鐵路GSM-R無線網絡時間提前量異常問題研究

權 凌

GSM-R 無線網絡采用單網交織覆蓋的方式承載CTCS-3級列控系統車地通信數據傳輸業務。在隧道區段，通常使用光纖直放站拉遠的方式進行弱場區段的無線信號覆蓋。光纖直放站由近端機和遠端機兩部分組成，每一臺遠端機均引入來自相鄰基站的主從兩路信號［1-2］，但冗余信號的引入無形中增加了系統的復雜性。統計廣州局集團公司管內高鐵線路歷年來CTCS-3級無線超時或降級故障的分布，直放站區段遠遠高于非直放站區段［3］，其中有一類小區切換后初始時間提前量TA異常的故障尤為突出。然而，基于目前掌握的技術條件和數據，還無法確定造成此類故障的真實原因，究竟是車載終端或基站設備工作異常，還是無線電磁環境干擾等因素造成的影響，成為困擾GSM-R專業技術人員的一個難題。為此，需要深入研究TA的基本原理，通過方法設計和優化改造，進一步提升GSM-R基站空口監測系統的監測功能，準確定位TA異常的根本原因。

1 提出問題

某高鐵列車從南往北運行，由基站2 向基站1切換時發生小區切換失敗，導致CTCS-3級列控系統車地之間的通信連接中斷，列車發生CTCS-3級無線超時故障。該區段的GSM-R 無線網絡基站子系統見圖1。

圖1 GSM-R無線網絡基站子系統

該區段處于RBC 移交區，列車2 個車載電臺（Mobile Terminal，MT）交替呼叫前、后兩套RBC，并完成通信連接移交。列車到達RBC 移交區預告應答器位置，第1 個移交車載電臺MT1 繼續保持通信連接，第2 個接管車載電臺MT2 開始起呼下一個RBC，此時，MT1和MT2同時保持通話，列車到達RBC 移交區時，MT1 中斷通信連接并將控制權移交給MT2，故障位置正好位于重疊區［2］。

首先分析發生CTCS-3 級無線超時故障的MT1。Abis 接口（基站控制器BSC 與基站BTS 之間的接口）信令數據顯示，MT1 與基站2 通信時其上/下行電平和通信質量正常，MT1 從基站2 往基站1 切換，嘗試接入基站1 的載頻為1001，切換檢測信令消息顯示初始TA=9，之后基站1多次向BSC 發送建立指示信令消息，按照小區切換標準信令流程，這表明基站已經向MT1 回復了無編號確認（Unnumbered Acknowledgement，UA）信令消息，但后續BSC沒有收到小區切換完成信令消息，并且由于MT1未能返回基站2小區，最終切換失敗并導致車地通信中斷，引起CTCS-3 級無線超時故障［2］［4］。

其次分析MT2的Abis接口信令數據。MT2與基站2 通信時其上/下行電平和通信質量正常，MT2 從基站2 往基站1 小區切換成功，接入基站1的載頻同樣為1001，初始TA=5，MT2 與基站1通信時其上下行電平和通信質量正常。

綜上所述，2 個MT 同時進行小區切換，MT1切換失敗，MT2 切換成功，MT1 接入基站1 小區的初始TA比MT2 偏大，存在4 個TA的差距。車載設備廠家反饋MT1 存在時間同步問題，無法識別基站發送的UA 消息，MT1 無法接入新信道，同時又無法返回原信道，最終發生切換失敗而掉線。該問題已成為CTCS-3級無線超時故障多發的典型案例，需進一步深入研究。本文將從TA基本原理、理論值計算和現場測試，以及空口監測系統功能優化等方面逐層剖析和研究，最終找到定位故障原因的技術手段和方法。

2 TA基本原理

2.1 TA的定義

信號在空間傳輸過程中會有延遲，如果車載電臺在呼叫期間向遠離基站的方向移動，則從基站發出的信號將“越來越遲”地到達車載電臺，與此同時，車載電臺的信號也會“越來越遲”地到達基站，延遲過長會導致基站收到車載電臺的信號在本時隙上無法正確解調，甚至可能與基站需要接收的下一個車載電臺的信號時隙相互重疊，引起時隙間的干擾，導致通信質量下降，甚至中斷。唯一的解決方法就是車載電臺通過提前相對于接收的發射時間，補償往返傳播時延，這個值稱為“定時提前”，即時間提前量TA［5-6］。

基站根據車載電臺發送的消息計算TA值，切換過程中車載電臺接收到基站發送的切換命令消息（Handover Command）后，向基站發送TA值為0的接入突發（Access Burst，AB）脈沖，即切換接入脈沖消息（Handover Access）。AB 脈沖編碼結構見圖2。該脈沖中包含一段41 bit 的訓練序列，基站解析出AB 脈沖，定位訓練序列，通過計算訓練序列和時隙開始邊沿的相對時間，得出2 倍傳輸時間，從而推導出TA的數值。最后，基站將TA的數值寫入物理消息信令（Physical Information）并發送給車載電臺［4］。

圖2 接入突發脈沖編碼結構

2.2 TA的計算及異常分析

TA計算原理見圖3，2個時隙邊緣中間的部分代表一個時隙，一個時隙可以理解為一個緩沖區，只有AB 脈沖落在緩沖區范圍之內，基站才能準確解析AB 脈沖。之后，鎖定用于TA估計的訓練序列，該訓練序列在AB 脈沖中的位置固定，即圖3中所示的“固定序列”。基站依據固定序列和時隙邊緣開始的相對位置，計算出TA的數值。

圖3 TA計算原理

因此，歸納TA異常的可能原因有3種：

1）車載電臺與基站同步存在問題，車載電臺發送AB 脈沖較遲，AB 脈沖落在時隙靠后的位置，TA的估算就會異常偏大。

2）Um接口（空中接口）和光纖直放站系統鏈路存在多徑信號，可能導致TA的估算異常偏大。

3）基站軟硬件故障導致TA估算出錯。

3 TA理論值計算和現場測試

結合典型故障案例，通過TA理論值計算和現場測試進一步驗證故障現象顯示的TA結果，確定問題區段實際的TA數值。

3.1 TA理論值計算

根據圖1 分析小區切換點位于線路公里標K2047+000位置，此處基站1的信號只有基站1/R2主信號和基站2/R1 從信號（信源為基站1）覆蓋，該區域光纖直放站的光纖長度實際測試結果見表1。

表1 基站1光纖直放站光纖長度

首先，根據TA的基本原理可以計算出電磁波在不同介質傳播的TA=1 的基準值，分別為空間傳播550 m、漏纜傳播484 m、光纖傳播367 m。然后，分別計算基站1 的2 路信號的TA理論值，此處距離基站1/R2 為733 m，距離基站2/R1 為531 m，需要考慮空間、漏纜和光纖的距離［4-5］。

1）基站1/R2主信號在切換點處：TA=（733/550）+（0/484）+（536.1/367）≈3

2）基站2/R1從信號在切換點處：

TA=（531/550）+（0/484）+（2020.7/367）≈7

TA理論值計算結果表明，在切換點處不存在TA為9的信號（9為異常偏大的數值）。

3.2 TA現場測試

為了驗證TA理論值計算的準確性，結合現場的實際情況，制定了測試方案。每次測試只保留一個信號，斷開其他信號，利用GSM-R 路測儀逐個對光纖直放站信號進行現場測試。

1）只保留基站1/R1 主信號，斷開其他信號。在線路公里標K2346+800 至K2347+200 區段測試，無基站1小區信號。

2）只保留基站1/R2 主信號，斷開其他信號。在線路公里標K2346+800 位置測試小區電平約為-70 dBm，TA為4；K2347+000 位置小區電平約為-75 dBm，TA為4；K2347+200 位置小區電平約為-78 dBm，TA為5。現場測試結果與TA理論值基本一致。

3）只保留基站2/R1 從信號，斷開其他信號。在線路公里標K2346+800 位置測試小區電平約為-75 dBm，TA為6；K2347+000 位置小區電平約為-70 dBm，TA為6；K2347+200 位置小區電平約為-63 dBm，TA為7。現場測試結果與TA理論值基本一致。

4）只保留基站2/R2 從信號，斷開其他信號。在線路公里標K2346+800 至K2347+200 區段測試，無基站1小區信號。

由根號的±條件可知，方程(18)有2個根，根一般為不相等的實根，即對某一變量角θ2的值解得2個對應的θ4根。這兩個解對應機構的2個位形，即機構的交叉和開式2個位形。解得θ4的負解對應開式位形，解得θ4的正解對應交叉位形。

綜合以上現場測試結果，切換點附近只有基站1/R2 主信號和基站2/R1 從信號，而且現場測試的實際TA與TA理論值基本一致，沒有測試到TA為9 的信號，驗證了TA出現了異常偏大的問題，需要引入新的技術手段和方法進行進一步的故障定位。

4 空口監測系統功能優化方案

近年來，廣州局集團公司管內多條GSM-R 線路安裝了基站空口監測系統，用于采集GSM-R 基站的空口信令、業務數據（RBC 與車載ATP、CTC 與車載CIR 之間交互的業務數據等）和無線頻譜等信息，能夠準確、高效地定位故障原因，發現網絡中存在的隱患［7-8］。

為了準確定位TA異常偏大的真實原因，需要在空口準確地捕獲切換過程中車載電臺向基站發送的Handover Access 消息。由于Handover Access 消息具有突發性和隨機性，此前空口監測系統并不具備此項功能，因此需要擴展和完善空口監測系統的功能。

4.1 新增Handover Access消息捕捉功能

利用GSM-R 基站空口監測系統，通過優化Handover Access 消息的譯碼程序，實時監測切換接入脈沖消息。

空口監測系統獲取每一幀數據，使用訓練序列對數據進行滑動相關運算，每次滑動一個比特，采用相關值最大的峰值比特位置進行數據幀同步；通過數據譯碼程序可計算出多個相關峰值比特位置，同時在多路信號峰值比特位置上尋找有效數據；最終通過改造并增強空口監測系統捕捉MT在小區切換過程中發送給基站的Handover Access 消息的功能，研究復雜的多路信號環境對TA計算的影響［5-6］。

4.2 定義并引入變量BitShift

空口監測系統根據多個路徑獲取的信號進行相關值計算，如果能夠解析出Handover Access消息，開始計算比特偏移量，那么就可以確定是否因多路徑信道造成了TA異常。

由于基站和空口監測系統的時間存在偏差，首先需要確定基站與空口監測系統之間的同步固定偏移值，可以通過多次采集的數據比對確定，此處同步固定偏移值為16BitShift，而每增加2BitShift約為1TA；最后，根據采集到的BitShift可以估算出TA。

5 空口監測系統數據采集驗證

首先對空口監測系統進行優化，增強Handover Access 消息的捕捉功能，定義并引入比特偏移量BitShift。然后通過數據統計確定現場TA異常多發的基站，制定軟件升級方案并實施，實時跟蹤和采集空口數據。最后選取基站計算結果TA為9和11的兩趟列車數據，進行空口原始數據的采集驗證，比較空口監測系統的計算結果與基站計算的TA異常偏大的結果是否一致。

5.1 切換后TA=9空口數據分析

按照空口信令流程，基站接收到車載電臺發送的Handover Access 消息之后，計算出TA值并通過Physical Information 消息將TA值發送給車載電臺，可以通過Physical Information 消息的解碼信息確定TA=8［9-10］。

驗證空口數據采集的結果，列出了多個路徑的相關峰值（Peak），Peak 越大，表示相關性越強，圖4 中BitShift32 的路徑相關峰值最大，而且只有一個路徑（path 0，即BitShift32 的路徑）能解碼Handover Access 消息。根據消息估算TA=（34-16）/2=9，其他路徑均無法解碼Handover Access消息，忽略不計。

圖4 TA=9空口Handover Access消息解碼示意

5.2 切換后TA=11空口數據分析

同理，選取基站發送的Physical Information 消息中TA=11的情況。

驗證空口數據采集的結果見圖5，BitShift38的路徑相關峰值最大，而且只有一個路徑（Path 0，即BitShift38 的路徑）能解碼Handover Access 消息，根據消息估算TA=（38-16）/2=11。其他路徑均無法解碼Handover Access消息，忽略不計。

圖5 TA=11空口Handover Access消息解碼示意圖

綜上所述，利用此方法驗證TA典型案例的空口數據，可知空口監測系統估算的TA值與基站計算的TA值基本一致，且只有一路信號能夠正確解碼Handover Access 消息，并未監測到多路有用的信號。故可以確定TA異常并非GSM-R 無線網絡原因引起，排除了Um接口和光纖直放站系統鏈路存在多徑信號或基站軟硬件故障導致TA異常偏大的可能性。最終確定是車載電臺與基站同步存在問題，車載電臺發送Handover Access 消息AB 脈沖存在延遲現象，消息在到達基站之前就已經存在BitShift比特偏移量超過正常數值的現象，最終導致了TA異常偏大的結果。

6 結語

針對廣州局CTCS-3 級無線超時故障分析TA異常偏大的典型案例，查找故障原因。結合TA基本原理，充分挖掘包括空口監測系統在內的各個輔助系統的功能。通過優化Handover Access 消息的譯碼程序，定義并引入比特偏移量BitShift等措施，完成了廣州局空口監測系統新增Handover Access 消息捕獲和分析功能優化方案的設計和實施，最終解決了因技術手段和方法缺失導致無法分析和定位TA異常現象的問題。本文提出的TA異常偏大問題的故障定位方法和思想，對鐵路GSM-R 無線網絡的建設和維護具有一定的指導意義。