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)
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。
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。
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。
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。
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。
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
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。
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。
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。