直放站GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析及改進(jìn)措施

牧云程 上海鐵路局安全監(jiān)察室

直放站GSM-R網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化分析及改進(jìn)措施

牧云程 上海鐵路局安全監(jiān)察室

針對復(fù)雜地形，長大隧道等直放站應(yīng)用較多的特殊區(qū)段的無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，結(jié)合合福鐵路安徽段（出現(xiàn)掉話和通信質(zhì)量差的情況，且均發(fā)生在直放站覆蓋區(qū)段，并通過常規(guī)方式未達(dá)到優(yōu)化目的）的工程案例總結(jié)解決問題的具體處理方法，為特殊區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化整治提供建議。

GSM-R；無線網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化；直放站；應(yīng)用聲表濾波器

1 工程概況

新建合福鐵路安徽段（上海局管內(nèi)）正線自合肥南站至黃山北站,另含蚌福聯(lián)絡(luò)線（合肥北城站至合肥南站）及銅陵聯(lián)絡(luò)線。包含合肥西、長臨河、巢湖東、無為、銅陵北、南陵、涇縣、旌德、績溪北、歙縣北、黃山北等11個(gè)新建車站,其中正線343 km，從銅陵北到黃山北區(qū)段多為山區(qū)隧道，采用漏纜和直放站較多。全線無線網(wǎng)絡(luò)建設(shè)情況如下：GSM-R系統(tǒng)新設(shè)BSC設(shè)備1套，新設(shè)BTS設(shè)備94套、直放站設(shè)備近端機(jī)40套，遠(yuǎn)端機(jī)115套；通信鐵塔127座。

合福鐵路安徽段GSM-R系統(tǒng)在合肥南通信站新設(shè)BSC/PCU設(shè)備，在上海核心網(wǎng)節(jié)點(diǎn)設(shè)置編譯碼和速率適配單元TRAU設(shè)備，在鐵路沿線設(shè)置基站及直放站設(shè)備，實(shí)現(xiàn)單層交織冗余網(wǎng)絡(luò)的無線覆蓋?；窘尤牒戏誓闲略O(shè)BSC/PCU設(shè)備，并通過在上海新設(shè)的TRAU設(shè)備上連至上海交換中心；為減少樞紐內(nèi)跨BSC切換，本工程在合肥樞紐內(nèi)新設(shè)設(shè)備均接入合肥既有BSC/PCU設(shè)備（既有設(shè)備為諾西公司設(shè)備）。

2 網(wǎng)優(yōu)階段遇到的傳輸事宜問題分析

隨著合福鐵路無線系統(tǒng)初步網(wǎng)優(yōu)工作的推進(jìn)，在解決了大量工程施工類的問題、并對天饋和無線子系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整后，系統(tǒng)QoS指標(biāo)有了大幅度的提升，但截至2015年1月18日測試指標(biāo)尚未全部達(dá)標(biāo)。1月19日至22日利用軌道車進(jìn)行全線拉通測試后，對拉通測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了深入的分析后，發(fā)現(xiàn)在此期間出現(xiàn)的掉話和通信質(zhì)量差的情況與前期掉話不同，均為新問題點(diǎn)，且均發(fā)生在直放站覆蓋區(qū)段，在全數(shù)基站覆蓋情況下通過優(yōu)化參數(shù)可避免問題，但是在半數(shù)基站條件下，部分地點(diǎn)通過多次調(diào)整天線或系統(tǒng)參數(shù)均未達(dá)到優(yōu)化目的。通過對設(shè)計(jì)方案和系統(tǒng)時(shí)延參數(shù)進(jìn)行計(jì)算分析，初步判斷該現(xiàn)象的原因是：直放站是數(shù)字設(shè)備，信號進(jìn)入數(shù)字設(shè)備后要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換，再經(jīng)過數(shù)字信號處理，從設(shè)備輸出時(shí)又要做D/A轉(zhuǎn)換，在這種過程中需要的時(shí)間比較長，所以一般數(shù)字設(shè)備的TA都比較大。只要數(shù)字設(shè)備所帶天饋覆蓋區(qū)域與信源覆蓋區(qū)域無重疊，TA值大也沒多大問題。如果覆蓋區(qū)域有重疊，那么TA值換算成時(shí)間T小于15 μs，也不會有多大問題。若大于15 μs則會出現(xiàn)時(shí)延色散，會出現(xiàn)干擾、掉話、質(zhì)差等情況。根據(jù)數(shù)據(jù)分析，在合福部分區(qū)段，基站及其相鄰直放站的設(shè)計(jì)距離偏大且有覆蓋區(qū)域的重疊，使信號傳輸時(shí)延差不滿足小于15 μs的要求，容易產(chǎn)生碼間干擾并進(jìn)一步影響通信質(zhì)量。

2.1 關(guān)鍵參數(shù)TA值介紹

時(shí)間提前量TA（Timing Advance）的作用是為了補(bǔ)償電波傳輸延遲，而根本目的則是為了提高信道編解碼效率。由于GSM采用TDMA，每載頻8個(gè)時(shí)隙，應(yīng)嚴(yán)格保持時(shí)隙間的同步，沒有TA就無法克服固有的無線傳輸劣勢。

GSM的小區(qū)半徑可以達(dá)到35 km，從手機(jī)出來的信號需要經(jīng)過一定時(shí)間才能到達(dá)基站，因此我們必須采取一定的措施（時(shí)延調(diào)整），來保證信號在恰當(dāng)?shù)臅r(shí)候到達(dá)基站。

簡單來說，就是采用時(shí)間提前量（TA）參數(shù)調(diào)整發(fā)信時(shí)間。TA是由基站根據(jù)接收到測量報(bào)告確定的，然后發(fā)送給手機(jī)，正常通話中，當(dāng)MS接近基站時(shí)，基站就會通知MS減小時(shí)間提前量；而當(dāng)MS遠(yuǎn)離小區(qū)中心時(shí)，基站就會要求MS加大時(shí)間提前量。

2.2 基站與直放站的設(shè)計(jì)距離理論分析

合福高鐵無線網(wǎng)絡(luò)直放站應(yīng)用中,在很多橋隧結(jié)合部處會遇到以下這種情況：終端即可以直接收到基站A的信號,又可以收到被直放站放大的基站A的信號,雖然接收電平非常強(qiáng),但是下行質(zhì)量卻非常差.這種質(zhì)量惡化其實(shí)就是由碼間干擾造成的.即終端直接收到基站A的信號通過路徑a到達(dá),由于是直達(dá),因此時(shí)延很小,假設(shè)為TA1;終端收到被直放站放大的基站A的信號通過路徑b到達(dá),由于直放站會增大時(shí)延,假設(shè)為TA2,若TA2與TA1的差值超過該信號符號長度的10%時(shí),就會產(chǎn)生碼間干擾,造成質(zhì)量惡化.(不考慮終端內(nèi)是否存在均衡器).一個(gè)TA比特的時(shí)長為3.7 μs,因此 TA2-TA1＜57.7 μs/3.7 μs即TA2-TA1＜15.因此，從不同路徑到達(dá)接收點(diǎn)的TA不能超過15，否則會產(chǎn)生干擾，質(zhì)量惡化的情況。

如圖1所示。在基站和直放站之間，基站的信號與直放站轉(zhuǎn)發(fā)的信號重合，為了不產(chǎn)生碼間干擾，需滿足兩個(gè)條件：

（1）基站自身信號與通過直放站轉(zhuǎn)發(fā)的本站信號造成的多徑時(shí)延應(yīng)控制在4TA之內(nèi)，約為15 μs。

（2）兩路信號強(qiáng)度的比值＜12 dB，也就是強(qiáng)度相差不大。

圖1 基站與直放站內(nèi)信號位置示意圖

時(shí)延的計(jì)算方法為：

系統(tǒng)時(shí)延＝光纜時(shí)延（A）+直放站系統(tǒng)時(shí)延（B）+直放站信號空間波傳輸時(shí)延（C）-基站無線信號空間波傳輸時(shí)延（D）

上式中，達(dá)到碼間干擾的條件，可近似認(rèn)為C＝D；

A＝5 μs×光纜長度（km）；

B＝0 μs～5 μs，采用聲表濾波器的一般為3 μs～5 μs（根據(jù)廠家提供的數(shù)據(jù)，直放站時(shí)延為3.5 μs～3.7 μs）。

則A+B最大允許值15 μs，按照直放站技術(shù)條件，B按照5 μs考慮，則A為10 μs，可進(jìn)一步計(jì)算得到直放站到基站的光纜長度最大為2 km。考慮GSM-R單網(wǎng)交織組網(wǎng)，在宿主基站宕機(jī)時(shí)，直放站需覆蓋至宿主基站的位置，以及光纜工程迂回、余量的要求，在其他客運(yùn)專線等前期300 km/h～350 km/h客專線路設(shè)計(jì)中，一般直放站與基站的距離都按照小于1.5 km控制。如果該距離過長，將會在局部區(qū)域形成不滿足上述兩個(gè)條件的點(diǎn)，對通信質(zhì)量造成影響。

2.3 直放站設(shè)計(jì)方案

根據(jù)合福鐵路安徽段的直放站設(shè)計(jì)方案，同時(shí)考慮了施工工程量變化因素后，匯總分析基站與其相鄰第一個(gè)主用直放站的光纜長度超過1.5 km的區(qū)段如表1所示。

表1 基站與直放站光纜距離

由表1中可知，存在多處光纜超過1.5 km區(qū)段，這就對直放站設(shè)備自身的時(shí)延提出了較高的要求。本線直放站采用了聲表面濾波器，自身時(shí)延為3.5 μs，比其他類型直放站時(shí)延稍偏大，因此在相同的系統(tǒng)設(shè)計(jì)原則下，根據(jù)實(shí)測結(jié)果，在本線直放站覆蓋區(qū)段，容易發(fā)生掉話且通信質(zhì)量相對較差，從而對QoS指標(biāo)的影響概率會增大。

3 網(wǎng)優(yōu)方案措施

3.1 網(wǎng)優(yōu)方案

因本線設(shè)計(jì)方案中光纜的長度設(shè)置多處已接近臨界值，因此在工程施工已完成的前提下，大幅度改變既有組網(wǎng)方案難度非常大，討論后提出以下兩步網(wǎng)優(yōu)方案：

（1）減少應(yīng)用聲表濾波器直放站的傳輸時(shí)延

直放站采用聲表濾波器提高直放站系統(tǒng)的頻率選擇性，保護(hù)系統(tǒng)不受其他系統(tǒng)和頻率的干擾。但使用聲表濾波器，一般會增加3.5 μs～3.7 μs左右的時(shí)延，造成直放站設(shè)備本身的時(shí)延比一般時(shí)延多出3 μs。因此，在廠家提出的設(shè)備整改方案基礎(chǔ)之上，選取時(shí)延問題具有代表性的站點(diǎn)去除聲表濾波器，可以減少3.5 μs～3.7 μs左右的時(shí)延。

教材的例題與習(xí)題里蘊(yùn)含著思想教育因素，只要努力鉆研，認(rèn)真?zhèn)湔n，就能把這些因素挖掘出來，在課堂教學(xué)中不失時(shí)機(jī)地進(jìn)行思想教育。如：在教學(xué)簡單的統(tǒng)計(jì)時(shí)，把我國的體育健兒在歷屆夏季奧運(yùn)會獲得獎牌的數(shù)量設(shè)計(jì)成統(tǒng)計(jì)表，讓學(xué)生通過分析、觀察、比較，體會出奧運(yùn)健兒為國爭光的拼搏奉獻(xiàn)精神，從而樹立學(xué)生崇高的理想。這樣，既加強(qiáng)了數(shù)學(xué)與生活的聯(lián)系，又賦予數(shù)學(xué)教學(xué)中的思想教育以時(shí)代的氣息，學(xué)生容易產(chǎn)生共鳴，有新鮮感。

（2）調(diào)整設(shè)計(jì)方案

由于本線不是根據(jù)施工圖招標(biāo)，所以個(gè)別地段的初步設(shè)計(jì)方案與現(xiàn)場工程實(shí)際存在一定的偏差，主要表現(xiàn)為有七處光纜連接超過2 km的問題，如：某區(qū)段A基站與其相鄰直放站RU02的實(shí)際光纜距離已經(jīng)接近3 km左右，再加上光纜接續(xù)損耗，理論上光纜傳輸時(shí)延已經(jīng)達(dá)到15 μs，即使直放站設(shè)備時(shí)延為0也無法滿足要求，通過去除聲表濾波器無法改善。與設(shè)計(jì)溝通后，采取優(yōu)化調(diào)整直放站連接基站的方案，將連接基站的光纜長度控制在2 km之內(nèi)。其他超過2 km的區(qū)段依此類推處理，調(diào)整直放站連接的基站，使光纜距離小于2 km后再采取步驟1的方法。

按照以上兩個(gè)計(jì)劃步驟，隨后安排試驗(yàn)進(jìn)行現(xiàn)場驗(yàn)證。只選擇光纜長度在1.5 km～2 km左右的區(qū)段進(jìn)行去除直放站的聲表濾波器的實(shí)驗(yàn)，分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)以對比試驗(yàn)效果，本次選擇 RU22、RU50-RU53兩處進(jìn)行試驗(yàn)。

3.2 減少聲表濾波器前后對比結(jié)果

3.2.1 減少前

（1）RU22

掉話原因分析：占用RU22天線信號TA值為7，該位置距離07號基站1.1 km，占用07號基站信號的TA值為2，基站自身信號與RU22信號多徑時(shí)延差為5個(gè)TA，超過15 μs產(chǎn)生碼間干擾，上行7級質(zhì)差導(dǎo)致掉話。

（2）RU50-RU53

該區(qū)段偶數(shù)站測試時(shí)，基站03號到基站05，在K1226處發(fā)生掉話現(xiàn)象。

掉話原因分析：基站03向基站05在RU50處切換，在RU53處占用RU53天線信號TA值為10，該位置距離基站05的距離是2.5 km，占用基站信號時(shí)TA為5，基站自身信號與RU53天線信號多徑時(shí)延差為5個(gè)TA，超過15 μs產(chǎn)生碼間干擾，上行7級質(zhì)差導(dǎo)致掉話。

3.2.2 減少后

（1）RU22

RU22減少濾波器后（減小3.7 μs），基站自身信號與RU22信號多徑時(shí)延差減小為4個(gè)TA，沒有產(chǎn)生碼間干擾，通話質(zhì)量良好，不再掉話。

（2)RU50-53

RU53減少濾波器后（減小3.7 μs），基站自身信號與RU53信號多徑時(shí)延差減小為4個(gè)TA，沒有產(chǎn)生碼間干擾，通信質(zhì)量良好，沒有掉話。

3.3 結(jié)論

減少聲表濾波器對縮小TA差值、改善通信質(zhì)量有明顯的效果。后續(xù)網(wǎng)優(yōu)工作將根據(jù)這次網(wǎng)優(yōu)試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)合每日測試數(shù)據(jù)，選取類似的直放站區(qū)段采取類似的方法提高通信質(zhì)量。雖然減少聲表濾波器對無用頻率的篩選功能會有所降低，但考慮到采用直放站的區(qū)段都是偏遠(yuǎn)的山區(qū)，運(yùn)營商的無線覆蓋不密集，頻率調(diào)整相對容易簡單。發(fā)現(xiàn)有運(yùn)營商的頻率干擾后，我們完全可以聯(lián)系運(yùn)營商，督促對方及時(shí)通過頻率調(diào)整防止同頻率干擾和互調(diào)干擾的出現(xiàn)，因此該方案有效可行。

3.4 后續(xù)工作

（1）做好公網(wǎng)移動通信運(yùn)營商的退頻協(xié)調(diào)工作。聲表濾波器減少后，直放站的帶外抑制能力減弱，中國電信的下行頻段為870 MHz-880 MHz,會落入直放站的GSM-R的上行頻帶內(nèi)，因此合福沿線中國電信的信號有可能對GSM-R系統(tǒng)的上行造成干擾，影響通信質(zhì)量。為確保運(yùn)營期間GSM-R系統(tǒng)的通信質(zhì)量，建設(shè)單位應(yīng)繼續(xù)組織好網(wǎng)優(yōu)小組測試并分析可能存在的公網(wǎng)頻率干擾，并積極聯(lián)系相關(guān)運(yùn)營商進(jìn)行退頻。

（2）直放站廠家需按照已經(jīng)去除聲表濾波器后的直放站數(shù)量，做好備品備件的準(zhǔn)備工作。

（3）整改過后安排網(wǎng)優(yōu)小組結(jié)合檢測車運(yùn)行計(jì)劃，安排人員上車測試分析數(shù)據(jù)，繼續(xù)跟蹤觀察后續(xù)效果，發(fā)現(xiàn)問題后立即組織分析處理。

4 結(jié)束語

通過減少應(yīng)用聲表濾波器直放站的傳輸時(shí)延及優(yōu)化直放站連接基站的接入點(diǎn)，提高了通信質(zhì)量，消除了碼間干擾，優(yōu)化了GSM-R網(wǎng)絡(luò)，為后期GSM-R網(wǎng)絡(luò)在特殊區(qū)段的網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化提供了新的解決方案。

責(zé)任編輯：宋 飛

來稿時(shí)間：2016-08-19