鐵路GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)時間提前量異常問題研究

權(quán) 凌

GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)采用單網(wǎng)交織覆蓋的方式承載CTCS-3級列控系統(tǒng)車地通信數(shù)據(jù)傳輸業(yè)務(wù)。在隧道區(qū)段，通常使用光纖直放站拉遠(yuǎn)的方式進(jìn)行弱場區(qū)段的無線信號覆蓋。光纖直放站由近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)兩部分組成，每一臺遠(yuǎn)端機(jī)均引入來自相鄰基站的主從兩路信號［1-2］，但冗余信號的引入無形中增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性。統(tǒng)計廣州局集團(tuán)公司管內(nèi)高鐵線路歷年來CTCS-3級無線超時或降級故障的分布，直放站區(qū)段遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于非直放站區(qū)段［3］，其中有一類小區(qū)切換后初始時間提前量TA異常的故障尤為突出。然而，基于目前掌握的技術(shù)條件和數(shù)據(jù)，還無法確定造成此類故障的真實(shí)原因，究竟是車載終端或基站設(shè)備工作異常，還是無線電磁環(huán)境干擾等因素造成的影響，成為困擾GSM-R專業(yè)技術(shù)人員的一個難題。為此，需要深入研究TA的基本原理，通過方法設(shè)計和優(yōu)化改造，進(jìn)一步提升GSM-R基站空口監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測功能，準(zhǔn)確定位TA異常的根本原因。

1 提出問題

某高鐵列車從南往北運(yùn)行，由基站2 向基站1切換時發(fā)生小區(qū)切換失敗，導(dǎo)致CTCS-3級列控系統(tǒng)車地之間的通信連接中斷，列車發(fā)生CTCS-3級無線超時故障。該區(qū)段的GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)基站子系統(tǒng)見圖1。

圖1 GSM-R無線網(wǎng)絡(luò)基站子系統(tǒng)

該區(qū)段處于RBC 移交區(qū)，列車2 個車載電臺（Mobile Terminal，MT）交替呼叫前、后兩套RBC，并完成通信連接移交。列車到達(dá)RBC 移交區(qū)預(yù)告應(yīng)答器位置，第1 個移交車載電臺MT1 繼續(xù)保持通信連接，第2 個接管車載電臺MT2 開始起呼下一個RBC，此時，MT1和MT2同時保持通話，列車到達(dá)RBC 移交區(qū)時，MT1 中斷通信連接并將控制權(quán)移交給MT2，故障位置正好位于重疊區(qū)［2］。

首先分析發(fā)生CTCS-3 級無線超時故障的MT1。Abis 接口（基站控制器BSC 與基站BTS 之間的接口）信令數(shù)據(jù)顯示，MT1 與基站2 通信時其上/下行電平和通信質(zhì)量正常，MT1 從基站2 往基站1 切換，嘗試接入基站1 的載頻為1001，切換檢測信令消息顯示初始TA=9，之后基站1多次向BSC 發(fā)送建立指示信令消息，按照小區(qū)切換標(biāo)準(zhǔn)信令流程，這表明基站已經(jīng)向MT1 回復(fù)了無編號確認(rèn)（Unnumbered Acknowledgement，UA）信令消息，但后續(xù)BSC沒有收到小區(qū)切換完成信令消息，并且由于MT1未能返回基站2小區(qū)，最終切換失敗并導(dǎo)致車地通信中斷，引起CTCS-3 級無線超時故障［2］［4］。

其次分析MT2的Abis接口信令數(shù)據(jù)。MT2與基站2 通信時其上/下行電平和通信質(zhì)量正常，MT2 從基站2 往基站1 小區(qū)切換成功，接入基站1的載頻同樣為1001，初始TA=5，MT2 與基站1通信時其上下行電平和通信質(zhì)量正常。

綜上所述，2 個MT 同時進(jìn)行小區(qū)切換，MT1切換失敗，MT2 切換成功，MT1 接入基站1 小區(qū)的初始TA比MT2 偏大，存在4 個TA的差距。車載設(shè)備廠家反饋MT1 存在時間同步問題，無法識別基站發(fā)送的UA 消息，MT1 無法接入新信道，同時又無法返回原信道，最終發(fā)生切換失敗而掉線。該問題已成為CTCS-3級無線超時故障多發(fā)的典型案例，需進(jìn)一步深入研究。本文將從TA基本原理、理論值計算和現(xiàn)場測試，以及空口監(jiān)測系統(tǒng)功能優(yōu)化等方面逐層剖析和研究，最終找到定位故障原因的技術(shù)手段和方法。

2 TA基本原理

2.1 TA的定義

信號在空間傳輸過程中會有延遲，如果車載電臺在呼叫期間向遠(yuǎn)離基站的方向移動，則從基站發(fā)出的信號將“越來越遲”地到達(dá)車載電臺，與此同時，車載電臺的信號也會“越來越遲”地到達(dá)基站，延遲過長會導(dǎo)致基站收到車載電臺的信號在本時隙上無法正確解調(diào)，甚至可能與基站需要接收的下一個車載電臺的信號時隙相互重疊，引起時隙間的干擾，導(dǎo)致通信質(zhì)量下降，甚至中斷。唯一的解決方法就是車載電臺通過提前相對于接收的發(fā)射時間，補(bǔ)償往返傳播時延，這個值稱為“定時提前”，即時間提前量TA［5-6］。

基站根據(jù)車載電臺發(fā)送的消息計算TA值，切換過程中車載電臺接收到基站發(fā)送的切換命令消息（Handover Command）后，向基站發(fā)送TA值為0的接入突發(fā)（Access Burst，AB）脈沖，即切換接入脈沖消息（Handover Access）。AB 脈沖編碼結(jié)構(gòu)見圖2。該脈沖中包含一段41 bit 的訓(xùn)練序列，基站解析出AB 脈沖，定位訓(xùn)練序列，通過計算訓(xùn)練序列和時隙開始邊沿的相對時間，得出2 倍傳輸時間，從而推導(dǎo)出TA的數(shù)值。最后，基站將TA的數(shù)值寫入物理消息信令（Physical Information）并發(fā)送給車載電臺［4］。

圖2 接入突發(fā)脈沖編碼結(jié)構(gòu)

2.2 TA的計算及異常分析

TA計算原理見圖3，2個時隙邊緣中間的部分代表一個時隙，一個時隙可以理解為一個緩沖區(qū)，只有AB 脈沖落在緩沖區(qū)范圍之內(nèi)，基站才能準(zhǔn)確解析AB 脈沖。之后，鎖定用于TA估計的訓(xùn)練序列，該訓(xùn)練序列在AB 脈沖中的位置固定，即圖3中所示的“固定序列”?；疽罁?jù)固定序列和時隙邊緣開始的相對位置，計算出TA的數(shù)值。

圖3 TA計算原理

因此，歸納TA異常的可能原因有3種：

1）車載電臺與基站同步存在問題，車載電臺發(fā)送AB 脈沖較遲，AB 脈沖落在時隙靠后的位置，TA的估算就會異常偏大。

2）Um接口（空中接口）和光纖直放站系統(tǒng)鏈路存在多徑信號，可能導(dǎo)致TA的估算異常偏大。

3）基站軟硬件故障導(dǎo)致TA估算出錯。

3 TA理論值計算和現(xiàn)場測試

結(jié)合典型故障案例，通過TA理論值計算和現(xiàn)場測試進(jìn)一步驗證故障現(xiàn)象顯示的TA結(jié)果，確定問題區(qū)段實(shí)際的TA數(shù)值。

3.1 TA理論值計算

根據(jù)圖1 分析小區(qū)切換點(diǎn)位于線路公里標(biāo)K2047+000位置，此處基站1的信號只有基站1/R2主信號和基站2/R1 從信號（信源為基站1）覆蓋，該區(qū)域光纖直放站的光纖長度實(shí)際測試結(jié)果見表1。

表1 基站1光纖直放站光纖長度

首先，根據(jù)TA的基本原理可以計算出電磁波在不同介質(zhì)傳播的TA=1 的基準(zhǔn)值，分別為空間傳播550 m、漏纜傳播484 m、光纖傳播367 m。然后，分別計算基站1 的2 路信號的TA理論值，此處距離基站1/R2 為733 m，距離基站2/R1 為531 m，需要考慮空間、漏纜和光纖的距離［4-5］。

1）基站1/R2主信號在切換點(diǎn)處：TA=（733/550）+（0/484）+（536.1/367）≈3

2）基站2/R1從信號在切換點(diǎn)處：

TA=（531/550）+（0/484）+（2020.7/367）≈7

TA理論值計算結(jié)果表明，在切換點(diǎn)處不存在TA為9的信號（9為異常偏大的數(shù)值）。

3.2 TA現(xiàn)場測試

為了驗證TA理論值計算的準(zhǔn)確性，結(jié)合現(xiàn)場的實(shí)際情況，制定了測試方案。每次測試只保留一個信號，斷開其他信號，利用GSM-R 路測儀逐個對光纖直放站信號進(jìn)行現(xiàn)場測試。

1）只保留基站1/R1 主信號，斷開其他信號。在線路公里標(biāo)K2346+800 至K2347+200 區(qū)段測試，無基站1小區(qū)信號。

2）只保留基站1/R2 主信號，斷開其他信號。在線路公里標(biāo)K2346+800 位置測試小區(qū)電平約為-70 dBm，TA為4；K2347+000 位置小區(qū)電平約為-75 dBm，TA為4；K2347+200 位置小區(qū)電平約為-78 dBm，TA為5?，F(xiàn)場測試結(jié)果與TA理論值基本一致。

3）只保留基站2/R1 從信號，斷開其他信號。在線路公里標(biāo)K2346+800 位置測試小區(qū)電平約為-75 dBm，TA為6；K2347+000 位置小區(qū)電平約為-70 dBm，TA為6；K2347+200 位置小區(qū)電平約為-63 dBm，TA為7?，F(xiàn)場測試結(jié)果與TA理論值基本一致。

4）只保留基站2/R2 從信號，斷開其他信號。在線路公里標(biāo)K2346+800 至K2347+200 區(qū)段測試，無基站1小區(qū)信號。

由根號的±條件可知，方程(18)有2個根，根一般為不相等的實(shí)根，即對某一變量角θ2的值解得2個對應(yīng)的θ4根。這兩個解對應(yīng)機(jī)構(gòu)的2個位形，即機(jī)構(gòu)的交叉和開式2個位形。解得θ4的負(fù)解對應(yīng)開式位形，解得θ4的正解對應(yīng)交叉位形。

綜合以上現(xiàn)場測試結(jié)果，切換點(diǎn)附近只有基站1/R2 主信號和基站2/R1 從信號，而且現(xiàn)場測試的實(shí)際TA與TA理論值基本一致，沒有測試到TA為9 的信號，驗證了TA出現(xiàn)了異常偏大的問題，需要引入新的技術(shù)手段和方法進(jìn)行進(jìn)一步的故障定位。

4 空口監(jiān)測系統(tǒng)功能優(yōu)化方案

近年來，廣州局集團(tuán)公司管內(nèi)多條GSM-R 線路安裝了基站空口監(jiān)測系統(tǒng)，用于采集GSM-R 基站的空口信令、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)（RBC 與車載ATP、CTC 與車載CIR 之間交互的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等）和無線頻譜等信息，能夠準(zhǔn)確、高效地定位故障原因，發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中存在的隱患［7-8］。

為了準(zhǔn)確定位TA異常偏大的真實(shí)原因，需要在空口準(zhǔn)確地捕獲切換過程中車載電臺向基站發(fā)送的Handover Access 消息。由于Handover Access 消息具有突發(fā)性和隨機(jī)性，此前空口監(jiān)測系統(tǒng)并不具備此項功能，因此需要擴(kuò)展和完善空口監(jiān)測系統(tǒng)的功能。

4.1 新增Handover Access消息捕捉功能

利用GSM-R 基站空口監(jiān)測系統(tǒng)，通過優(yōu)化Handover Access 消息的譯碼程序，實(shí)時監(jiān)測切換接入脈沖消息。

空口監(jiān)測系統(tǒng)獲取每一幀數(shù)據(jù)，使用訓(xùn)練序列對數(shù)據(jù)進(jìn)行滑動相關(guān)運(yùn)算，每次滑動一個比特，采用相關(guān)值最大的峰值比特位置進(jìn)行數(shù)據(jù)幀同步；通過數(shù)據(jù)譯碼程序可計算出多個相關(guān)峰值比特位置，同時在多路信號峰值比特位置上尋找有效數(shù)據(jù)；最終通過改造并增強(qiáng)空口監(jiān)測系統(tǒng)捕捉MT在小區(qū)切換過程中發(fā)送給基站的Handover Access 消息的功能，研究復(fù)雜的多路信號環(huán)境對TA計算的影響［5-6］。

4.2 定義并引入變量BitShift

空口監(jiān)測系統(tǒng)根據(jù)多個路徑獲取的信號進(jìn)行相關(guān)值計算，如果能夠解析出Handover Access消息，開始計算比特偏移量，那么就可以確定是否因多路徑信道造成了TA異常。

由于基站和空口監(jiān)測系統(tǒng)的時間存在偏差，首先需要確定基站與空口監(jiān)測系統(tǒng)之間的同步固定偏移值，可以通過多次采集的數(shù)據(jù)比對確定，此處同步固定偏移值為16BitShift，而每增加2BitShift約為1TA；最后，根據(jù)采集到的BitShift可以估算出TA。

5 空口監(jiān)測系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集驗證

首先對空口監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化，增強(qiáng)Handover Access 消息的捕捉功能，定義并引入比特偏移量BitShift。然后通過數(shù)據(jù)統(tǒng)計確定現(xiàn)場TA異常多發(fā)的基站，制定軟件升級方案并實(shí)施，實(shí)時跟蹤和采集空口數(shù)據(jù)。最后選取基站計算結(jié)果TA為9和11的兩趟列車數(shù)據(jù)，進(jìn)行空口原始數(shù)據(jù)的采集驗證，比較空口監(jiān)測系統(tǒng)的計算結(jié)果與基站計算的TA異常偏大的結(jié)果是否一致。

5.1 切換后TA=9空口數(shù)據(jù)分析

按照空口信令流程，基站接收到車載電臺發(fā)送的Handover Access 消息之后，計算出TA值并通過Physical Information 消息將TA值發(fā)送給車載電臺，可以通過Physical Information 消息的解碼信息確定TA=8［9-10］。

驗證空口數(shù)據(jù)采集的結(jié)果，列出了多個路徑的相關(guān)峰值（Peak），Peak 越大，表示相關(guān)性越強(qiáng)，圖4 中BitShift32 的路徑相關(guān)峰值最大，而且只有一個路徑（path 0，即BitShift32 的路徑）能解碼Handover Access 消息。根據(jù)消息估算TA=（34-16）/2=9，其他路徑均無法解碼Handover Access消息，忽略不計。

圖4 TA=9空口Handover Access消息解碼示意

5.2 切換后TA=11空口數(shù)據(jù)分析

同理，選取基站發(fā)送的Physical Information 消息中TA=11的情況。

驗證空口數(shù)據(jù)采集的結(jié)果見圖5，BitShift38的路徑相關(guān)峰值最大，而且只有一個路徑（Path 0，即BitShift38 的路徑）能解碼Handover Access 消息，根據(jù)消息估算TA=（38-16）/2=11。其他路徑均無法解碼Handover Access消息，忽略不計。

圖5 TA=11空口Handover Access消息解碼示意圖

綜上所述，利用此方法驗證TA典型案例的空口數(shù)據(jù)，可知空口監(jiān)測系統(tǒng)估算的TA值與基站計算的TA值基本一致，且只有一路信號能夠正確解碼Handover Access 消息，并未監(jiān)測到多路有用的信號。故可以確定TA異常并非GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)原因引起，排除了Um接口和光纖直放站系統(tǒng)鏈路存在多徑信號或基站軟硬件故障導(dǎo)致TA異常偏大的可能性。最終確定是車載電臺與基站同步存在問題，車載電臺發(fā)送Handover Access 消息AB 脈沖存在延遲現(xiàn)象，消息在到達(dá)基站之前就已經(jīng)存在BitShift比特偏移量超過正常數(shù)值的現(xiàn)象，最終導(dǎo)致了TA異常偏大的結(jié)果。

6 結(jié)語

針對廣州局CTCS-3 級無線超時故障分析TA異常偏大的典型案例，查找故障原因。結(jié)合TA基本原理，充分挖掘包括空口監(jiān)測系統(tǒng)在內(nèi)的各個輔助系統(tǒng)的功能。通過優(yōu)化Handover Access 消息的譯碼程序，定義并引入比特偏移量BitShift等措施，完成了廣州局空口監(jiān)測系統(tǒng)新增Handover Access 消息捕獲和分析功能優(yōu)化方案的設(shè)計和實(shí)施，最終解決了因技術(shù)手段和方法缺失導(dǎo)致無法分析和定位TA異?，F(xiàn)象的問題。本文提出的TA異常偏大問題的故障定位方法和思想，對鐵路GSM-R 無線網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)和維護(hù)具有一定的指導(dǎo)意義。