沪昆高铁GSM-R直放站多径干扰优化简析

2019-03-04鲍节尔

铁路通信信号工程技术 2019年1期

鲍节尔

(中国铁路上海局集团有限公司上海通信段，上海 200434)

沪昆高铁设计时速350 km，其中上海局管内线路长292.7 km，隧道35座25.6 km，全线采用GSM-R系统[1]，提供CTCS-3级列车控制信息传输等功能。无线系统包含基站84个，采用单网交织覆盖方式；直放站[2-5]有23个近端机、64个远端机，基于冗余保护考虑，直放站均采用主、备、从方式设置。直放站的引入解决了隧道内的无线覆盖问题，但也给无线网络带来一定影响，特别是直放站区域的多径时延[6-8]干扰问题，在GSM-R网络日常维护中处理比较困难，是网络优化的难点。

1 直放站区域多径时延干扰相关基本概念

1.1 直放站原理

直放站是一种同频放大设备，基本功能是把基站的无线信号延伸放大到基站覆盖不到的弱场区，同时将移动终端的上行信号放大送往基站。目前在我国GSM-R系统中应用的直放站多为光纤直放站，主要用于隧道和车站站房覆盖。

光纤直放站系统由基站耦合器、光线直放站近端机、光缆、光纤直放站远端机、天线或漏缆等部分构成。光纤直放站的系统原理如图1所示。

图1 光纤直放站的系统原理Fig.1 The system principle of optical repeater

1.2 GSM-R光纤直放站单网交织冗余覆盖组网

对于采用单网交织冗余覆盖的线路，在隧道和路堑区域使用的光纤直放站也必须能够提供交织冗余覆盖的能力。为了提供交织覆盖，每个直放站远端机需要接入相邻两个BTS信号，合成的信号分别馈送至漏泄同轴电缆或天线。

GSM-R光纤直放站单网交织冗余覆盖方案如图2所示。

图2 SM-R光纤直放站单网交织冗余覆盖方案Fig.2 The redundancy coverage scheme of GSM-R optical repeater single network interleaving

1.3 TA值

在呼叫开始时，移动台发给基站的测量报告携带有移动台测量的时间，而基站监控呼叫到达的时间，并在下行信道上向移动台发送指令，指示移动台提前发送的时间，以补偿移动台至基站之间的传输时间损耗，这个时间就是时间提前量（Timing Advance，TA）。一个TA 的时长为3.7 μs，TA的取值范围是0～63，TA每增加1，意味着手机离开基站的距离增加约550 m（空间）。GSM规范要求均衡器应能处理时延高达15 μs左右的多径信号，15 μs约对应4比特周期（4 TA）,因此，TA值是判断是否存在多径时延干扰的重要参数值。

1.4 多径时延效应产生的原理

经过不同路径的多路信号到达某车载台的传播时间存在差异，路径的延长必然导致传播时间的延迟。时延扩展定义为最大传播时延和最小传播时延的差值，时延扩展是衡量多径传播信道质量的一个重要指标。

当时延多径差超过15 μs，多径间电平相差小于9 dB，工程上小于12 dB时，就会发生强烈的多径衰落，引发码间干扰，出现下行电平虽强但质量很差的现象，甚至导致下行质差掉话造成CTCS-3无线连接超时，或降级的情况发生。因此，在GSM网络优化时应尽量避免出现时延大于15 μs的多径信号。

下文主要讲一种列车高速运行时在直放站区段产生高TA导致的多径时延干扰实例。

2 多径时延干扰案例

沪昆高铁上下行多趟车次行驶至ZJ-YW10到ZJYW11区段，出现无线链路超时情况。无线链路超时会引起CTCS-3降级的发生，对行车安全带来一定的影响。当无线链路超时后，通常使用C3接口监测系统进行分析，通过接口监测系统可以查看上下行电平值、通话质量、TA值、邻区电平值、切换公里标、Abis口信令、A口信令、PRI口信令等重要信息。

2.1 问题描述

2.1.1 沪昆高铁下行方向运行列车

提取接口监测系统Abis口数据分析，超时问题发生时，均为切换后出现下行持续质差，然后导致掉话，如图3所示。

超时问题发生时，ZJ-YW10至ZJ-YW11切换公里标、切换前后TA进行统计，同时对比正常车次如下。

1）无论是超时还是正常车次，切换公里标均在K255+450附近。

2）正常车次切换后的TA≤10，而超时车次切换后的大部分是TA≥11。

图3 超时下行车次G1347 C3接口监测数据截图Fig.3 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime downward train number of G1347

根据统计数据分析，在K255+450附近存在一个TA≥11的多径信号，如果切换后占用该多径信号时会出现异常。

2.1.2 沪昆高铁上行方向运行列车

提取接口监测系统Abis口数据分析，超时问题发生时，均为切换后出现下行持续质差，然后导致掉话，如图4所示。

对超时问题发生时ZJ-YW11至ZJ-YW10切换公里标、切换前后TA进行统计，同时对比正常车次如下。

1）无论是超时还是正常车次，切换公里标均在K255+200附近。

2）正常车次切换后的TA≤5，而超时车次切换后大部分是TA≥7。

图4 超时上行车次G1662 C3接口监测数据截图Fig.4 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime upward train number of G1662

根据统计数据分析，在K255+200附近存在一个TA≥7的多径信号，如果切换后占用该多径信号会出现异常。

2.1.3 分析小结

此类多径干扰是由于切换后产生高TA导致，并且由于列车在高速运行过程中TA没有及时降至理想状态造成的。

2.2 问题排查

在处置初期，通过调整直放站主从信号强度、调整天线方位、降低重叠覆盖区信号强度等方法，均未解决沪昆高铁ZJ-YW10至ZJ-YW11区段上下行无线链路超时问题。为进一步查证原因，通过对Abis口数据结合竣工文件如图5所示判断多径来源，采用关闭天线、从信号等手段来观察多径来源判断是否正确，采用以下办法。接馈缆、ZJ-YW11/R1往K255＋757天线的连接馈缆。调整后，上下行方向均未出现超时现象，至此可以判断多径来源为直放站从信号。

3) 为进一步确定多径来源，仅关闭ZJYW10/R2、ZJ-YW11/R1的从信号时，上下行方向均出现超时现象；仅关闭ZJ-YW10/R1、ZJYW11/R2时，上行方向出现超时现象，下行方向未出现超时现象。

从上述试验可以发现，沪昆高铁ZJ-YW10至ZJ-YW11区段上下行无线链路超时问题是由于ZJ-YW10/R1、ZJ-YW10/R2、ZJ-YW11/R1、ZJ-YW11/R2直放站从信号引起的多径干扰。

2.3 优化调整

综上所述，该多径干扰问题是由于切换后产生高TA造成，可以尝试改变切换位置来避免产生高

图5 沪昆高铁ZJ-YW10到ZJ-YW11区段工程设计及位置示意图Fig.5 The schematic diagram of engineering design and location of section ZJ-YW10 to ZJ-YW11 of Shanghai-Kunming high-speed railway

1) 为了排查多径来源，先断开K255+596处至K255+757单立杆的连接缆、K255+077处至K254+739单立杆的连接缆，调整后上下行方向仍有超时现象；再断开K255+596处ZJ-YW11/R1的直放站天线、K255+077处ZJ-YW10/R2的直放站天线，调整后，上下行方向依然存在超时现象。至此可以排除直放站主信号之间产生的多径干扰问题。

2) 先后将该区段4个直放站的从信号全部关闭，恢复ZJ-YW11/R1和ZJ-YW10/R2处的直放站天线、 ZJ-YW10/R1往K254+739天线的连TA。

优化方案：将切换位置由ZJ-YW10/R2与ZJYW11/R1区间调整至ZJ-YW11/R2与ZJ-YW11宏基站区间(预计在K257附近)，通过翻转ZJYW11/R1、ZJ-YW11/R2的主从信号强度实现，具体操作如下：

1）恢复ZJ-YW10/R1和ZJ-YW11/R2从信号；

2）ZJ-YW11/R1和ZJ-YW11/R2主备信号增加16 dB光衰，从信号去除6 dB光衰，并在网管上提升从信号功率，完成主从信号翻转;

3）修改切换参数：ZJ-YW10至ZJ-YW11的“PBGT切换门限”由66改为68，“PBGT统计时间”由3改为6，“PBGT持续时间”由2改为4。