)務(wù)終端撥打測試

在應(yīng)急處置實施區(qū)間，利用業(yè)務(wù)終端進(jìn)行撥打測試，重點驗證通話接通情況、通話清晰情況。

(3)網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試驗證

在確認(rèn)網(wǎng)元、設(shè)備無告警后，需要對應(yīng)急處置實施區(qū)間進(jìn)行無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試，采集網(wǎng)絡(luò)性能指標(biāo)并分析，以驗證無線業(yè)務(wù)承載能力[16]。網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化測試項、測試內(nèi)容及指標(biāo)要求見表3。

表3 網(wǎng)絡(luò)測試內(nèi)容

4 結(jié)論

為提升重載鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)故障應(yīng)急處置效率，依據(jù)重載鐵路LTE網(wǎng)絡(luò)組網(wǎng)模型，通過對影響無線覆蓋、導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)業(yè)務(wù)承載能力下降(缺失)的設(shè)備故障進(jìn)行分析，提出架設(shè)模塊化基站、設(shè)置級聯(lián)RRU、調(diào)整相鄰基站天饋參數(shù)、調(diào)整相鄰小區(qū)軟參等應(yīng)急處置策略，并給出應(yīng)急處置效果評估原則。通過朔黃重載鐵路實際應(yīng)用，驗證所提策略對LTE網(wǎng)絡(luò)故障快速恢復(fù)切實有效，并有助于提高LTE-R網(wǎng)絡(luò)的可靠性和穩(wěn)定性。