CTCS3-300T型ATP啟機GSM-R基站注冊錯選原因分析及對策措施

賈水生，李康標

合杭高鐵自2019年開通以來，圖定DJ8030次動車組擔當合肥南—含山南站區(qū)段的每日首次動檢工作，并在含山南站折返。由于在含山南站附近存在淮南線普速車站銅城閘站，這2個車站均有GSM-R通信基站，DJ8030次動車組在含山南站多次出現(xiàn)因錯選基站導(dǎo)致CTCS-3級無線通信超時（簡稱“C3無線通信超時”）（超時時間6～21 s）故障。本文通過電臺的數(shù)據(jù)記錄儀分析，結(jié)合相關(guān)試驗驗證，分析錯選基站的原因，并提出優(yōu)化方案，供相關(guān)部門參考。

1 問題描述

2021年3月5日6時16分，CRH380BL-3775的00端運行至商合杭線含山—巢湖東合杭場時發(fā)生無線通信超時，核心網(wǎng)回復(fù)為MT電臺起呼時小區(qū)選擇錯誤。該端電臺安裝有數(shù)據(jù)記錄儀裝置，分析數(shù)據(jù)記錄儀記錄，發(fā)現(xiàn)C3無線通信超時發(fā)生時刻，MT1電臺處于工作狀態(tài)。MT1電臺開機時注冊情況見圖1。

由圖1可知，ATP啟機后，MT1電臺在06：14：19：771占用43小區(qū)頻點1018，信號強度為-54 dBm。43小區(qū)為銅城閘GSM-R基站小區(qū)，MT1電臺沒有正常注冊到合杭高鐵的含山南GSM-R基站小區(qū)，即17小區(qū)。

MT1電臺異常釋放記錄見圖2。由圖2可知，在06：24：30，MT1電臺選擇到銅城閘GSM-R基站18小區(qū)頻點1014，信號強度為-48 dBm左右，而且此時1014信號最好，小區(qū)選擇正常，通信成功建立連接。在06：26：22占用18小區(qū)頻點1018，信號強度為-88 dBm，通信質(zhì)量持續(xù)7級質(zhì)量差，MT1電臺向網(wǎng)絡(luò)側(cè)發(fā)起正常的disconnect（斷開連接）消息，原因值為Normal call clearing（正常呼叫清除），造成C3無線通信超時［1］。

圖2 MT1電臺異常釋放

2 原因分析

根據(jù)CTCS3-300T（簡稱“300T”）列控設(shè)備MT電臺小區(qū)選擇說明，電臺開機后選擇最強廣播控制信道（Broadcast Control Channel，BCCH）小區(qū)進行注冊。但在實際運用中，存在電臺偶發(fā)小區(qū)選擇異常的現(xiàn)象，因此，通信側(cè)對電臺的小區(qū)選擇邏輯提出質(zhì)疑，認為電臺注冊小區(qū)與手機注冊小區(qū)選擇過程類似，優(yōu)先使用關(guān)機前存儲的BCCH進行注冊［2］。即MT電臺剛開機時，首先判斷內(nèi)部是否存儲先前留下的BCCH頻率表。如果有，則先掃描BCCH頻率表中所存儲的頻率是否可以有效駐留，若這些頻率均不符合條件，則重新搜索頻率，并建立當前的BCCH頻率表。在這種邏輯下，MT電臺將在3～5 s內(nèi)通過掃描各個頻點的場強來獲得每個頻點的平均電平（每個頻點至少采集5個測試樣點），然后從電平最高的頻點開始（全球移動通信系統(tǒng)GSM段掃描最強的30個頻點、數(shù)字通信系統(tǒng)DCS段掃描40個頻點）依次辨識BCCH頻道，一旦確定了BCCH頻道，將同步解析BCCH的信息［3］。

在含山南車站發(fā)生錯選基站的300T車載設(shè)備，其MT電臺啟機時BCCH頻道注冊是否存在上述機制需要進一步分析確認。

2.1 MT電臺小區(qū)選擇邏輯

當MT電臺開機時，立即請求接入GSM-R網(wǎng)絡(luò)，并從搜索到的小區(qū)中提取無線參數(shù)與系統(tǒng)消息，進行小區(qū)選擇。無線信道質(zhì)量是影響小區(qū)選擇的一個重要因素，GSM/GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）采用C1算法，即路徑損耗準則，只有C1＞0時，無線信道質(zhì)量才滿足MT電臺注冊的基本要求［4］。C1表達式為

式中：A為MT電臺接收的平均電平；B為MT電臺可以接入的最小電平；D為MT電臺控制信道最大發(fā)射功率；E為小區(qū)允許MT電臺接入系統(tǒng)的最大輸出功率［5］。

300T列控設(shè)備MT電臺開機后不會使用存在SIM卡里的BCCH頻點，而是快速搜索900 MHz頻段，按照GSM-R對應(yīng)的1000～1019頻點順序，選擇信號最強的BCCH，如果信號最強小區(qū)的通信有問題，電臺會嘗試同步次強小區(qū)。小區(qū)選擇流程見圖3。

圖3 小區(qū)選擇流程

2.2 實驗室仿真測試

在實驗室搭建300T列控設(shè)備MT電臺小區(qū)選擇邏輯仿真測試環(huán)境，見圖4。利用綜測儀A模擬西門子基站，利用綜測儀B模擬華為基站，采用有線方式通過合路器傳送到MT電臺，這樣可以避免空間存在的電磁干擾影響，從而確保測試結(jié)果準確。計算機通過專用測試軟件修改綜測儀的頻點等數(shù)據(jù)，并記錄測試數(shù)據(jù)，形成測試報告。

圖4 MT電臺小區(qū)選擇邏輯仿真測試環(huán)境

通過模擬2個相鄰GSM-R基站的開關(guān)機場景，驗證MT電臺開機是否按關(guān)機前使用過的小區(qū)頻點進行優(yōu)先選擇。此次模擬試驗場景前提為：西門子基站的發(fā)射功率大于華為基站發(fā)射功率。

2.2.1 測試案例1

測試環(huán)境：西門子基站1011頻點和1005頻點交替，強度約-36 dBm；華為基站1014頻點，強度約-77 dBm。試驗期間所有基站頻點信號強度維持不變。

測試過程：MT電臺開機并成功附著西門子基站網(wǎng)絡(luò)，在西門子基站處于1005頻點時，關(guān)閉MT電臺，然后修改西門子基站頻點為1011，MT電臺開機。

測試結(jié)果：現(xiàn)場測試15次，MT電臺開機后均占用西門子基站。

2.2.2 測試案例2

測試環(huán)境：西門子基站1005頻點，強度約-41 dBm；華為基站1014頻點，強度約-72 dBm。試驗期間所有基站頻點信號強度維持不變。

測試過程：MT電臺開機并成功附著西門子基站網(wǎng)絡(luò)，在西門子基站處于1005頻點時，關(guān)閉MT電臺，然后修改西門子基站頻點為1011，修改華為基站頻點為1005，MT電臺開機。

測試結(jié)果：現(xiàn)場測試5次，開機均占用西門子基站。

通過上述2種不同條件下的實驗室模擬測試，驗證300T列控設(shè)備的MT電臺開機后選擇信號最強小區(qū)進行注冊。

2.3 歷史數(shù)據(jù)分析

2022年10月24日，合肥電務(wù)段結(jié)合圖定DJ8030次動車組交路，采取人工驗證的方式進行分析，但未捕捉到錯選基站信息。通過回溯合肥電務(wù)段始發(fā)站單MT電臺注冊故障，發(fā)現(xiàn)有2起故障與車載MT電臺錯選GSM-R基站場景基本一致。

2021年1月27日G7293次（380BL-3785-00端）和2021年2月7日G7293次（380BL-3775-01端）到達淮蕭聯(lián)絡(luò)線終點站淮北站時，DMS（動態(tài)監(jiān)測系統(tǒng)）系統(tǒng)均出現(xiàn)單MT電臺報警，上述2列動車組均安裝有數(shù)據(jù)記錄儀。通過分析數(shù)據(jù)記錄儀數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，在幾乎同樣的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境下，雖然列控車載設(shè)備的MT1電臺和MT2電臺注冊前后存在對GSM-R信號質(zhì)量的不同要求，但是MT電臺都是選擇相同的最強BCCH小區(qū)進行注冊［6］，這是動車組實際運行中，MT電臺選擇信號最強小區(qū)進行注冊的2個有力證明。

綜上所述，根據(jù)300T列控設(shè)備的MT電臺小區(qū)選擇邏輯、實驗室仿真測試結(jié)果，以及合肥電務(wù)段歷史數(shù)據(jù)的綜合分析，可以得出300T列控設(shè)備的MT電臺開機后選擇最強小區(qū)進行注冊。鑒于此，MT電臺在開機后錯誤選擇GSM-R基站應(yīng)是地面通信原因造成。

3 對策措施

1）通信側(cè)調(diào)整基站場強［7］（方案一）。對于該問題，以往的處理方式是通信側(cè)調(diào)低銅城閘GSMR基站發(fā)送信號場強，拆除了1根天線，但由于銅城閘GSM-R基站還涉及淮南線普速線路，為了不影響淮南線普速線路機車的正常運行，銅城閘GSM-R基站的發(fā)送信號場強只能進行適當調(diào)整，所以MT電臺錯選GSM-R基站的場景始終存在。因此，此次通信側(cè)將含山南GSM-R基站的信號場強進行上調(diào)，對于DJ8030而言，合杭線含山南GSM-R基站比銅城閘GSM-R基站距離近、信號強，調(diào)整后，DJ8030未再發(fā)生因為錯選基站導(dǎo)致的C3無線通信超時。

2）避免在鄰線有基站的高速鐵路站場進行動車組換端［8］（方案二）。為徹底解決含山南錯選基站問題，提出將動檢車交路延長到蕪湖站。動車組正常運行時途經(jīng)區(qū)段的GSM-R小區(qū)切換均是小區(qū)引導(dǎo)式切換，不會發(fā)生錯選GSM-R基站的問題，而蕪湖站是大站場，周圍無相鄰其他基站。2022年12月26日，結(jié)合上海局集團公司“12.26”調(diào)圖，順利實現(xiàn)上述動檢交路的延長。截至目前，含山南站未再發(fā)生車載MT電臺錯選GSM-R基站導(dǎo)致的C3無線通信超時故障。

在此次含山南錯選基站的處理中，首先是通信側(cè)進行了基站場強的調(diào)整，調(diào)整2個月后結(jié)合調(diào)圖，將動檢交路延長至鄰線無基站的蕪湖站。

針對類似故障，在上述2個解決方案中，方案一雖然可以直接解決車載MT電臺錯選基站問題，但可能會受通信場景的客觀條件限制，如出現(xiàn)含山南GSM-R基站設(shè)備故障導(dǎo)致信號變?nèi)鯐r，或者銅城閘站GSM-R基站因人為調(diào)整不當導(dǎo)致信號變強時，仍存在相鄰GSM-R干擾的空間物理條件。方案二對運輸部門提出運行圖交路調(diào)整的要求，在極端情況下也可能存在交路不能延長的情況。進一步研究發(fā)現(xiàn)，可參考文獻［9］通過優(yōu)化C3無線通信超時邏輯，對于存在相鄰GSM-R干擾空間物理條件的情況，一定程度上可降低車載MT電臺對相鄰線路地面GSM-R基站小區(qū)的設(shè)置要求，從而避免類似含山南站因車載MT電臺錯選基站導(dǎo)致C3無線通信超時的問題。

4 結(jié)論

1）隨著中國高鐵線路的建設(shè)，鐵路路網(wǎng)必然會越來越密集，線路之間的相互影響會不斷顯現(xiàn)，容易出現(xiàn)GSM-R基站信號相互干擾問題［10］。本文針對含山南站多次出現(xiàn)錯選基站導(dǎo)致C3無線通信超時問題，結(jié)合現(xiàn)場數(shù)據(jù)與實驗室模擬驗證，定位故障應(yīng)是地面通信原因造成。

2）采取通信側(cè)調(diào)整基站場強，同時通過協(xié)調(diào)運輸部門延長交路，避免在鄰線有基站的高速鐵路站場進行動車組換端，有效解決了GSM-R基站信號相互干擾對動車組正常運行的影響。