基于TA值的CTCS-3無線超時分析

陳小平

（中國鐵路廣州局集團有限公司電務部，廣州 510088）

1 概述

無線消息超時定義是CTCS-3系統中車載設備在規定時間內沒有接收到來自地面設備的任何應用消息，則應認為車地間通信中斷。GSM-R系統為CTCS-3級列控系統提供車地雙向數據傳輸通道。當車載設備按CTCS-3等級控車時，若檢測到無線消息超時，應實施常用制動。當列車速度降到CTCS-2允許速度后，轉入CTCS-2等級控車。在CTCS-3系統的車載設備（ATP）、地面無線閉塞中心（RBC）中設置了定時器T_NVCONTACT，用于定時相關應用層數據包正確接收的時間間隔，計時超出目標值時，CTCS-3系統判定為無線消息通信超時。

接收信號質量（RxQual）：一個測量報告周期內接收信號質量的平均值，RxQual取值范圍0~7，可以如表1所示轉換成誤比特率。RxQual_DL下行鏈路接收的信號質量，即移動終端（簡稱MT）在測量報告中包含的測量數據之一。

如表1所示，通信質量值越大，誤比特率值越高，實際信號質量越差。實際應用中RxQual_DL大于4級就會導致CTCS-3級列控系統應用層消息誤碼、丟幀現象。

表1 RxQual與誤比特率的對應關系Tab.1 Relationship between RxQual and BERRxQual

TA定時提前量：指基站向MT發送的定時提前量，MT根據定時提前量調整上行數據發送時間，用來補償電波傳播時延。

2 運營中的無線消息超時

鐵路工程新建CTCS-3級列控系統，經過開通運營前的聯調聯試，GSM-R網絡狀態達到了工程開通運營的基本條件，沿線場強覆蓋基本合理（無弱場），網絡規劃合理（無基站間同頻、鄰頻干擾），切換位置滿足CSD傳輸無差錯時間的要求（TREC：＞20 s（95%），＞7 s（99%））。

線路開通運營后，因GSM-R網絡引發無線消息超時，致使CTCS-3降級情況時有發生，這與聯調聯試中評價模塊單一、列車運行車次不多有一定的關系。不同廠家的車載MT接收性能存在差異，部分區段無線側網絡狀態處于臨界狀態，不同廠家MT或統一類型MT下行通信質量存在較大差異。通過接口監測數據分析發現，發生無線消息超時的問題區段，車載MT的下行信道通信質量大多較差（持續5級以上）。

中國鐵路廣州局集團公司通信專業人員在處理無線消息超時問題過程中發現，造成下行信道通信質量差主要有兩個方面因素，一是外網信號干擾引起下行信道通信質量差；二是同頻多信源、多路徑造成的下行信道通信質量差，且通常伴隨TA異常情況（TA跳變）。

外網強信號干擾導致下行信道質量差比較好處理，各鐵路局集團公司處理方式基本相同。

1）協調公網運營商（如移動公司）降低公網干擾源信號功率、調整工作頻率、關閉干擾源；

2）在GSM-R基站和車載MT天線端加裝濾波器，增強GSM-R基站及車載終端的接收性能，提高抵抗外部電磁干擾的能力；

3）協調公網運營商采取物理隔離方式，設置GSM-R與公網900 MHz系統的保護頻帶。與GSM-R系統的物理隔離一般不小于2.5 MHz帶寬。優化鐵路沿線無線電磁環境，避免對GSM-R網絡造成阻塞干擾和雜散干擾。

同頻多信源、多路徑造成的下行信道通信質量差，這種情況通常在地形較為復雜地段，MT接收端可能同時接收到基站、直放站天線覆蓋的信號、漏纜覆蓋信號，同頻不同信源的信號疊加，MT測量報告中的TA往往存在異常變化。分析TA值確定信號來源，對于調整MT接收情況，改善下行信道通信質量，解決無線消息超時現象至關重要。本文介紹武廣高鐵SG-YDX06基站下行信道通信質量差引發無線消息超時案例，與正常案例進行對比，分析下行信道通信質量差的起因，提出整改措施，為相關技術人員提供借鑒。

3 案例問題描述

武廣高鐵SG-YDX06基站曾多次發生下行通信質量7級，導致CTCS-3級無線消息超時，G637次動車組發生無線消息超時現象時MT測量報告數據 如 圖1所 示。MT在K2085+847從SG-YDX05切換至SG-YDX06后，下行信道持續通信質量為7級，此時切換后TA為13，切換前TA值為8。

MT在K2085+333從SG-YDX05切 換 至SGYDX06后，下行信道持續通信質量0級，切換后TA為10。正常車次MT的測量報告如圖2所示。

該區間GSM-R系統網絡結構如圖3所示。

4 問題分析

圖1 無線消息超時MT測量報告Fig.1 Measurement report of MT in radio timeout

圖2 正常車次MT測量報告Fig.2 Measurement report of MT in normal status

圖3 基站SG-YDX05與基站SG-YDX06間GSM-R系統Fig.3 GSM-R system between BTS SG-YDX05 and BTS SG-YDX06

問題區段處于長大隧道內，GSM-R系統的電磁環境良好，可以排除外界干擾情況造成下行通信質量變差的可能。對比正常車次和問題車次MT的測量報告，發現切換位置略有偏移，切換后TA值存在較大差異，正常車次MT切換前TA為8、切換后TA為10；問題車次MT切換前也為8，切換后TA為13，問題車次TA值變化為5，存在明顯跳變。分析切換后TA差異就需要對該區域SGYDX06不同信源的TA進行計算。

測試區段沿線直放站遠端機光纖長度測試情況如表2所示。

表2 直放站遠端機主、備信號連接光纖長度Tab.2 Fiber length of master/slave signal of RU

一個TA的比特時長為3.7 μs，結合信號在空間、漏纜、光纖中的傳播速度，得出每TA時長信號在空間、 漏纜、光纖的傳播距離分別為 550 m、484 m、367 m。根據GSM-R系統圖中直放站位置，計算各直放站接引信源基站SG-YDX06的信號到達異常切換點K2085+847處TA值如表3所示。

表3 TA值統計Tab.3 TA value statistics

從各路信號TA來分析，初步判斷列車無線消息超時，車載MT占用SG-YDX05/R4從信號（TA=13）引起TA跳變導致下行信道通信質差。

5 解決措施

由GSM系統原理可知，TA跳變導致下行信道通信質量差時需同時滿足如下條件：信號TA差≥4；同頻載干比<12 dB。隧道內問題位置處SG-YDX05/R4從信號與SG-YDX06/R1主信號的TA差值縮小的難度較大，只能采取增大同頻信號載干比或切換區域避開TA跳變區域的措施。

1）對直放站SG-YDX05/R3、SG-YDX05/R4從信號下行鏈路增加20 dB衰減，SG-YDX05/R4從上行鏈路增加3 dB衰減。

2）調整SG-YDX05至SG-YDX06功率預算切換門限，由63調整至65，使MT切換位置遠離直放站SG-YDX05/R4從信號后切換。

實施上述措施后無線消息超時現象仍偶有發生，最終采用斷開SG-YDX05/R4從纖，取消SGYDX05/R4從信號，實施后下行信道通信質量良好，再未發生無線消息超時現象。

斷開SG-YDX05/R4從纖后，檢測車數據顯示交織覆蓋良好，不影響GSM-R系統的運營使用。

6 調整方案歸納

同頻多信源、多徑造成的下行信道通信質量差，可以通過分析MT測量報告中TA值情況，進行問題定位。通過計算各路信號TA值來確定MT下行通信質量差的引發信號源，從而對問題信號源采取針對性調整措施。

1）空間波覆蓋、漏纜覆蓋區，可以通過關閉部分直放站或拆除部分天線，減少信源，避免多徑干擾。例如滬昆客專基站LDN-SYB07至基站LDNSYB08區段，關閉了直放站RU56和RU57，通過基站天線可以滿足覆蓋要求，改善隧道口附近TA跳變引發下行通信質差，如圖4所示。

圖4 減少信源避免多徑干擾Fig.4 Reducing information sources to avoid multipath interference

2）在保障冗余覆蓋的情況下，加大直放站從信號衰減值，避免主、從信號因強度和TA值差異過大（經驗值超過3就得優化）產生下行質差。

3）通過調整切換參數，優化小區切換位置，避開TA跳變區域，避免因TA跳變導致質差。

例如武廣高鐵HYD-LYX10/11區間，上行車切換位置在K1794+100附近容易發生超時，通過調整功率預算切換門限，將切換位置從隧道口附近調整到靠近HYD-LYX10基站K1793附近，后續未再發生因切換后連續下行質差無線超時，如圖5所示。

4）在直放站區段增加時延均衡器，解決因時延不一致造成網內同頻干擾引起質差問題。如長沙南站站場覆蓋有6個直放站，經多次網優后，仍不時發生下行質差引發無線超時，增加時延均衡器后基本沒有發生。

圖5 優化小區切換位置案例Fig.5 Case of optimizing the cell handover location

說明：GSM-R時延調整模塊是以現代軟件無線電平臺為基礎的數字接收發射機模塊。通過接收機將下行（上行）信號采集下來，在存儲單元內部經過設置的時延后，再送至發射機發送出去。該模塊加入模擬直放站系統不影響現有模擬直放站的正常運行，能滿足時延調整的需求。GSM-R時延調整模塊，加入模擬直放站系統后，能遠程修改各點直放站的時延值，通過部分或者整體的時延調整，能夠解決部分切換后下行質差問題。

7 結束語

GSM-R運營維護中下行通信質量與無線消息超時存在一定聯系，應重視對下行通信質量的關注和分析，在排除外部干擾情況后，TA值分析往往可以快速定位問題原因。同時工程設計階段應根據地形結合無線傳播模型，合理布置GSM-R設備使移動終端在運動過程中TA變換較小、避免跳變，為運營維護階段的網絡優化提供便利。