GSM-R直放站引起的多徑時延擴展問題分析與解決

邢小琴

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

GSM-R直放站引起的多徑時延擴展問題分析與解決

邢小琴

（中國鐵道科學(xué)研究院 基礎(chǔ)設(shè)施檢測研究所，北京 100081）

針對GSM-R網(wǎng)絡(luò)中直放站使用導(dǎo)致的多徑時延擴展問題，闡述多徑時延擴展原理，分析多徑時延擴展給CTCS-3列控系統(tǒng)應(yīng)用帶來的影響，并提出降低、消除直放站引起的多徑時延擴展的應(yīng)對措施。

GSM-R網(wǎng)絡(luò)；直放站；多徑時延；時延擴展；信號干擾

光纖直放站是GSM系統(tǒng)基站與移動臺之間的中繼轉(zhuǎn)發(fā)器，屬于同頻放大設(shè)備，在無線通信傳輸過程中起到增強射頻信號的作用，廣泛應(yīng)用在GSM-R線路中隧道、山區(qū)、路塹等地形環(huán)境。隨著我國鐵路的快速發(fā)展，越來越多的高鐵線路縱橫交錯，GSM-R網(wǎng)絡(luò)在鐵路線路上的覆蓋情況也越來越復(fù)雜。另外，由于目前使用光纖直放站的方式延續(xù)了過去模擬直放站的用法，在GSM-R數(shù)字無線通信系統(tǒng)中，光纖直放站給列控系統(tǒng)實際應(yīng)用和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化帶來許多問題。在此針對光纖直放站引起的多徑時延所帶來的信號干擾進行探討。

1 基本概念

1.1 TA值

定時提前量（Time Advanced，TA）是指GSM-R系統(tǒng)的移動臺信號到達基站的實際時間和假設(shè)該移動臺與基站距離為0時移動臺信號到達基站的時間差值?；靖鶕?jù)“基站—移動臺—基站”環(huán)形路徑損耗進行計算。基站對移動臺信號到達的時間進行監(jiān)控，根據(jù)到達時間的變化在下行的慢速隨路控制信道（SACCH）系統(tǒng)消息上每2 s向移動臺發(fā)出時間調(diào)整指令，即TA的取值。移動臺將其發(fā)送時間提前TA，從而補償移動臺與基站之間的傳輸損耗，并使不同移動臺的信號到達基站的時間保持同步，該過程就是自適應(yīng)幀同步[1]。

TA是實現(xiàn)自適應(yīng)幀同步的重要參數(shù)，同時還可用于計算移動臺與基站之間的絕對距離。TA值為［0，63］的整數(shù)，每增加一個步長，表示基站與移動臺之間的距離增加約0.55 km。移動臺與基站的絕對距離范圍為0～35 km。

1.2 多徑時延擴展

在無線傳播環(huán)境中，發(fā)射機發(fā)射的信號經(jīng)空間傳播后，到達接收機天線的信號不來自于單一路徑，而是眾多反射波的合成。在頻域上各個路徑的反射波到達天線時間不同，相位也不同。不同相位的多個信號到達接收機后相互迭加，同相迭加則增強，反相迭加則減弱，由此產(chǎn)生多徑衰落。在時域上經(jīng)過不同路徑、有時間差異的各個信號的合成信號在時域中則會出現(xiàn)相對于原信號的時延擴展[2]。時延擴展是衡量多徑傳播信道質(zhì)量的一個重要指標。

時延擴展定義為最大傳播時延和最小傳播時延的差值，即最后一個可分辨的時延信號與第一個時延信號到達時間的差值，實際上就是脈沖展寬的時間。在數(shù)字傳輸中，由于時延擴展，接收信號中一個碼元的波形會擴展到其他碼元周期中，引起碼間串擾，因此要求最大時延擴展小于一個碼元的持續(xù)時間[3]。GSM系統(tǒng)規(guī)定接收機必須能夠補償12～15 μs的多徑時延（對應(yīng)4～5個碼元周期），可通過在接收機中采用自適應(yīng)非線性均衡器來實現(xiàn)。

2 GSM-R直放站引起多徑時延擴展原理

基站與直放站的連接示意見圖1，GSM-R基站通過光纖與遠端直放站連接，并通過直放站發(fā)射與基站同頻的信號。在基站與直放站之間同時被兩者信號覆蓋的區(qū)域內(nèi)，移動臺可接收到基站直接發(fā)射的信號，還能接收到基站通過光纖傳輸至直放站、再經(jīng)直放站天線發(fā)射的信號，兩路信號屬于同源 信號但傳輸路徑不同、到達時延不同，從而在移動臺的接收機處出現(xiàn)多徑時延擴展。同理，該區(qū)域內(nèi)移動臺發(fā)射的信號可直接被基站接收，還可以被直放站接收，再經(jīng)光纖傳輸?shù)交?，兩路信號在基站的接收機處引起多徑時延擴展。

多徑時延擴展場景示意見圖2，假設(shè)基站與直放站之間的直線距離為L，直放站信號向基站方向的最遠覆蓋距離為△L，移動臺與直放站的距離為Lp。信號在光纖中的傳播速率為2×108m/s，則信號在單位長度光纖內(nèi)傳輸所需要時間為Df=5 μs/km。信號在空中的傳播速率約為3×108m/s，則信號在單位距離內(nèi)傳輸所需要的時間為Da=3.3 μs/km。直放站設(shè)備引起的時延約為Dr=5 μs，移動臺接收機的多徑時延擴展為：

按規(guī)定有：Dt≤15（GSM接收機多徑時延補償為12～15 μs）。即：

也就是說直放站在基站方向的覆蓋范圍應(yīng)滿足：

以上推理適用于直放站只對單個基站信號進行放大的情況。在實際應(yīng)用中，對于交織覆蓋的線路，圖2中的光纖直放站還有放大右側(cè)基站（圖中未畫出）向左側(cè)基站（圖中所示）方向信號覆蓋的作用，直放站的信號還需覆蓋至對端基站。這種情況下，不能簡單采用限制△L范圍的辦法，而應(yīng)考慮在圖中基站的主要覆蓋范圍內(nèi)（L－△L）直放站信號滿足基本覆蓋要求的前提下，直放站信號比圖中基站信號強度弱，且相差32 dB以上，以確保直放站信號不會對基站信號造成多徑干擾。

3 多徑時延擴展對CTCS-3列控系統(tǒng)的影響

圖1 基站與直放站的連接示意圖

圖2 多徑時延擴展場景示意圖

多徑時延擴展在GSM-R網(wǎng)絡(luò)中以干擾的形式出現(xiàn)，出現(xiàn)多徑時延擴展的區(qū)段會有載干比下降、話音質(zhì)量惡化等現(xiàn)象發(fā)生，在CTCS-3列控系統(tǒng)應(yīng)用中則會出現(xiàn)車地數(shù)據(jù)傳輸誤碼，甚至通信中斷等現(xiàn)象。

3.1 問題描述

在2015年對高鐵線路 A的服務(wù)質(zhì)量測試[4]中發(fā)現(xiàn)，9—12月CZ-NJN17基站作為服務(wù)小區(qū)的區(qū)段出現(xiàn)載干比明顯變差的現(xiàn)象（見圖3），圖中的綠色曲線為載干比測試曲線，測試規(guī)范要求載干比測試值應(yīng)不低于12。圖中的紅色曲線為話音質(zhì)量測試曲線，有多處4級話音質(zhì)量出現(xiàn)。而該區(qū)段8月測試的載干比和話音質(zhì)量均較好（見圖4）。

圖3 2015年9—12月高鐵線路A下行測試截圖

圖4 2015年8月高鐵線路A下行測試截圖

調(diào)取所屬鐵路局接口監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)，該區(qū)段在2015年11月—2016年1月期間，累計發(fā)生4次CTCS-3至CTCS-2降級故障。其中，2016年1月5日某次車載終端切換進入該小區(qū)后通信終端上行電平良好，但質(zhì)量變差（Rxqual=2~4），基站側(cè)沒有收到下行測量報告。查看經(jīng)過該區(qū)段的其他列車發(fā)現(xiàn)，大部分列車在該區(qū)段的TA值變 化為9→3，少數(shù)列車TA值變化為3→1。說明該區(qū)域存在多個同源但不同路徑的信號，也就是存在多徑時延擴展。

3.2 多徑時延擴展分析

高鐵線路A與高鐵線路B交匯處地形見圖5。高鐵線路B于2015年8月底開始聯(lián)調(diào)聯(lián)試，12月底正式開通運營，高鐵線路B在CZ-NJN17基站處與高鐵線路A交匯后合并為一條線，2條高鐵線路共用CZ-NJN17基站。直放站A與CZ-NJN17相連，在NJN-JNX01方向進行隧道內(nèi)覆蓋，同時向CZ-NJN18基站方向進行覆蓋。

圖5 高鐵線路A與高鐵線路B交匯處地形

在高鐵線路A上行方向行駛的列車，經(jīng)過CZ-NJN18至CZ-NJN17的切換點時，同時接收到CZ-NJN17基站發(fā)射的信號和直放站A發(fā)射的信號。CZ-NJN17基站到直放站A的光纖距離大于等于1.0 km，直放站A至切換點的直線距離約為1.6 km。直放站設(shè)備時延約為5 μs，按信號在空中的傳播估算，相當于經(jīng)歷了約1.5 km的距離。那么列車在切換點處收到的來自于直放站A的信號傳輸距離約為（1.0 km+1.6 km+1.5 km），即4.1 km。每增加一個TA值相當于增加500 m的距離，則4.1 km的距離相當于8～9個TA值。CZ-NJN17基站至圖中切換點的距離約為1.3 km，為2～3個TA值，與接口監(jiān)測數(shù)據(jù)中觀察到的運營列車通信終端的情況相符。

按照上述計算多徑時延擴展的思路，列車在切換點處收到的來自直放站A的時延為5 μs（1 km×5 μs/km）+ 5 μs（直放站設(shè)備時延）+5.28 μs（1.6 km×3.3 μs/km）= 15.28 μs，列車在切換點處收到的來自CZ-NJN17基站的信號時延約為1.3 km×3.3 μs/km=4.29 μs。多徑時延擴展約為15.28 μs-4.29 μs=10.99 μs，滿足小于15 μs的規(guī)定。盡管大部分運營列車的列控通信終端在該處即使通過直放站A進行通信，話音質(zhì)量受到一定程度影響，未對列控數(shù)據(jù)傳輸造成嚴重影響，但部分性能稍差的終端則可能因話音質(zhì)量惡化導(dǎo)致車地通信中斷，從而發(fā)生降級事件。

另外，在基站與直放站的共同覆蓋區(qū)，移動終端接收到的2個信號源下行信號強度只與路徑損耗有關(guān)。但是對于移動終端發(fā)射的上行信號，除了無線傳播中的路徑損耗外，直放站還會對上行信號進行放大。也就是說，假設(shè)在移動終端處，來自不同路徑的下行接收信號相同，那么在基站處接收到的經(jīng)過直放站傳輸?shù)纳闲行盘枏姸葧哂诨局苯邮盏降纳闲行盘枏姸取２榭锤哞F線路A CZ-NJN17基站Abis接口上行監(jiān)測數(shù)據(jù)也基本印證這個現(xiàn)象，如果在與CZ-NJN18基站切換前上行電平較高（-49～-47 dBm，經(jīng)直放站至基站），則TA值一定為8～9，如果電平相對低一些（-52～-50 dBm，未經(jīng)直放站直接至基站），TA值為4左右。這種情況下，上行信號在基站接收機處也容易造成相互干擾。

4 解決方案

為盡可能減少多徑時延擴展帶來的影響，根據(jù)計算分析，可采取如下措施：

（1）減小基站與直放站之間連接光纜的長度。對鐵路而言，一旦網(wǎng)絡(luò)建成，基站與直放站位置便已固定，但在施工時一般會在滿足連接需求的基礎(chǔ)上預(yù)留一定長度的光纜，相當于增加了式（1）中L·Df項的值?？赏ㄟ^剪除多余光纜的長度來降低多徑時延擴展帶來的影響。

（2）減小△L。通過調(diào)整直放站天線俯仰角或調(diào)整射頻功率等方法，減小直放站向與之相連的基站方向的覆蓋范圍△L，即減小Lp，從而降低多徑時延擴展帶來的影響。

根據(jù)通信網(wǎng)絡(luò)測試中對多徑干擾問題分析處理的經(jīng)驗，提出多徑干擾問題的分析步驟：（1）關(guān)注通信網(wǎng)絡(luò)服務(wù)質(zhì)量測試中的載干比指標和服務(wù)質(zhì)量測試指標的變化，檢查是否有劣化現(xiàn)象，關(guān)注車載終端TA值的變化區(qū)間；（2）若載干比指標、服務(wù)質(zhì)量指標劣化現(xiàn)象的問題區(qū)間設(shè)置有直放站設(shè)備，結(jié)合區(qū)間設(shè)備的連接方式（天線、漏纜），參考上述多徑時延擴展原理，分析是否存在多徑時延擴展；（3）結(jié)合地形及相鄰基站信號覆蓋情況，制定調(diào)整措施。在不影響線路覆蓋要求的情況下，盡量拆除引起多徑時延擴展的直放站，既可優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量，同時還減輕養(yǎng)護維修的工作量。目前已建成的高鐵線路場強覆蓋冗余度很大，在滿足覆蓋的前提下可考慮關(guān)閉直放站，從根本上消除其帶來的多徑時延問題。還可采用遠端射頻模塊（RRU）代替直放站，基站與RRU之間傳輸基帶信號，可消除多徑時延擴展問題。

5 結(jié)束語

目前，從綜合檢測列車對GSM-R網(wǎng)絡(luò)線路的日常檢測結(jié)果看，由于光纖直放站設(shè)置不當引起的網(wǎng)絡(luò)問題較多。只有通過深入分析，明確找出問題產(chǎn)生的原因，才能有效地進行調(diào)整和解決，甚至在設(shè)計階段和聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間就可以解決。針對GSM-R網(wǎng)絡(luò)中直放站使用帶來的多徑時延擴展問題，在闡述多徑時延擴展原理的基礎(chǔ)上，通過實際案例分析多徑時延擴展對CTCS-3列控系統(tǒng)應(yīng)用造成的影響，提出降低、消除直放站引起的多徑時延擴展的具體解決辦法，供GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化人員和CTCS-3降級分析人員參考。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[2] 韓斌杰，杜新顏，張建斌. GSM原理及其網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 曹志剛，錢亞生. 現(xiàn)代通信原理[M]. 北京：清華大學(xué)出版社，2012.

[4] 邢小琴，王衛(wèi)東，王惠生，等. CTCS-3級列控數(shù)據(jù)傳輸與GSM-R網(wǎng)絡(luò)CSD測試關(guān)系[J]. 中國鐵路，2014(4)：64-68.

責(zé)任編輯 盧敏

On Multipath-Delay-Spread Problem Caused by GSM-R Optical Fiber Repeaters & Its Solutions

XING Xiaoqin
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

This paper concentrates on the multipath-delay-spread problem caused by use of f ber optic repeaters in GSM-R network. It examines the multipath-delay-spread theory and explains how multipath-delay-spread affects the CTCS-3 train control system. Finally, solutions are provided to weaken or eliminate the effects of multipath-delay-spread caused by f ber optic repeaters.

GSM-R network；optical f ber repeater；multipath delay；delay spread；signal interference

U285

A

1001-683X（2017）02-0051-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.051

2016-05-27

邢小琴（1982—），女，助理研究員，博士。E-mail：xingxq@rails.cn