高鐵GSM-R多徑干擾典型案例及解決方案

曾祥兵

(1．北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070；2．北京市高速鐵路運(yùn)行控制系統(tǒng)工程技術(shù)研究中心，北京 100070)

1 概述

近些年我國(guó)鐵路發(fā)展迅速，到2015年年底，我國(guó)鐵路的營(yíng)業(yè)里程達(dá)到121 000 km，這其中高速鐵路占約19 000 km；預(yù)計(jì)到2020年，路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到150 000 km，其中高速鐵路接近30 000 km，能夠覆蓋80%以上的大城市[1]。GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)是中國(guó)鐵路建設(shè)不可或缺的組成部分，在承載列控信息傳送及公務(wù)移動(dòng)通信等方面發(fā)揮了巨大作用。山區(qū)、隧道GSM-R的覆蓋主要采用光纖直放站方式，以杭昌高速鐵路為例，杭州南至黃山北段線路全長(zhǎng)265 km，全線基站僅新增44套，而新設(shè)直放站近端機(jī)49套，遠(yuǎn)端機(jī)213套。采用光纖直放站覆蓋方式的一大隱患是在直放站和基站共同覆蓋區(qū)，由于同一信號(hào)源的不同發(fā)射設(shè)備的時(shí)延差值較大，在移動(dòng)終端處產(chǎn)生多徑干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量惡化，嚴(yán)重時(shí)影響列控系統(tǒng)應(yīng)用。隨著中西部地區(qū)鐵路加快建設(shè)，消除多徑干擾已成為GSM-R網(wǎng)絡(luò)維護(hù)的重要工作內(nèi)容。

2 多徑干擾的形成

無(wú)線電波在傳播過(guò)程中遇到建筑物、山脈、河流等，就會(huì)產(chǎn)生反射、繞射或散射，這樣會(huì)造成到達(dá)接收點(diǎn)的電磁波存在多條不同的路徑，這種現(xiàn)象稱(chēng)為多徑傳播。移動(dòng)終端在基站的覆蓋區(qū)域內(nèi)工作時(shí)，它接收到的信號(hào)包含多個(gè)幅度隨機(jī)、相位隨機(jī)的多徑信號(hào)。不同相位信號(hào)的疊加，會(huì)導(dǎo)致信號(hào)幅度的加強(qiáng)或削弱，產(chǎn)生快衰落現(xiàn)象。此外，由于各條路徑的時(shí)延不同，信號(hào)沿著多條路徑傳播，會(huì)造成信號(hào)到達(dá)接收終端的時(shí)間不一樣，因此會(huì)在有用信號(hào)中混有比它延遲到達(dá)的另一個(gè)信號(hào)，發(fā)生碼間干擾。為了解決多徑延時(shí)造成的碼間干擾，GSM設(shè)備采用了自適應(yīng)均衡技術(shù)，但接收機(jī)均衡器僅能處理時(shí)延不大于15 μs的多徑信號(hào)[2]。在GSM-R的基站與直放站、以及直放站與直放站的重疊覆蓋區(qū)域，如果不能控制好各發(fā)射源的覆蓋電平，將會(huì)存在嚴(yán)重的多徑干擾。

發(fā)生多徑干擾必須同時(shí)具備如下兩個(gè)條件。

1） 主信號(hào)和多徑信號(hào)的時(shí)延差超過(guò)15μs；

2）主信號(hào)與多徑信號(hào)的電平比（C/I）小于12 dB。

由此看出，多徑干擾實(shí)質(zhì)上是一種同頻干擾。

3 多徑干擾的解決辦法

針對(duì)多徑干擾的發(fā)生條件，可以從時(shí)延差和覆蓋電平兩個(gè)方面進(jìn)行解決。

3.1 控制時(shí)延差不超過(guò)15 μs

多徑干擾場(chǎng)景有多種，本文僅針對(duì)CTCS-3級(jí)列車(chē)控制線路（簡(jiǎn)稱(chēng)C3線路）典型的多徑干擾場(chǎng)景進(jìn)行分析，包括基站和直放站、直放站和直放站的重疊覆蓋區(qū)域，下面進(jìn)行計(jì)算分析。

1） 基站和直放站的重疊覆蓋

典型的基站和直放站重疊覆蓋方案如圖1所示（重疊覆蓋區(qū)域?yàn)榭臻g波覆蓋）。假設(shè)基站BTS和直放站遠(yuǎn)端機(jī)之間的直線距離是D，移動(dòng)終端A與基站和直放站的距離分別是D1和D2。由于線路比較平直，假設(shè)D=D1+D2。

圖1 典型的基站和直放站重疊覆蓋Fig.1 Typical solution of base station and repeater

GSM-R信號(hào)在空中的傳播速率約為3×108m/s，則信號(hào)在空中單位長(zhǎng)度傳輸所需要時(shí)間為3.3 μs/km。同樣地，信號(hào)在光纖和漏纜內(nèi)單位長(zhǎng)度傳輸所需要時(shí)間分別為 5 μs/km、3.79 μs/km[4]。

移動(dòng)終端A同時(shí)收到基站BTS和直放站遠(yuǎn)端機(jī)發(fā)射的信號(hào)，分別為：

BTS空間波信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)延：

BTS射頻信號(hào)經(jīng)光纖直放站、光纖和空間到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)延：

其中：Dr為直放站設(shè)備引起的系統(tǒng)時(shí)延，寬帶直放站取值1 μs，聲表面濾波直放站取值5 μs。[5]

光纖時(shí)延Df＝D×5 μs

兩路信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)的時(shí)延差，公式（2）-（1）：

由公式（3）可知，隨著移動(dòng)終端遠(yuǎn)離基站，即D1變大時(shí)，Tr變小，Tb變大，因此ΔT變小。對(duì)于CTCS-3級(jí)列控線路，半數(shù)站時(shí)基站至直放站間依靠直放站覆蓋，因此實(shí)際上直放站的空間覆蓋電平較高，也就是說(shuō)做到A點(diǎn)位于線路上設(shè)計(jì)覆蓋的任何一點(diǎn)時(shí)均不存在ΔT大于15 μs。故當(dāng)D1=0時(shí)，式（3）恒成立，此時(shí)D有極大值：

寬帶直放站：Dmax≤1.68 km；

聲表面濾波寬帶直放站：Dmax≤1.20 km。

當(dāng)A位于圖1中基站BTS左側(cè)或直放站遠(yuǎn)端機(jī)右側(cè)時(shí)，兩路信號(hào)所增加的空中傳播時(shí)延相互抵消，因此只要基站與直放站之間的距離D小于等于Dmax，那么移動(dòng)終端在區(qū)間線路的任何位置上，兩路信號(hào)到達(dá)移動(dòng)臺(tái)的時(shí)延差都不會(huì)超過(guò)15 μs。在實(shí)際的工程項(xiàng)目中，因?yàn)楣饫|敷設(shè)有迂回或盤(pán)留、基站設(shè)備均衡處理的能力需要留有余量，所以設(shè)計(jì)階段應(yīng)適當(dāng)縮小基站與直放站之間的距離。

對(duì)于非C3線路，由于不涉及傳送列控業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)，對(duì)QoS要求較為寬松，且不需要考慮冗余覆蓋，當(dāng)基站與直放站中間有阻擋，能較好的控制直放站信號(hào)覆蓋區(qū)域時(shí)，可以適當(dāng)拉遠(yuǎn)基站與直放站的間距。

2）直放站和直放站的重疊覆蓋

直放站和直放站的重疊覆蓋方案主要包括兩種場(chǎng)景，即空間波覆蓋和漏纜覆蓋。兩種場(chǎng)景的時(shí)延計(jì)算與上述基站和直放站的重疊覆蓋類(lèi)似，而且直放站系統(tǒng)時(shí)延相互抵消，因此直放站和直放站的間距與直放站設(shè)備類(lèi)型無(wú)關(guān)，計(jì)算結(jié)果如下：

a. 空間波覆蓋

當(dāng)D1=0時(shí)，D≤1.80 km。

b. 漏纜覆蓋

當(dāng)D1=0時(shí)，D≤1.70 km。

從以上計(jì)算結(jié)果看出，同信源的直放站與直放站間距設(shè)計(jì)也應(yīng)重點(diǎn)考慮多徑干擾。但是也可以發(fā)現(xiàn)，如果人為增加Tr2的基準(zhǔn)時(shí)延，可以增加D值。從公式（4）、（5）得到，當(dāng)人為增加Tr2的基準(zhǔn)時(shí)延至Tr1的基準(zhǔn)時(shí)延，此時(shí)仍是當(dāng)D1=0時(shí)，D取得極大值?？臻g波和漏纜覆蓋時(shí)，D值分別為4.5 km、4.0 km。數(shù)字直放站和分布式基站就是通過(guò)調(diào)整收發(fā)時(shí)延，使得共小區(qū)的站間距可增大至4 km以上而不產(chǎn)生多徑干擾。

實(shí)際工作中，可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)Abis接口測(cè)試報(bào)告的定時(shí)提前量（Time Advanced，TA）值來(lái)判斷信號(hào)的時(shí)延情況。TA是實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)幀同步的重要參數(shù)，每增加一個(gè)步長(zhǎng)相當(dāng)于基站與移動(dòng)臺(tái)之間的傳播徑路空中增加約0.55 km，或光纖增加0.37 km。

3.2 C/I大于12 dB

多徑干擾實(shí)質(zhì)上是一種同頻干擾，同頻載干比C/I（主信號(hào)/多徑信號(hào)）大于12 dB以上時(shí)，即使存在多徑信號(hào)系統(tǒng)也可正常工作。實(shí)際工程中，當(dāng)某處存在時(shí)延差大于15 μs的多徑信號(hào)時(shí)，可以通過(guò)改變多徑信號(hào)發(fā)射天線的方位角、俯仰角，或利用地形地貌阻隔多徑信號(hào)，或降低多徑信號(hào)的發(fā)射功率等措施，控制多徑信號(hào)的覆蓋范圍，達(dá)到該處主信號(hào)比多徑信號(hào)電平強(qiáng)12 dB以上，確保不發(fā)生多徑干擾。

4 典型案例

下面介紹兩個(gè)典型案例及其解決方案。

案例1 光纜迂回敷設(shè)過(guò)長(zhǎng)。

1） 現(xiàn)象

K1092附近在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間多次出現(xiàn)嚴(yán)重通信質(zhì)量差，同時(shí)該處TA值變化太快，如圖2所示。

2） 分析原因

查看設(shè)計(jì)方案，該處屬于并線區(qū)段，本線新設(shè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)需要接入既有的近端機(jī)/基站。經(jīng)了解，施工單位為了不征用路外土地，光纜從近端機(jī)/基站沿既有鐵路敷設(shè)到很遠(yuǎn)的兩條鐵路線相近隧道口處才迂回至本線新設(shè)遠(yuǎn)端機(jī)R14，導(dǎo)致兩者間的光纜長(zhǎng)度達(dá)5.4 km，如圖3所示。

3）整改措施

圖2 案例1服務(wù)小區(qū)通話質(zhì)量及TA測(cè)試圖Fig.2 Rx quality and TA measurement of serving cell in case 1

圖3 近端機(jī)/基站至直放站遠(yuǎn)端機(jī)光纜敷設(shè)徑路圖Fig.3 Route map of cable between MU/BTS and RU

重新選擇最短徑路，使近端機(jī)/基站至遠(yuǎn)端機(jī)R14的光纜長(zhǎng)度為1.7 km。根據(jù)前文的計(jì)算結(jié)果，該長(zhǎng)度可能會(huì)在基站處形成多徑干擾，因此同時(shí)還壓低了R14的發(fā)射功率及其天線俯仰角。

案例2直放站間距過(guò)大。

1） 現(xiàn)象

K1562處在聯(lián)調(diào)聯(lián)試期間多次出現(xiàn)連接丟失，如圖4所示。

2） 分析

查看設(shè)計(jì)方案，該處位于直放站W(wǎng)YSB-WYSD03/ R2與R3間， 如圖5所示。兩者間距2.7 km，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)前文的計(jì)算結(jié)果，因而在兩個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)重疊覆蓋的區(qū)域產(chǎn)生干擾。從綜合檢測(cè)車(chē)測(cè)試情況也可以明顯看出，該區(qū)段TA值變化太快，如圖6所示。

圖4 案例2服務(wù)小區(qū)通話質(zhì)量圖Fig.4 Rx quality of serving cell in case 2

圖5 GSM-R無(wú)線子系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.5 BSS composition diagram of GSM-R

3） 整改措施

適當(dāng)增加WYSB-WYSD03/R2基準(zhǔn)時(shí)延，使WYSB-WYSD03/R2、R3之間的TA差值減小。需要注意的是，WYSB-WYSD03/R2基準(zhǔn)時(shí)延提高后，它與相近的WYSB-WYSD03/R1、WYSB-WYSD03基站的時(shí)延差值超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)范圍，因此需要同步提高WYSB-WYSD03/R1的基準(zhǔn)時(shí)延；而WYSB-WYSD03基站無(wú)法人為提高其基準(zhǔn)時(shí)延，只能將WYSB-WYSD03基站的天線連接改為終端負(fù)載。

圖6 調(diào)整前服務(wù)小區(qū)TA圖Fig.6 TA of serving cell before adjustment

圖7 調(diào)整后服務(wù)小區(qū)TA圖Fig.7 TA of serving cell after adjustment

本工程中，由于沒(méi)有合適長(zhǎng)度的光纖，僅給WYSB-WYSD03/R1和R2分別增加2.3 km光纖，兩個(gè)直放站TA值增加到7（1個(gè)TA在光纖傳播距離為370 m），R2與R3兩路信號(hào)TA差值減小為3，如圖7所示。

4） 效果

增加光纖后，多徑干擾得到抑制，該區(qū)間通信質(zhì)量明顯改善，質(zhì)量控制在4級(jí)以?xún)?nèi)，如圖8所示。

圖8 調(diào)整后服務(wù)小區(qū)通信質(zhì)量圖Fig.8 Communication quality of serving cell after adjustment

5 多徑干擾排查及處理方法

多徑干擾的排查及處理，包括發(fā)現(xiàn)問(wèn)題、分析問(wèn)題、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及處理、驗(yàn)證及保障等方面。

發(fā)現(xiàn)問(wèn)題：通過(guò)網(wǎng)管分析、測(cè)試和事件報(bào)告發(fā)現(xiàn)通信質(zhì)量差、指標(biāo)不合格、無(wú)線通信超時(shí)等情況，及時(shí)發(fā)現(xiàn)多徑干擾。

分析問(wèn)題：查看Abis接口數(shù)據(jù)TA值，對(duì)比正常車(chē)次與異常車(chē)次TA值差異，查閱設(shè)計(jì)系統(tǒng)圖，推算異常TA的發(fā)射源。

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及處理：

1）在發(fā)生質(zhì)量差的地方，將所有設(shè)備開(kāi)啟，用測(cè)試手機(jī)測(cè)試到質(zhì)差現(xiàn)象；

2）鎖定占用該基站的BCCH頻點(diǎn)，單獨(dú)開(kāi)啟可能在該區(qū)域存在覆蓋的發(fā)射源（必要時(shí)應(yīng)給基站安裝終端負(fù)載），測(cè)試在此處的信號(hào)強(qiáng)度、服務(wù)質(zhì)量以及TA值；

3）開(kāi)啟正常覆蓋的基站/直放站，鎖定占用該基站的BCCH頻點(diǎn)，逐個(gè)開(kāi)啟其它發(fā)射源，測(cè)試在此處的信號(hào)強(qiáng)度、服務(wù)質(zhì)量以及TA值；

4）根據(jù)測(cè)試的信號(hào)強(qiáng)度、服務(wù)質(zhì)量以及TA值，確定干擾源；

5）調(diào)整干擾源的覆蓋電平或TA；

6）測(cè)試調(diào)整后該干擾源覆蓋區(qū)域的信號(hào)強(qiáng)度和服務(wù)質(zhì)量，確保達(dá)標(biāo)。

驗(yàn)證及保障：由于測(cè)試手機(jī)與車(chē)上移動(dòng)終端的應(yīng)用有較大差別，調(diào)整后應(yīng)安排第二天添乘及網(wǎng)管盯控，發(fā)生問(wèn)題及時(shí)回退。

6 建設(shè)及維護(hù)建議

在工程建設(shè)及維護(hù)中，針對(duì)多徑干擾問(wèn)題建議采取以下措施解決：

1) 設(shè)計(jì)是源頭，從設(shè)計(jì)方案上盡量避免多徑干擾的發(fā)生；

2) 優(yōu)化近端機(jī)/基站至遠(yuǎn)端機(jī)光纜敷設(shè)徑路，盡量控制光纜長(zhǎng)度在1.6 km以?xún)?nèi)；

3) 增加相應(yīng)遠(yuǎn)端機(jī)光纖長(zhǎng)度，使得同信源相鄰遠(yuǎn)端機(jī)之間的TA差值控制在4以?xún)?nèi)；

4) 調(diào)整直放站主從關(guān)系，把多徑干擾區(qū)段改為切換區(qū)；

5) 改變干擾源發(fā)射天線的方位角、俯仰角，利用地形地貌阻隔干擾源信號(hào)，或降低干擾源信號(hào)的發(fā)射功率等措施，確保問(wèn)題地點(diǎn)主信號(hào)比多徑信號(hào)電平強(qiáng)12 dB以上；

6) 采用數(shù)字直放站/分布式基站。

7 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃，我國(guó)山區(qū)、隧道GSM-R的建設(shè)越來(lái)越多，所采用的光纖直放站覆蓋方式存在的多徑干擾將給建設(shè)和維護(hù)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)。目前部分工程已經(jīng)開(kāi)始采用分布式基站或數(shù)字直放站等新的技術(shù)設(shè)備，這將有利于解決多徑干擾問(wèn)題，但還需經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試及工程實(shí)踐的檢驗(yàn)，并總結(jié)工程經(jīng)驗(yàn)，為更好地解決多徑干擾問(wèn)題，建設(shè)、運(yùn)營(yíng)可靠的GSM-R網(wǎng)絡(luò)提供參考。