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(tǒng)中車載設備在規(guī)定時間內(nèi)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(tǒng)為CTCS-3級列控系統(tǒng)提供車地雙向數(shù)據(jù)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(tǒng)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(shù)據(jù)包正確接收的時間間隔，計時超出目標值時，CTCS-3系統(tǒng)判定為無線消息通信超時。

接收信號質(zhì)量（RxQual）：一個測量報告周期內(nèi)接收信號質(zhì)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(zhì)量，即移動終端（簡稱MT）在測量報告中包含的測量數(shù)據(jù)之一。

如表1所示，通信質(zhì)量值越大，誤比特率值越高，實際信號質(zhì)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(tǒng)應用層消息誤碼、丟幀現(xiàn)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(fā)送的定時提前量，MT根據(jù)定時提前量調(diào)整上行數(shù)據(jù)發(fā)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(tǒng)，經(jīng)過開通運營前的聯(lián)調(diào)聯(lián)試，GSM-R網(wǎng)絡狀態(tài)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(wǎng)絡規(guī)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(wǎng)絡引發(fā)無線消息超時，致使CTCS-3降級情況時有發(fā)生，這與聯(lián)調(diào)聯(lián)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(qū)段無線側網(wǎng)絡狀態(tài)處于臨界狀態(tài)，不同廠家MT或統(tǒng)一類型MT下行通信質(zhì)量存在較大差異。通過接口監(jiān)測數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，發(fā)生無線消息超時的問題區(qū)段，車載MT的下行信道通信質(zhì)量大多較差（持續(xù)5級以上）。

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

外網(wǎng)強信號干擾導致下行信道質(zhì)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(xié)調(diào)公網(wǎng)運營商（如移動公司）降低公網(wǎng)干擾源信號功率、調(diào)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(xié)調(diào)公網(wǎng)運營商采取物理隔離方式，設置GSM-R與公網(wǎng)900 MHz系統(tǒng)的保護頻帶。與GSM-R系統(tǒng)的物理隔離一般不小于2.5 MHz帶寬。優(yōu)化鐵路沿線無線電磁環(huán)境，避免對GSM-R網(wǎng)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(zhì)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(diào)整MT接收情況，改善下行信道通信質(zhì)量，解決無線消息超時現(xiàn)象至關重要。本文介紹武廣高鐵SG-YDX06基站下行信道通信質(zhì)量差引發(fā)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(zhì)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(fā)生下行通信質(zhì)量7級，導致CTCS-3級無線消息超時，G637次動車組發(fā)生無線消息超時現(xiàn)象時MT測量報告數(shù)據(jù) 如 圖1所 示。MT在K2085+847從SG-YDX05切換至SG-YDX06后，下行信道持續(xù)通信質(zhì)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(xù)通信質(zhì)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(qū)間GSM-R系統(tǒng)網(wǎng)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(tǒng)Fig.3 GSM-R system between BTS SG-YDX05 and BTS SG-YDX06

問題區(qū)段處于長大隧道內(nèi)，GSM-R系統(tǒng)的電磁環(huán)境良好，可以排除外界干擾情況造成下行通信質(zhì)量變差的可能。對比正常車次和問題車次MT的測量報告，發(fā)現(xiàn)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(qū)域SGYDX06不同信源的TA進行計算。

測試區(qū)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(jù)GSM-R系統(tǒng)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(tǒng)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(zhì)差。

5 解決措施

由GSM系統(tǒng)原理可知，TA跳變導致下行信道通信質(zhì)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(nèi)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(qū)域避開TA跳變區(qū)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(diào)整SG-YDX05至SG-YDX06功率預算切換門限，由63調(diào)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(xiàn)象仍偶有發(fā)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(zhì)量良好，再未發(fā)生無線消息超時現(xiàn)象。

斷開SG-YDX05/R4從纖后，檢測車數(shù)據(jù)顯示交織覆蓋良好，不影響GSM-R系統(tǒng)的運營使用。

6 調(diào)整方案歸納

同頻多信源、多徑造成的下行信道通信質(zhì)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(zhì)量差的引發(fā)信號源，從而對問題信號源采取針對性調(diào)整措施。

1）空間波覆蓋、漏纜覆蓋區(qū)，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(qū)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(fā)下行通信質(zhì)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(jīng)驗值超過3就得優(yōu)化）產(chǎn)生下行質(zhì)差。

3）通過調(diào)整切換參數(shù)，優(yōu)化小區(qū)切換位置，避開TA跳變區(qū)域，避免因TA跳變導致質(zhì)差。

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

4）在直放站區(qū)段增加時延均衡器，解決因時延不一致造成網(wǎng)內(nèi)同頻干擾引起質(zhì)差問題。如長沙南站站場覆蓋有6個直放站，經(jīng)多次網(wǎng)優(yōu)后，仍不時發(fā)生下行質(zhì)差引發(fā)無線超時，增加時延均衡器后基本沒有發(fā)生。

圖5 優(yōu)化小區(qū)切換位置案例Fig.5 Case of optimizing the cell handover location

說明：GSM-R時延調(diào)整模塊是以現(xiàn)代軟件無線電平臺為基礎的數(shù)字接收發(fā)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(nèi)部經(jīng)過設置的時延后，再送至發(fā)射機發(fā)送出去。該模塊加入模擬直放站系統(tǒng)不影響現(xiàn)有模擬直放站的正常運行，能滿足時延調(diào)整的需求。GSM-R時延調(diào)整模塊，加入模擬直放站系統(tǒng)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(diào)整，能夠解決部分切換后下行質(zhì)差問題。

7 結束語

GSM-R運營維護中下行通信質(zhì)量與無線消息超時存在一定聯(lián)系，應重視對下行通信質(zhì)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(jù)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(wǎng)絡優(yōu)化提供便利。