影响GSM-R无线运用质量指标的问题分析

2016-03-28郑和民上海铁路局上海通信段

上海铁道增刊 2016年4期

关键词：雨棚站房基站

郑和民上海铁路局上海通信段

郑和民上海铁路局上海通信段

以大量现场实例，从无线覆盖、无线干扰、硬件维护等角度重点分析了GSM-R系统运用质量下降的主要原因，对GSM-R系统的规划、调测以及维护中遇到的问题进行了剖析，以利于进一步提高GSM-R系统的运用质量。

GSM-R；运用质量；简析BTS实现了无线冗余覆盖。缺点：投资成本比单网要高；对服务质量有一定影响（切换数量增加）；需要较多的站址；无线参数设置比单网复杂。主要运用于承载C3列控业务的线路。

图2 单网交织覆盖模型

随着我国高速铁路的不断建设发展，列车运行的速度也不断提高，铁路原有的无线通信模式已经不能满足高速铁路运用需求，高速铁路网络化、智能化、综合化的行车调度指挥系统需要高度可靠、高度安全、快速接入的铁路综合数字移动通信网络，以及透明、双向、大容量的车-地信息传输平台。铁路综合数字移动通信系统（GSM-R）是在GSM蜂窝系统的基础上增加了调度通信功能，特别运行速度在300公里/小时的线路上，GSM-R系统还承载着C3无线列控业务，通信在铁路运输生产中的作用也越来越重要。

1.1.3 双网覆盖无线网络

双网覆盖网络模型如图3所示，完全重叠覆盖方式，每个地点上有两个独立网络的信号覆盖。每层网各由一套BSC控制，形成双层无线覆盖。优点：全系统冗余。缺点：投资高；无线参数设置复杂。主要运用于承载列控、机车同步操控业务的线路，目前仅在青藏线、大秦线有运用。

图3 双网覆盖模型

1 无线覆盖

1.1 我国铁路现网无线覆盖基本现状

根据线路等级不同，对通信可靠性的要求也不同，GSMR网络覆盖方式可分为单网覆盖、单网交织覆盖和双网覆盖。

1.1.1 单网覆盖无线网络

单网覆盖的模型如图1所示，它的优点是低成本、无线参数易于设置、最有效的利用频率、需要最少的站址。缺点：一旦某BTS故障，其服务区域将不提供业务，将会产生无线覆盖盲区。主要运用于非承载C3列控业务的线路。

图1 单网覆盖模型

1.1.2 单网交织覆盖无线网络

单网交织覆盖无线网络模型如图2所示，某一基站发出的信号覆盖到两侧各两个基站的位置。这种设置的优点：

1.2 特殊区域的无线覆盖

1.2.1 交叉区段的覆盖

指两条GSM-R线路交叉区域。两条线的无线覆盖由一个或两个BSC控制，满足交叉区域的场强覆盖。

1.2.2 枢纽地区无线覆盖

铁路枢纽地区是多条铁路的交汇点，话务量大，无线覆盖受城市楼群的遮挡变得极为复杂，网络建设时也缺少枢纽地区的统筹考虑，多线不同制式设备在枢纽无区汇集，造成枢纽地区的频率规划困难、无线参数复杂、部分区域优化困难。

（1）多线交叉区域的基站互有邻区关系，且在该区域场强覆盖较强，切换点位置相距很近，稍有不慎会造成基站相邻小区切换错误，引起C3降级，影响运输秩序。

（2）铁路GSM-R系统上行采用885 M--889 M频段，下行采用930 M-930 M频段，仅有4 M频段的带宽，可用频点只有19个。而在交叉区域、接近区域的基站频点设置既要考虑单网交织，又要考虑同频、邻频干扰的问题，频率规划十分困难。

（3）枢纽地区一般为人口集中的大城市，各移动运营商基站分布稠密，互调信号非常复杂，GSM-R无线环境的清频工作难度很大。

（4）各线GSM-R建设有时间先后，但均需要保证无线指标，测试、优化、验证的工作量也非常艰巨。

1.2.3 高铁站房下覆盖

高铁车站站台区域多采用无柱钢质雨棚，GMS-R无线信号在正上方的穿透损耗一般在10 dBm-15 dBm，特大型站场由于候车大厅整体位于其上方，会导致站房下场强很弱，当高铁列车通过站区时会引起乒乓切换、连接丢失等导致CSD指标不合格的情况发生。

2 问题分析及解决方案

影响GSM-R无线运用质量指标主要是由于无线场强覆盖的强度、无线频率的干扰、小区间切换指标的不合格等因素引起。无线场强覆盖强度相对简单，场强多高于指标规定要求，现场发生概率极低，在此不做讨论。下面从系统内频率干扰、系统外频率干扰、小区切换等方面做一阐述。

2.1 系统内频率干扰

GSM－R系统内可能存在同频干扰、邻频干扰。

同频干扰是指在一定的范围内使用相同频率进行复用而产生的干扰。GSM移动台的同频干扰信号不高于有用信号9 dB。为了满足这一条件，必须确保两个使用相同频率的基站间有足够的空间距离。

邻频干扰是来自相邻的或相近的频道干扰,相近频道可以是相隔几个或几十个频道。GSM移动台的邻频干扰(C/A)性能要求:在城市环境下 (有多径快衰落但运动速度不高),分别在200 kHz邻频存在不高于有用信号9 dB的GSM干扰信号,400 kHz邻频存在不高于有用信号41 dB的GSM干扰信号,600 kHz邻频存在不高于有用信号49 dB的GSM干扰信号,此时的误码率可以满足要求。

目前，由于GSM-R频点数较少，邻频间隔一般保证400 kHz，同频间隔单网覆盖区段采用的8频组配置，单网交织区段一般采用的6频组配置，遇有大站或两条GSM-R线路平行接近时也会采用5频组或4频组配置。多线交汇或平行的线路及区域，为保证无线覆盖指标，目前多采用调整天线俯仰角、更换窄波瓣宽度天线、降低基站发射功率等方法，缩短无线覆盖范围，减少来自系统内的频率干扰。另外也采用频率互换的方式，以尽可能减少同频、邻频干扰。所谓频率互换，即对于距离相近、频率配置相同或相近的两个基站，将其中一个基站的BCCH与TCH互换，并在网络中将两个基站设置为语音和数据业务优先使用BCCH，这种配置在区间话务量低的区域效果较好。个别困难区域，可采用分布式基站的方式，解决由于频率规划困难、直放站时延色散引起的运用质量问题。

2.2 系统外频率干扰

系统外干扰主要是CDMA网络和GSM网络对GSM-R的干扰。中国电信CDMA的运行频段为:上行825 MHz～840 MHz,下行870 MHz～885 MHz。CDMA的下行频段与GSM-R的上行频段比较接近,如果站址选择及网络规划不当,有可能对GSM-R造成干扰。具体表现为:①CDMA发射机的边带杂散噪声落入GSM-R接收带内;②当2个或2个以上载频通过GSM-R上行非线性器件时将发生互调干扰,一般只考虑3阶,其余高阶可忽略不计。该类干扰信号的特点是具有稳定性。

中国移动GSM900M频段范围为:889 MHz～909 MHz(上行)、934 MHz～954 MHz(下行),与GSM-R频段安全相邻，可对GSM-R网络产生以下几类干扰。

（1）同频干扰。所有落在接收机通带内的与有用信号频率相同的无用信号的干扰,也称为同信道干扰。这些无用信号与有用信号一样在超外差接收机中经放大变频而落入中频通带内,因此只要在接收机输入端存在同频干扰,接收系统就无法滤除和抑制。

（2）邻频干扰。来自相邻或相近频道的干扰,是由发射机的带外辐射和接收机共同作用而且发射机的辐射功率为一个带宽而非单频,因此其在邻道的辐射功率可以和有用信号一起进入接收机。邻道干扰有两个方面:一是由于工作频带紧随的若干频道的寄生边带功率、宽带噪声、杂散辐射等产生的干扰;二是一组空间离散的邻近工作频道引入的干扰。

（3）互调干扰。当有多个不同频率的信号加到非线性器件上时,将产生许多组合频率信号,其中的一部分可能落到接收机中频通带内,成为对有用信号的干扰。三阶互调的频率接近或等于主信号频率，对通信的影响最大，其也是我们重点关注的。

互调产生的原因有三方面：发射机互调、接收机互调和外部效应引起的互调。

发射机互调是由于基站在多个载波同时工作时，因合路器系统的隔离度不够而导致信号相互耦合，干扰信号侵入发射机末级功放，从而与有用信号之间合成互调产物，并随有用信号发射，造成干扰。

接收机互调主要是由接收机接收多个无线信号，由高级放以及第一混频电路的非线性引起互调产物。

外部效应引起的互调主要是由于发射机馈线、高频滤波器等无源电路接触不良，以及由于异种金属的接触部分非线性等原因，使强电场的发散信号引起互调，产生干扰源。

目前，对GSM-R系统影响最大的是互调干扰，基本为发射互调、接收互调。根据我们现场多次排查，解决互调干扰的基本方法为：

①在移动运营商基站射频口加装带通滤波器，抑制互调信号的发射。

②调整GSM-R沿线移动运营商基站的频点，根据计算，使用绝对频道号为50以上的频点，使三阶互调信号的频点没有落在GSM-R频带内。

③降低沿线移动运营商基站的发射功率，以减低互调电平，使其不至于落入有源器件的非线性区。

④在车载语音和数据模块上加装带通滤波器，从根本上抑制接收互调

2.3 小区间切换

GSM-R移动台在通话中由一个服务小区到另外一个服务小区的过程称为切换。GSM系统采用的是硬切换，也即在切换过程中有一次很短暂的中断，对于语音业务影响不大，但对于CSD业务就是一次数据丢包或误码，严重的可能会造成C3降级。下面从多线交汇区域、大型站房覆盖等场景对如何优化小区切换指标做一简述。

2.3.1 多线交汇区域

（1）通过调整各基站间的无线场强覆盖范围，优化小区间切换点，保证切换间隔满足GSM规范和CSD指标要求。具体调整方法在前文已介绍。

（2）通过网管调整切换判决门限、回切时间等指标，对小区切换点小幅度地优化，直到能够满足指标。

2.3.2 大型站房覆盖

（1）雨棚覆盖站场股道，基站天线位于站房广场区域的中间部位。此种覆盖下，在站房正下方的场强将比其相邻区域要低10 dBm-15 dBm，一般会导致乒乓切换。解决方案：将相邻两个基站的功率降低或调整切换门限、回切时间等，来优化切换点的位置。

（2）雨棚覆盖站场股道，基站天线位于站房区域的一侧。此种覆盖下，在站房另一侧，由于候车大厅及雨棚的遮挡，场强要低约25 dBm-30 dBm，会造成切换区域的不均衡，影响CSD传输无错误时间。如另一侧增加直放站，在考虑减少时延色散的情况下，需对直放站采用单面定向覆盖，同时降低或关闭施主基站一侧的无线信号。

（3）候车大厅位于站场股道上方，基站天线位于站房中间或一侧位置，雨棚下至少在两侧采用直放站定向覆盖方式。此种方式可以解决乒乓切换、连接丢失等问题，但是应该要注意直放站的覆盖范围不宜与施主基站重叠太多，即使有重叠，也应保证同频载干比至少大于12 dB。

（4）候车大厅位于站场股道上方，两侧距雨棚边沿1公里左右分别设置基站1个，站房下采用直放站主从方式分别连接两个基站。此种方式可有效解决乒乓切换、连接丢失等问题，尤其适用于中间站雨棚下覆盖。