高铁GSM-R多径干扰典型案例及解决方案

曾祥兵

(1．北京全路通信信号研究设计院集团有限公司，北京 100070；2．北京市高速铁路运行控制系统工程技术研究中心，北京 100070)

1 概述

近些年我国铁路发展迅速，到2015年年底，我国铁路的营业里程达到121 000 km，这其中高速铁路占约19 000 km；预计到2020年，路网规模将达到150 000 km，其中高速铁路接近30 000 km，能够覆盖80%以上的大城市[1]。GSM-R数字移动通信系统网络是中国铁路建设不可或缺的组成部分，在承载列控信息传送及公务移动通信等方面发挥了巨大作用。山区、隧道GSM-R的覆盖主要采用光纤直放站方式，以杭昌高速铁路为例，杭州南至黄山北段线路全长265 km，全线基站仅新增44套，而新设直放站近端机49套，远端机213套。采用光纤直放站覆盖方式的一大隐患是在直放站和基站共同覆盖区，由于同一信号源的不同发射设备的时延差值较大，在移动终端处产生多径干扰，导致通信质量恶化，严重时影响列控系统应用。随着中西部地区铁路加快建设，消除多径干扰已成为GSM-R网络维护的重要工作内容。

2 多径干扰的形成

无线电波在传播过程中遇到建筑物、山脉、河流等，就会产生反射、绕射或散射，这样会造成到达接收点的电磁波存在多条不同的路径，这种现象称为多径传播。移动终端在基站的覆盖区域内工作时，它接收到的信号包含多个幅度随机、相位随机的多径信号。不同相位信号的叠加，会导致信号幅度的加强或削弱，产生快衰落现象。此外，由于各条路径的时延不同，信号沿着多条路径传播，会造成信号到达接收终端的时间不一样，因此会在有用信号中混有比它延迟到达的另一个信号，发生码间干扰。为了解决多径延时造成的码间干扰，GSM设备采用了自适应均衡技术，但接收机均衡器仅能处理时延不大于15 μs的多径信号[2]。在GSM-R的基站与直放站、以及直放站与直放站的重叠覆盖区域，如果不能控制好各发射源的覆盖电平，将会存在严重的多径干扰。

发生多径干扰必须同时具备如下两个条件。

1） 主信号和多径信号的时延差超过15μs；

2）主信号与多径信号的电平比（C/I）小于12 dB。

由此看出，多径干扰实质上是一种同频干扰。

3 多径干扰的解决办法

针对多径干扰的发生条件，可以从时延差和覆盖电平两个方面进行解决。

3.1 控制时延差不超过15 μs

多径干扰场景有多种，本文仅针对CTCS-3级列车控制线路（简称C3线路）典型的多径干扰场景进行分析，包括基站和直放站、直放站和直放站的重叠覆盖区域，下面进行计算分析。

1） 基站和直放站的重叠覆盖

典型的基站和直放站重叠覆盖方案如图1所示（重叠覆盖区域为空间波覆盖）。假设基站BTS和直放站远端机之间的直线距离是D，移动终端A与基站和直放站的距离分别是D1和D2。由于线路比较平直，假设D=D1+D2。

图1 典型的基站和直放站重叠覆盖Fig.1 Typical solution of base station and repeater

GSM-R信号在空中的传播速率约为3×108m/s，则信号在空中单位长度传输所需要时间为3.3 μs/km。同样地，信号在光纤和漏缆内单位长度传输所需要时间分别为 5 μs/km、3.79 μs/km[4]。

移动终端A同时收到基站BTS和直放站远端机发射的信号，分别为：

BTS空间波信号到达A点的时延：

BTS射频信号经光纤直放站、光纤和空间到达A点的时延：

其中：Dr为直放站设备引起的系统时延，宽带直放站取值1 μs，声表面滤波直放站取值5 μs。[5]

光纤时延Df＝D×5 μs

两路信号到达A点的时延差，公式（2）-（1）：

由公式（3）可知，随着移动终端远离基站，即D1变大时，Tr变小，Tb变大，因此ΔT变小。对于CTCS-3级列控线路，半数站时基站至直放站间依靠直放站覆盖，因此实际上直放站的空间覆盖电平较高，也就是说做到A点位于线路上设计覆盖的任何一点时均不存在ΔT大于15 μs。故当D1=0时，式（3）恒成立，此时D有极大值：

宽带直放站：Dmax≤1.68 km；

声表面滤波宽带直放站：Dmax≤1.20 km。

当A位于图1中基站BTS左侧或直放站远端机右侧时，两路信号所增加的空中传播时延相互抵消，因此只要基站与直放站之间的距离D小于等于Dmax，那么移动终端在区间线路的任何位置上，两路信号到达移动台的时延差都不会超过15 μs。在实际的工程项目中，因为光缆敷设有迂回或盘留、基站设备均衡处理的能力需要留有余量，所以设计阶段应适当缩小基站与直放站之间的距离。

对于非C3线路，由于不涉及传送列控业务数据，对QoS要求较为宽松，且不需要考虑冗余覆盖，当基站与直放站中间有阻挡，能较好的控制直放站信号覆盖区域时，可以适当拉远基站与直放站的间距。

2）直放站和直放站的重叠覆盖

直放站和直放站的重叠覆盖方案主要包括两种场景，即空间波覆盖和漏缆覆盖。两种场景的时延计算与上述基站和直放站的重叠覆盖类似，而且直放站系统时延相互抵消，因此直放站和直放站的间距与直放站设备类型无关，计算结果如下：

a. 空间波覆盖

当D1=0时，D≤1.80 km。

b. 漏缆覆盖

当D1=0时，D≤1.70 km。

从以上计算结果看出，同信源的直放站与直放站间距设计也应重点考虑多径干扰。但是也可以发现，如果人为增加Tr2的基准时延，可以增加D值。从公式（4）、（5）得到，当人为增加Tr2的基准时延至Tr1的基准时延，此时仍是当D1=0时，D取得极大值。空间波和漏缆覆盖时，D值分别为4.5 km、4.0 km。数字直放站和分布式基站就是通过调整收发时延，使得共小区的站间距可增大至4 km以上而不产生多径干扰。

实际工作中，可以通过网络Abis接口测试报告的定时提前量（Time Advanced，TA）值来判断信号的时延情况。TA是实现自适应帧同步的重要参数，每增加一个步长相当于基站与移动台之间的传播径路空中增加约0.55 km，或光纤增加0.37 km。

3.2 C/I大于12 dB

多径干扰实质上是一种同频干扰，同频载干比C/I（主信号/多径信号）大于12 dB以上时，即使存在多径信号系统也可正常工作。实际工程中，当某处存在时延差大于15 μs的多径信号时，可以通过改变多径信号发射天线的方位角、俯仰角，或利用地形地貌阻隔多径信号，或降低多径信号的发射功率等措施，控制多径信号的覆盖范围，达到该处主信号比多径信号电平强12 dB以上，确保不发生多径干扰。

4 典型案例

下面介绍两个典型案例及其解决方案。

案例1 光缆迂回敷设过长。

1） 现象

K1092附近在联调联试期间多次出现严重通信质量差，同时该处TA值变化太快，如图2所示。

2） 分析原因

查看设计方案，该处属于并线区段，本线新设直放站远端机需要接入既有的近端机/基站。经了解，施工单位为了不征用路外土地，光缆从近端机/基站沿既有铁路敷设到很远的两条铁路线相近隧道口处才迂回至本线新设远端机R14，导致两者间的光缆长度达5.4 km，如图3所示。

3）整改措施

图2 案例1服务小区通话质量及TA测试图Fig.2 Rx quality and TA measurement of serving cell in case 1

图3 近端机/基站至直放站远端机光缆敷设径路图Fig.3 Route map of cable between MU/BTS and RU

重新选择最短径路，使近端机/基站至远端机R14的光缆长度为1.7 km。根据前文的计算结果，该长度可能会在基站处形成多径干扰，因此同时还压低了R14的发射功率及其天线俯仰角。

案例2直放站间距过大。

1） 现象

K1562处在联调联试期间多次出现连接丢失，如图4所示。

2） 分析

查看设计方案，该处位于直放站WYSB-WYSD03/ R2与R3间， 如图5所示。两者间距2.7 km，远远超过前文的计算结果，因而在两个远端机重叠覆盖的区域产生干扰。从综合检测车测试情况也可以明显看出，该区段TA值变化太快，如图6所示。

图4 案例2服务小区通话质量图Fig.4 Rx quality of serving cell in case 2

图5 GSM-R无线子系统构成图Fig.5 BSS composition diagram of GSM-R

3） 整改措施

适当增加WYSB-WYSD03/R2基准时延，使WYSB-WYSD03/R2、R3之间的TA差值减小。需要注意的是，WYSB-WYSD03/R2基准时延提高后，它与相近的WYSB-WYSD03/R1、WYSB-WYSD03基站的时延差值超过标准范围，因此需要同步提高WYSB-WYSD03/R1的基准时延；而WYSB-WYSD03基站无法人为提高其基准时延，只能将WYSB-WYSD03基站的天线连接改为终端负载。

图6 调整前服务小区TA图Fig.6 TA of serving cell before adjustment

图7 调整后服务小区TA图Fig.7 TA of serving cell after adjustment

本工程中，由于没有合适长度的光纤，仅给WYSB-WYSD03/R1和R2分别增加2.3 km光纤，两个直放站TA值增加到7（1个TA在光纤传播距离为370 m），R2与R3两路信号TA差值减小为3，如图7所示。

4） 效果

增加光纤后，多径干扰得到抑制，该区间通信质量明显改善，质量控制在4级以内，如图8所示。

图8 调整后服务小区通信质量图Fig.8 Communication quality of serving cell after adjustment

5 多径干扰排查及处理方法

多径干扰的排查及处理，包括发现问题、分析问题、现场测试及处理、验证及保障等方面。

发现问题：通过网管分析、测试和事件报告发现通信质量差、指标不合格、无线通信超时等情况，及时发现多径干扰。

分析问题：查看Abis接口数据TA值，对比正常车次与异常车次TA值差异，查阅设计系统图，推算异常TA的发射源。

现场测试及处理：

1）在发生质量差的地方，将所有设备开启，用测试手机测试到质差现象；

2）锁定占用该基站的BCCH频点，单独开启可能在该区域存在覆盖的发射源（必要时应给基站安装终端负载），测试在此处的信号强度、服务质量以及TA值；

3）开启正常覆盖的基站/直放站，锁定占用该基站的BCCH频点，逐个开启其它发射源，测试在此处的信号强度、服务质量以及TA值；

4）根据测试的信号强度、服务质量以及TA值，确定干扰源；

5）调整干扰源的覆盖电平或TA；

6）测试调整后该干扰源覆盖区域的信号强度和服务质量，确保达标。

验证及保障：由于测试手机与车上移动终端的应用有较大差别，调整后应安排第二天添乘及网管盯控，发生问题及时回退。

6 建设及维护建议

在工程建设及维护中，针对多径干扰问题建议采取以下措施解决：

1) 设计是源头，从设计方案上尽量避免多径干扰的发生；

2) 优化近端机/基站至远端机光缆敷设径路，尽量控制光缆长度在1.6 km以内；

3) 增加相应远端机光纤长度，使得同信源相邻远端机之间的TA差值控制在4以内；

4) 调整直放站主从关系，把多径干扰区段改为切换区；

5) 改变干扰源发射天线的方位角、俯仰角，利用地形地貌阻隔干扰源信号，或降低干扰源信号的发射功率等措施，确保问题地点主信号比多径信号电平强12 dB以上；

6) 采用数字直放站/分布式基站。

7 结束语

根据中长期铁路网规划，我国山区、隧道GSM-R的建设越来越多，所采用的光纤直放站覆盖方式存在的多径干扰将给建设和维护带来更多挑战。目前部分工程已经开始采用分布式基站或数字直放站等新的技术设备，这将有利于解决多径干扰问题，但还需经过现场测试及工程实践的检验，并总结工程经验，为更好地解决多径干扰问题，建设、运营可靠的GSM-R网络提供参考。