直放站GSM-R网络优化分析及改进措施

2016-06-21牧云程上海铁路局安全监察室

上海铁道增刊 2016年3期

牧云程上海铁路局安全监察室

直放站GSM-R网络优化分析及改进措施

牧云程上海铁路局安全监察室

针对复杂地形，长大隧道等直放站应用较多的特殊区段的无线网络优化，结合合福铁路安徽段（出现掉话和通信质量差的情况，且均发生在直放站覆盖区段，并通过常规方式未达到优化目的）的工程案例总结解决问题的具体处理方法，为特殊区段的网络优化整治提供建议。

GSM-R；无线网络优化；直放站；应用声表滤波器

1 工程概况

新建合福铁路安徽段（上海局管内）正线自合肥南站至黄山北站,另含蚌福联络线（合肥北城站至合肥南站）及铜陵联络线。包含合肥西、长临河、巢湖东、无为、铜陵北、南陵、泾县、旌德、绩溪北、歙县北、黄山北等11个新建车站,其中正线343 km，从铜陵北到黄山北区段多为山区隧道，采用漏缆和直放站较多。全线无线网络建设情况如下：GSM-R系统新设BSC设备1套，新设BTS设备94套、直放站设备近端机40套，远端机115套；通信铁塔127座。

合福铁路安徽段GSM-R系统在合肥南通信站新设BSC/PCU设备，在上海核心网节点设置编译码和速率适配单元TRAU设备，在铁路沿线设置基站及直放站设备，实现单层交织冗余网络的无线覆盖。基站接入合肥南新设BSC/PCU设备，并通过在上海新设的TRAU设备上连至上海交换中心；为减少枢纽内跨BSC切换，本工程在合肥枢纽内新设设备均接入合肥既有BSC/PCU设备（既有设备为诺西公司设备）。

2 网优阶段遇到的传输事宜问题分析

随着合福铁路无线系统初步网优工作的推进，在解决了大量工程施工类的问题、并对天馈和无线子系统参数进行优化调整后，系统QoS指标有了大幅度的提升，但截至2015年1月18日测试指标尚未全部达标。1月19日至22日利用轨道车进行全线拉通测试后，对拉通测试数据进行了深入的分析后，发现在此期间出现的掉话和通信质量差的情况与前期掉话不同，均为新问题点，且均发生在直放站覆盖区段，在全数基站覆盖情况下通过优化参数可避免问题，但是在半数基站条件下，部分地点通过多次调整天线或系统参数均未达到优化目的。通过对设计方案和系统时延参数进行计算分析，初步判断该现象的原因是：直放站是数字设备，信号进入数字设备后要经过A/D转换，再经过数字信号处理，从设备输出时又要做D/A转换，在这种过程中需要的时间比较长，所以一般数字设备的TA都比较大。只要数字设备所带天馈覆盖区域与信源覆盖区域无重叠，TA值大也没多大问题。如果覆盖区域有重叠，那么TA值换算成时间T小于15 μs，也不会有多大问题。若大于15 μs则会出现时延色散，会出现干扰、掉话、质差等情况。根据数据分析，在合福部分区段，基站及其相邻直放站的设计距离偏大且有覆盖区域的重叠，使信号传输时延差不满足小于15 μs的要求，容易产生码间干扰并进一步影响通信质量。

2.1 关键参数TA值介绍

时间提前量TA（Timing Advance）的作用是为了补偿电波传输延迟，而根本目的则是为了提高信道编解码效率。由于GSM采用TDMA，每载频8个时隙，应严格保持时隙间的同步，没有TA就无法克服固有的无线传输劣势。

GSM的小区半径可以达到35 km，从手机出来的信号需要经过一定时间才能到达基站，因此我们必须采取一定的措施（时延调整），来保证信号在恰当的时候到达基站。

简单来说，就是采用时间提前量（TA）参数调整发信时间。TA是由基站根据接收到测量报告确定的，然后发送给手机，正常通话中，当MS接近基站时，基站就会通知MS减小时间提前量；而当MS远离小区中心时，基站就会要求MS加大时间提前量。

2.2 基站与直放站的设计距离理论分析

合福高铁无线网络直放站应用中,在很多桥隧结合部处会遇到以下这种情况：终端即可以直接收到基站A的信号,又可以收到被直放站放大的基站A的信号,虽然接收电平非常强,但是下行质量却非常差.这种质量恶化其实就是由码间干扰造成的.即终端直接收到基站A的信号通过路径a到达,由于是直达,因此时延很小,假设为TA1;终端收到被直放站放大的基站A的信号通过路径b到达,由于直放站会增大时延,假设为TA2,若TA2与TA1的差值超过该信号符号长度的10%时,就会产生码间干扰,造成质量恶化.(不考虑终端内是否存在均衡器).一个TA比特的时长为3.7 μs,因此 TA2-TA1＜57.7 μs/3.7 μs即TA2-TA1＜15.因此，从不同路径到达接收点的TA不能超过15，否则会产生干扰，质量恶化的情况。

如图1所示。在基站和直放站之间，基站的信号与直放站转发的信号重合，为了不产生码间干扰，需满足两个条件：

（1）基站自身信号与通过直放站转发的本站信号造成的多径时延应控制在4TA之内，约为15 μs。

（2）两路信号强度的比值＜12 dB，也就是强度相差不大。

图1 基站与直放站内信号位置示意图

时延的计算方法为：

系统时延＝光缆时延（A）+直放站系统时延（B）+直放站信号空间波传输时延（C）-基站无线信号空间波传输时延（D）

上式中，达到码间干扰的条件，可近似认为C＝D；

A＝5 μs×光缆长度（km）；

B＝0 μs～5 μs，采用声表滤波器的一般为3 μs～5 μs（根据厂家提供的数据，直放站时延为3.5 μs～3.7 μs）。

则A+B最大允许值15 μs，按照直放站技术条件，B按照5 μs考虑，则A为10 μs，可进一步计算得到直放站到基站的光缆长度最大为2 km。考虑GSM-R单网交织组网，在宿主基站宕机时，直放站需覆盖至宿主基站的位置，以及光缆工程迂回、余量的要求，在其他客运专线等前期300 km/h～350 km/h客专线路设计中，一般直放站与基站的距离都按照小于1.5 km控制。如果该距离过长，将会在局部区域形成不满足上述两个条件的点，对通信质量造成影响。

2.3 直放站设计方案

根据合福铁路安徽段的直放站设计方案，同时考虑了施工工程量变化因素后，汇总分析基站与其相邻第一个主用直放站的光缆长度超过1.5 km的区段如表1所示。

表1 基站与直放站光缆距离

由表1中可知，存在多处光缆超过1.5 km区段，这就对直放站设备自身的时延提出了较高的要求。本线直放站采用了声表面滤波器，自身时延为3.5 μs，比其他类型直放站时延稍偏大，因此在相同的系统设计原则下，根据实测结果，在本线直放站覆盖区段，容易发生掉话且通信质量相对较差，从而对QoS指标的影响概率会增大。

3 网优方案措施

3.1 网优方案

因本线设计方案中光缆的长度设置多处已接近临界值，因此在工程施工已完成的前提下，大幅度改变既有组网方案难度非常大，讨论后提出以下两步网优方案：

（1）减少应用声表滤波器直放站的传输时延

直放站采用声表滤波器提高直放站系统的频率选择性，保护系统不受其他系统和频率的干扰。但使用声表滤波器，一般会增加3.5 μs～3.7 μs左右的时延，造成直放站设备本身的时延比一般时延多出3 μs。因此，在厂家提出的设备整改方案基础之上，选取时延问题具有代表性的站点去除声表滤波器，可以减少3.5 μs～3.7 μs左右的时延。

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（2）调整设计方案

由于本线不是根据施工图招标，所以个别地段的初步设计方案与现场工程实际存在一定的偏差，主要表现为有七处光缆连接超过2 km的问题，如：某区段A基站与其相邻直放站RU02的实际光缆距离已经接近3 km左右，再加上光缆接续损耗，理论上光缆传输时延已经达到15 μs，即使直放站设备时延为0也无法满足要求，通过去除声表滤波器无法改善。与设计沟通后，采取优化调整直放站连接基站的方案，将连接基站的光缆长度控制在2 km之内。其他超过2 km的区段依此类推处理，调整直放站连接的基站，使光缆距离小于2 km后再采取步骤1的方法。

按照以上两个计划步骤，随后安排试验进行现场验证。只选择光缆长度在1.5 km～2 km左右的区段进行去除直放站的声表滤波器的实验，分析实验数据以对比试验效果，本次选择 RU22、RU50-RU53两处进行试验。

3.2 减少声表滤波器前后对比结果

3.2.1 减少前

（1）RU22

掉话原因分析：占用RU22天线信号TA值为7，该位置距离07号基站1.1 km，占用07号基站信号的TA值为2，基站自身信号与RU22信号多径时延差为5个TA，超过15 μs产生码间干扰，上行7级质差导致掉话。

（2）RU50-RU53

该区段偶数站测试时，基站03号到基站05，在K1226处发生掉话现象。

掉话原因分析：基站03向基站05在RU50处切换，在RU53处占用RU53天线信号TA值为10，该位置距离基站05的距离是2.5 km，占用基站信号时TA为5，基站自身信号与RU53天线信号多径时延差为5个TA，超过15 μs产生码间干扰，上行7级质差导致掉话。

3.2.2 减少后

（1）RU22

RU22减少滤波器后（减小3.7 μs），基站自身信号与RU22信号多径时延差减小为4个TA，没有产生码间干扰，通话质量良好，不再掉话。

（2)RU50-53

RU53减少滤波器后（减小3.7 μs），基站自身信号与RU53信号多径时延差减小为4个TA，没有产生码间干扰，通信质量良好，没有掉话。

3.3 结论

减少声表滤波器对缩小TA差值、改善通信质量有明显的效果。后续网优工作将根据这次网优试验的结果，结合每日测试数据，选取类似的直放站区段采取类似的方法提高通信质量。虽然减少声表滤波器对无用频率的筛选功能会有所降低，但考虑到采用直放站的区段都是偏远的山区，运营商的无线覆盖不密集，频率调整相对容易简单。发现有运营商的频率干扰后，我们完全可以联系运营商，督促对方及时通过频率调整防止同频率干扰和互调干扰的出现，因此该方案有效可行。

3.4 后续工作

（1）做好公网移动通信运营商的退频协调工作。声表滤波器减少后，直放站的带外抑制能力减弱，中国电信的下行频段为870 MHz-880 MHz,会落入直放站的GSM-R的上行频带内，因此合福沿线中国电信的信号有可能对GSM-R系统的上行造成干扰，影响通信质量。为确保运营期间GSM-R系统的通信质量，建设单位应继续组织好网优小组测试并分析可能存在的公网频率干扰，并积极联系相关运营商进行退频。

（2）直放站厂家需按照已经去除声表滤波器后的直放站数量，做好备品备件的准备工作。

（3）整改过后安排网优小组结合检测车运行计划，安排人员上车测试分析数据，继续跟踪观察后续效果，发现问题后立即组织分析处理。