影響GSM-R無線運用質量指標的問題分析

鄭和民 上海鐵路局上海通信段

影響GSM-R無線運用質量指標的問題分析

鄭和民 上海鐵路局上海通信段

以大量現場實例，從無線覆蓋、無線干擾、硬件維護等角度重點分析了GSM-R系統運用質量下降的主要原因，對GSM-R系統的規劃、調測以及維護中遇到的問題進行了剖析，以利于進一步提高GSM-R系統的運用質量。

GSM-R；運用質量；簡析BTS實現了無線冗余覆蓋。缺點：投資成本比單網要高；對服務質量有一定影響（切換數量增加）；需要較多的站址；無線參數設置比單網復雜。主要運用于承載C3列控業務的線路。

圖2 單網交織覆蓋模型

隨著我國高速鐵路的不斷建設發展，列車運行的速度也不斷提高，鐵路原有的無線通信模式已經不能滿足高速鐵路運用需求，高速鐵路網絡化、智能化、綜合化的行車調度指揮系統需要高度可靠、高度安全、快速接入的鐵路綜合數字移動通信網絡，以及透明、雙向、大容量的車-地信息傳輸平臺。鐵路綜合數字移動通信系統（GSM-R）是在GSM蜂窩系統的基礎上增加了調度通信功能，特別運行速度在300公里/小時的線路上，GSM-R系統還承載著C3無線列控業務，通信在鐵路運輸生產中的作用也越來越重要。

1.1.3 雙網覆蓋無線網絡

雙網覆蓋網絡模型如圖3所示，完全重疊覆蓋方式，每個地點上有兩個獨立網絡的信號覆蓋。每層網各由一套BSC控制，形成雙層無線覆蓋。優點：全系統冗余。缺點：投資高；無線參數設置復雜。主要運用于承載列控、機車同步操控業務的線路，目前僅在青藏線、大秦線有運用。

圖3 雙網覆蓋模型

1 無線覆蓋

1.1 我國鐵路現網無線覆蓋基本現狀

根據線路等級不同，對通信可靠性的要求也不同，GSMR網絡覆蓋方式可分為單網覆蓋、單網交織覆蓋和雙網覆蓋。

1.1.1 單網覆蓋無線網絡

單網覆蓋的模型如圖1所示，它的優點是低成本、無線參數易于設置、最有效的利用頻率、需要最少的站址。缺點：一旦某BTS故障，其服務區域將不提供業務，將會產生無線覆蓋盲區。主要運用于非承載C3列控業務的線路。

圖1 單網覆蓋模型

1.1.2 單網交織覆蓋無線網絡

單網交織覆蓋無線網絡模型如圖2所示，某一基站發出的信號覆蓋到兩側各兩個基站的位置。這種設置的優點：

1.2 特殊區域的無線覆蓋

1.2.1 交叉區段的覆蓋

指兩條GSM-R線路交叉區域。兩條線的無線覆蓋由一個或兩個BSC控制，滿足交叉區域的場強覆蓋。

1.2.2 樞紐地區無線覆蓋

鐵路樞紐地區是多條鐵路的交匯點，話務量大，無線覆蓋受城市樓群的遮擋變得極為復雜，網絡建設時也缺少樞紐地區的統籌考慮，多線不同制式設備在樞紐無區匯集，造成樞紐地區的頻率規劃困難、無線參數復雜、部分區域優化困難。

（1）多線交叉區域的基站互有鄰區關系，且在該區域場強覆蓋較強，切換點位置相距很近，稍有不慎會造成基站相鄰小區切換錯誤，引起C3降級，影響運輸秩序。

（2）鐵路GSM-R系統上行采用885 M--889 M頻段，下行采用930 M-930 M頻段，僅有4 M頻段的帶寬，可用頻點只有19個。而在交叉區域、接近區域的基站頻點設置既要考慮單網交織，又要考慮同頻、鄰頻干擾的問題，頻率規劃十分困難。

（3）樞紐地區一般為人口集中的大城市，各移動運營商基站分布稠密，互調信號非常復雜，GSM-R無線環境的清頻工作難度很大。

（4）各線GSM-R建設有時間先后，但均需要保證無線指標，測試、優化、驗證的工作量也非常艱巨。

1.2.3 高鐵站房下覆蓋

高鐵車站站臺區域多采用無柱鋼質雨棚，GMS-R無線信號在正上方的穿透損耗一般在10 dBm-15 dBm，特大型站場由于候車大廳整體位于其上方，會導致站房下場強很弱，當高鐵列車通過站區時會引起乒乓切換、連接丟失等導致CSD指標不合格的情況發生。

2 問題分析及解決方案

影響GSM-R無線運用質量指標主要是由于無線場強覆蓋的強度、無線頻率的干擾、小區間切換指標的不合格等因素引起。無線場強覆蓋強度相對簡單，場強多高于指標規定要求，現場發生概率極低，在此不做討論。下面從系統內頻率干擾、系統外頻率干擾、小區切換等方面做一闡述。

2.1 系統內頻率干擾

GSM－R系統內可能存在同頻干擾、鄰頻干擾。

同頻干擾是指在一定的范圍內使用相同頻率進行復用而產生的干擾。GSM移動臺的同頻干擾信號不高于有用信號9 dB。為了滿足這一條件，必須確保兩個使用相同頻率的基站間有足夠的空間距離。

鄰頻干擾是來自相鄰的或相近的頻道干擾,相近頻道可以是相隔幾個或幾十個頻道。GSM移動臺的鄰頻干擾(C/A)性能要求:在城市環境下 (有多徑快衰落但運動速度不高),分別在200 kHz鄰頻存在不高于有用信號9 dB的GSM干擾信號,400 kHz鄰頻存在不高于有用信號41 dB的GSM干擾信號,600 kHz鄰頻存在不高于有用信號49 dB的GSM干擾信號,此時的誤碼率可以滿足要求。

目前，由于GSM-R頻點數較少，鄰頻間隔一般保證400 kHz，同頻間隔單網覆蓋區段采用的8頻組配置，單網交織區段一般采用的6頻組配置，遇有大站或兩條GSM-R線路平行接近時也會采用5頻組或4頻組配置。多線交匯或平行的線路及區域，為保證無線覆蓋指標，目前多采用調整天線俯仰角、更換窄波瓣寬度天線、降低基站發射功率等方法，縮短無線覆蓋范圍，減少來自系統內的頻率干擾。另外也采用頻率互換的方式，以盡可能減少同頻、鄰頻干擾。所謂頻率互換，即對于距離相近、頻率配置相同或相近的兩個基站，將其中一個基站的BCCH與TCH互換，并在網絡中將兩個基站設置為語音和數據業務優先使用BCCH，這種配置在區間話務量低的區域效果較好。個別困難區域，可采用分布式基站的方式，解決由于頻率規劃困難、直放站時延色散引起的運用質量問題。

2.2 系統外頻率干擾

系統外干擾主要是CDMA網絡和GSM網絡對GSM-R的干擾。中國電信CDMA的運行頻段為:上行825 MHz～840 MHz,下行870 MHz～885 MHz。CDMA的下行頻段與GSM-R的上行頻段比較接近,如果站址選擇及網絡規劃不當,有可能對GSM-R造成干擾。具體表現為:①CDMA發射機的邊帶雜散噪聲落入GSM-R接收帶內;②當2個或2個以上載頻通過GSM-R上行非線性器件時將發生互調干擾,一般只考慮3階,其余高階可忽略不計。該類干擾信號的特點是具有穩定性。

中國移動GSM900M頻段范圍為:889 MHz～909 MHz(上行)、934 MHz～954 MHz(下行),與GSM-R頻段安全相鄰，可對GSM-R網絡產生以下幾類干擾。

（1）同頻干擾。所有落在接收機通帶內的與有用信號頻率相同的無用信號的干擾,也稱為同信道干擾。這些無用信號與有用信號一樣在超外差接收機中經放大變頻而落入中頻通帶內,因此只要在接收機輸入端存在同頻干擾,接收系統就無法濾除和抑制。

（2）鄰頻干擾。來自相鄰或相近頻道的干擾,是由發射機的帶外輻射和接收機共同作用而且發射機的輻射功率為一個帶寬而非單頻,因此其在鄰道的輻射功率可以和有用信號一起進入接收機。鄰道干擾有兩個方面:一是由于工作頻帶緊隨的若干頻道的寄生邊帶功率、寬帶噪聲、雜散輻射等產生的干擾;二是一組空間離散的鄰近工作頻道引入的干擾。

（3）互調干擾。當有多個不同頻率的信號加到非線性器件上時,將產生許多組合頻率信號,其中的一部分可能落到接收機中頻通帶內,成為對有用信號的干擾。三階互調的頻率接近或等于主信號頻率，對通信的影響最大，其也是我們重點關注的。

互調產生的原因有三方面：發射機互調、接收機互調和外部效應引起的互調。

發射機互調是由于基站在多個載波同時工作時，因合路器系統的隔離度不夠而導致信號相互耦合，干擾信號侵入發射機末級功放，從而與有用信號之間合成互調產物，并隨有用信號發射，造成干擾。

接收機互調主要是由接收機接收多個無線信號，由高級放以及第一混頻電路的非線性引起互調產物。

外部效應引起的互調主要是由于發射機饋線、高頻濾波器等無源電路接觸不良，以及由于異種金屬的接觸部分非線性等原因，使強電場的發散信號引起互調，產生干擾源。

目前，對GSM-R系統影響最大的是互調干擾，基本為發射互調、接收互調。根據我們現場多次排查，解決互調干擾的基本方法為：

①在移動運營商基站射頻口加裝帶通濾波器，抑制互調信號的發射。

②調整GSM-R沿線移動運營商基站的頻點，根據計算，使用絕對頻道號為50以上的頻點，使三階互調信號的頻點沒有落在GSM-R頻帶內。

③降低沿線移動運營商基站的發射功率，以減低互調電平，使其不至于落入有源器件的非線性區。

④在車載語音和數據模塊上加裝帶通濾波器，從根本上抑制接收互調

2.3 小區間切換

GSM-R移動臺在通話中由一個服務小區到另外一個服務小區的過程稱為切換。GSM系統采用的是硬切換，也即在切換過程中有一次很短暫的中斷，對于語音業務影響不大，但對于CSD業務就是一次數據丟包或誤碼，嚴重的可能會造成C3降級。下面從多線交匯區域、大型站房覆蓋等場景對如何優化小區切換指標做一簡述。

2.3.1 多線交匯區域

（1）通過調整各基站間的無線場強覆蓋范圍，優化小區間切換點，保證切換間隔滿足GSM規范和CSD指標要求。具體調整方法在前文已介紹。

（2）通過網管調整切換判決門限、回切時間等指標，對小區切換點小幅度地優化，直到能夠滿足指標。

2.3.2 大型站房覆蓋

（1）雨棚覆蓋站場股道，基站天線位于站房廣場區域的中間部位。此種覆蓋下，在站房正下方的場強將比其相鄰區域要低10 dBm-15 dBm，一般會導致乒乓切換。解決方案：將相鄰兩個基站的功率降低或調整切換門限、回切時間等，來優化切換點的位置。

（2）雨棚覆蓋站場股道，基站天線位于站房區域的一側。此種覆蓋下，在站房另一側，由于候車大廳及雨棚的遮擋，場強要低約25 dBm-30 dBm，會造成切換區域的不均衡，影響CSD傳輸無錯誤時間。如另一側增加直放站，在考慮減少時延色散的情況下，需對直放站采用單面定向覆蓋，同時降低或關閉施主基站一側的無線信號。

（3）候車大廳位于站場股道上方，基站天線位于站房中間或一側位置，雨棚下至少在兩側采用直放站定向覆蓋方式。此種方式可以解決乒乓切換、連接丟失等問題，但是應該要注意直放站的覆蓋范圍不宜與施主基站重疊太多，即使有重疊，也應保證同頻載干比至少大于12 dB。

（4）候車大廳位于站場股道上方，兩側距雨棚邊沿1公里左右分別設置基站1個，站房下采用直放站主從方式分別連接兩個基站。此種方式可有效解決乒乓切換、連接丟失等問題，尤其適用于中間站雨棚下覆蓋。

3 結論

GSM-R系統在無線側的規劃、維護等方面需注意如下幾點：

3.1 無線場強覆蓋方面

（1）樞紐地區、交叉并線區段宜采用分布式基站進行覆蓋，避免同、鄰頻干擾，提高該區域的GSM-R無線運用質量。

（2）遇有高鐵車站鋼結構雨棚遮擋時，基站不宜設置在車站，宜在車站兩側約1 km附近設置基站，減少或避免站下黑和多徑效應產生的無線質量下降。特大型車站應考慮在雨棚邊緣處設置直放站，直放站宜采用向內的單面天線，減少時間色散的發生。

（3）線路特別復雜區域的頻率規劃應采用多種方式混合使用，如降低功率、調整天線覆蓋、頻率分層等。

3.2 避免無線干擾方面

（1）做好頻率規劃和網絡優化工作，克服網內干擾。

（2）在當地無委會的支持下，加強與沿線移動運營商的協調，對存在發射互調的基站要加裝濾波器或更換設備；移動公司盡可能不用50號以內的小頻點，并適當降低功率。

（3）GSM-R基站選址時，應盡可能的距離移動運營商基站近一些，減少接收互調引起的C/I降低和大功率引起的阻塞干擾。

（4）鐵路技術標準制定部門應對車載無線通信設備（包括MT）廠家提出要求，采取措施，使終端模塊僅工作在GSMR頻段范圍內。

[1]邵汝峰、蔣笑冰．鐵路移動通信系統[M]．北京．中國鐵道出版社．2011：104246-251.

[2]時虎等.TZ 341－2007．鐵路GSM-R數字移動通信工程施工技術指南．北京．中國鐵道出版社．2010：58-61.

[3]吳克非,中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南[M].北京:中國鐵道出版社,2008.

[4]胡昌桂、劉建宇．GSM-R移動通信系統的干擾分析及解決方法[J].鐵路通信信號工程技術．2006.第3卷第2期：35-38.

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-11-10