滬昆高鐵GSM-R直放站多徑干擾優化簡析

鮑節爾

(中國鐵路上海局集團有限公司上海通信段，上海 200434)

滬昆高鐵設計時速350 km，其中上海局管內線路長292.7 km，隧道35座25.6 km，全線采用GSM-R系統[1]，提供CTCS-3級列車控制信息傳輸等功能。無線系統包含基站84個，采用單網交織覆蓋方式；直放站[2-5]有23個近端機、64個遠端機，基于冗余保護考慮，直放站均采用主、備、從方式設置。直放站的引入解決了隧道內的無線覆蓋問題，但也給無線網絡帶來一定影響，特別是直放站區域的多徑時延[6-8]干擾問題，在GSM-R網絡日常維護中處理比較困難，是網絡優化的難點。

1 直放站區域多徑時延干擾相關基本概念

1.1 直放站原理

直放站是一種同頻放大設備，基本功能是把基站的無線信號延伸放大到基站覆蓋不到的弱場區，同時將移動終端的上行信號放大送往基站。目前在我國GSM-R系統中應用的直放站多為光纖直放站，主要用于隧道和車站站房覆蓋。

光纖直放站系統由基站耦合器、光線直放站近端機、光纜、光纖直放站遠端機、天線或漏纜等部分構成。光纖直放站的系統原理如圖1所示。

圖1 光纖直放站的系統原理Fig.1 The system principle of optical repeater

1.2 GSM-R光纖直放站單網交織冗余覆蓋組網

對于采用單網交織冗余覆蓋的線路，在隧道和路塹區域使用的光纖直放站也必須能夠提供交織冗余覆蓋的能力。為了提供交織覆蓋，每個直放站遠端機需要接入相鄰兩個BTS信號，合成的信號分別饋送至漏泄同軸電纜或天線。

GSM-R光纖直放站單網交織冗余覆蓋方案如圖2所示。

圖2 SM-R光纖直放站單網交織冗余覆蓋方案Fig.2 The redundancy coverage scheme of GSM-R optical repeater single network interleaving

1.3 TA值

在呼叫開始時，移動臺發給基站的測量報告攜帶有移動臺測量的時間，而基站監控呼叫到達的時間，并在下行信道上向移動臺發送指令，指示移動臺提前發送的時間，以補償移動臺至基站之間的傳輸時間損耗，這個時間就是時間提前量（Timing Advance，TA）。一個TA 的時長為3.7 μs，TA的取值范圍是0～63，TA每增加1，意味著手機離開基站的距離增加約550 m（空間）。GSM規范要求均衡器應能處理時延高達15 μs左右的多徑信號，15 μs約對應4比特周期（4 TA）,因此，TA值是判斷是否存在多徑時延干擾的重要參數值。

1.4 多徑時延效應產生的原理

經過不同路徑的多路信號到達某車載臺的傳播時間存在差異，路徑的延長必然導致傳播時間的延遲。時延擴展定義為最大傳播時延和最小傳播時延的差值，時延擴展是衡量多徑傳播信道質量的一個重要指標。

當時延多徑差超過15 μs，多徑間電平相差小于9 dB，工程上小于12 dB時，就會發生強烈的多徑衰落，引發碼間干擾，出現下行電平雖強但質量很差的現象，甚至導致下行質差掉話造成CTCS-3無線連接超時，或降級的情況發生。因此，在GSM網絡優化時應盡量避免出現時延大于15 μs的多徑信號。

下文主要講一種列車高速運行時在直放站區段產生高TA導致的多徑時延干擾實例。

2 多徑時延干擾案例

滬昆高鐵上下行多趟車次行駛至ZJ-YW10到ZJYW11區段，出現無線鏈路超時情況。無線鏈路超時會引起CTCS-3降級的發生，對行車安全帶來一定的影響。當無線鏈路超時后，通常使用C3接口監測系統進行分析，通過接口監測系統可以查看上下行電平值、通話質量、TA值、鄰區電平值、切換公里標、Abis口信令、A口信令、PRI口信令等重要信息。

2.1 問題描述

2.1.1 滬昆高鐵下行方向運行列車

提取接口監測系統Abis口數據分析，超時問題發生時，均為切換后出現下行持續質差，然后導致掉話，如圖3所示。

超時問題發生時，ZJ-YW10至ZJ-YW11切換公里標、切換前后TA進行統計，同時對比正常車次如下。

1）無論是超時還是正常車次，切換公里標均在K255+450附近。

2）正常車次切換后的TA≤10，而超時車次切換后的大部分是TA≥11。

圖3 超時下行車次G1347 C3接口監測數據截圖Fig.3 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime downward train number of G1347

根據統計數據分析，在K255+450附近存在一個TA≥11的多徑信號，如果切換后占用該多徑信號時會出現異常。

2.1.2 滬昆高鐵上行方向運行列車

提取接口監測系統Abis口數據分析，超時問題發生時，均為切換后出現下行持續質差，然后導致掉話，如圖4所示。

對超時問題發生時ZJ-YW11至ZJ-YW10切換公里標、切換前后TA進行統計，同時對比正常車次如下。

1）無論是超時還是正常車次，切換公里標均在K255+200附近。

2）正常車次切換后的TA≤5，而超時車次切換后大部分是TA≥7。

圖4 超時上行車次G1662 C3接口監測數據截圖Fig.4 Screenshot of C3 interface monitoring data of overtime upward train number of G1662

根據統計數據分析，在K255+200附近存在一個TA≥7的多徑信號，如果切換后占用該多徑信號會出現異常。

2.1.3 分析小結

此類多徑干擾是由于切換后產生高TA導致，并且由于列車在高速運行過程中TA沒有及時降至理想狀態造成的。

2.2 問題排查

在處置初期，通過調整直放站主從信號強度、調整天線方位、降低重疊覆蓋區信號強度等方法，均未解決滬昆高鐵ZJ-YW10至ZJ-YW11區段上下行無線鏈路超時問題。為進一步查證原因，通過對Abis口數據結合竣工文件如圖5所示判斷多徑來源，采用關閉天線、從信號等手段來觀察多徑來源判斷是否正確，采用以下辦法。接饋纜、ZJ-YW11/R1往K255＋757天線的連接饋纜。調整后，上下行方向均未出現超時現象，至此可以判斷多徑來源為直放站從信號。

3) 為進一步確定多徑來源，僅關閉ZJYW10/R2、ZJ-YW11/R1的從信號時，上下行方向均出現超時現象；僅關閉ZJ-YW10/R1、ZJYW11/R2時，上行方向出現超時現象，下行方向未出現超時現象。

從上述試驗可以發現，滬昆高鐵ZJ-YW10至ZJ-YW11區段上下行無線鏈路超時問題是由于ZJ-YW10/R1、ZJ-YW10/R2、ZJ-YW11/R1、ZJ-YW11/R2直放站從信號引起的多徑干擾。

2.3 優化調整

綜上所述，該多徑干擾問題是由于切換后產生高TA造成，可以嘗試改變切換位置來避免產生高

圖5 滬昆高鐵ZJ-YW10到ZJ-YW11區段工程設計及位置示意圖Fig.5 The schematic diagram of engineering design and location of section ZJ-YW10 to ZJ-YW11 of Shanghai-Kunming high-speed railway

1) 為了排查多徑來源，先斷開K255+596處至K255+757單立桿的連接纜、K255+077處至K254+739單立桿的連接纜，調整后上下行方向仍有超時現象；再斷開K255+596處ZJ-YW11/R1的直放站天線、K255+077處ZJ-YW10/R2的直放站天線，調整后，上下行方向依然存在超時現象。至此可以排除直放站主信號之間產生的多徑干擾問題。

2) 先后將該區段4個直放站的從信號全部關閉，恢復ZJ-YW11/R1和ZJ-YW10/R2處的直放站天線、 ZJ-YW10/R1往K254+739天線的連TA。

優化方案：將切換位置由ZJ-YW10/R2與ZJYW11/R1區間調整至ZJ-YW11/R2與ZJ-YW11宏基站區間(預計在K257附近)，通過翻轉ZJYW11/R1、ZJ-YW11/R2的主從信號強度實現，具體操作如下：

1）恢復ZJ-YW10/R1和ZJ-YW11/R2從信號；

2）ZJ-YW11/R1和ZJ-YW11/R2主 備 信 號增加16 dB光衰，從信號去除6 dB光衰，并在網管上提升從信號功率，完成主從信號翻轉;

3）修改切換參數：ZJ-YW10至ZJ-YW11的“PBGT切換門限”由66改為68，“PBGT統計時間”由3改為6，“PBGT持續時間”由2改為4。

2.4 處理結果

將切換位置由ZJ-YW10/R2與ZJ-YW11/R1區間調整至ZJ-YW11/R2與ZJ-YW11宏站區間后,該區段上下行未再次出現超時問題，網絡優化效果理想。

3 總結

目前，從聯調聯試期間通過綜合檢測車對GSM-R網絡線路的檢測結果看，可以發現TA跳變、直放站主從信號設置不合理等存在隱患的問題，但此類切換后續出現高TA的問題有一定偶然性，還需數據樣本的積累才能暴露出來。因此，部分直放站多徑干擾問題還需在GSM-R網絡日常維護時去發現和處置。

在隧道群多直放站區段發生直放站多徑時延干擾問題時，當排查多徑來源并采用調整多徑來源信號強度的優化方案不能完全解決直放站多徑時延干擾問題的發生時，通過調整基站切換位置區的方式來進行網絡優化，成為直放站多徑時延干擾問題的處置一種優化思路。