王文帅

(国能朔黄铁路发展有限责任公司，河北肃宁 062350)

LTE(Long Term Evolution)是一种基于3GGP的通用移动通信系统技术，2004年，LTE概念正式提出，经过需求讨论、标准研究和标准制定3个阶段，最终形成国际通用标准。LET技术的推广及应用大幅提升了移动通信业务的用户体验，相较于3G，LTE不仅具有更高的通信速率和频带利用率，同时还具有网络架构简单、系统部署灵活及网络时延低等优点。根据双工方式不同，LTE可分为TDD-LTE和FDD-LTE两种制式。相较于FDD，TDD-LET具有多项优势：①配置频率灵活，使用FDD系统不易使用的零散频段；②可以通过调整上下行时隙转换点，提高下行时隙比例，并支持非对称业务；③具有上下行信道一致性，基站的接收和发送可共用部分射频单元。经过不断发展和完善，TDD-LTE技术已广泛应用于民用移动通信领域。

2014年9月，LTE宽带无线移动通信系统在朔黄铁路正式上线运行，采用TDD-LTE制式，工作频率为1 785～1 795 MHz。承载业务涉及列车运行的实时性数据和非实时性数据，主要包括重载列车机车同步、可控列尾、调度通信、调度命令、无线车次号校验等，见表1。

表1 朔黄铁路LTE网络承载业务

LTE-R网络采用共站址双网络冗余覆盖，在设计、建设阶段，均以保障网络业务承载能力完好率、优质率为首要目标。已有学者开展相关研究，岳彩青以LTE网络与PSTN、调度语言系统的对接方式、协议应用及适配为研究对象，认为行车语言调度业务在LTE网络中十分重要[1]；胡跃华分析朔黄铁路LTE网络承载应用业务的扩展方法和具体流程[2]；梁轶群等以RRU共小区、接入网共享为研究对象，提出一种LTE-R网络冗余组网技术，在网络规划设计方面充分考虑了网络安全性[3]；韩瑞峰分析朔黄铁路LTE网络常见故障的恢复处理方法[4]；赵留俊等以无线射频链路预算作为基本方法，给出不同场景下的隧道覆盖方案[5]。

以往研究多集中于LTE网络建设、业务应用研究及常见故障处理等方面，当网络运维阶段发生设备故障影响无线覆盖，导致网络业务承载能力下降(缺失)时，传统的故障处理难以满足要求。因此，以提升故障应急处置效率为目的，进行应急处置策略研究很有必要。

1 LTE-R无线网络覆盖场景与故障类型

鉴于LTE-R无线网络在重载铁路行车业务中的重要作用，当其发生故障且短时间不能恢复时，势必引起线路堵塞，导致运输秩序混乱[6-7]。为了将这种影响减少到最小，应遵循“先通后复”的原则，以最短时间恢复网络运行。根据故障应急处置效率对LTE-R网络故障进行分类，以判别是否采用应急处置方式恢复网络。故障应急处置效率EoEH定义如下，即

(1)

其中，Tp为预计故障处理时长；Ts为应急处置设置时长。

当EoEH≤1时，表示故障具备短时间恢复的条件，不需要采用应急处置方式，可按照普通故障处理程序，有序恢复网络；当EoEH>1时，表示故障不具备短时间恢复的条件，需立即采取应急处置方式，以满足行车业务需求。

由故障应急处置效率可以看出，把握处置时机，并形成有效联动机制，是增强故障应急策略实用性的关键。因此，需要对LTE网络无线覆盖场景和网络故障类型等信息进行梳理和分类。

1.1 LTE-R无线网络覆盖场景分析

铁路LTE无线网络属于典型线性组网模式，其沿途地貌和气候条件复杂，海拔落差大，涉及覆盖场景种类多[8]。根据朔黄重载铁路LTE组网情况，重点对LTE-R无线网络在平原覆盖和山区覆盖的典型场景进行分析。

(1)平原覆盖

平原覆盖多集中于平原地区，地势平坦空旷，建筑物较稀疏。无线覆盖采用在铁路一侧安装四角铁塔，天线安装在铁塔上，分别覆盖上、下行方向。站间距平均为3 km，车站之间基本为直线，个别段落为曲线(弯度在10°以内)，天线采用18 dbi增益、65°水平波瓣，见图1。

图1 典型的平原覆盖场景

(2)山区覆盖

山区覆盖场景主要集中于丘陵地区，地形复杂，桥隧相连，沟壑交汇，且铁路组网呈带状。漏泄同轴电缆(漏缆)可有效保证隧道、桥梁、沟壑及高路堑地段的场强需求。漏缆系统主要包括：漏缆、电桥、避雷器、直流阻断器、跳线等器件。

山区覆盖场景中，漏缆敷设成本及施工难度均较大，如在桥梁上或高路堑地段架设漏缆。在两隧道口之间无法进行漏缆覆盖时，一般通过在隧道口位置增设尾巴天线的方式，来实现无线场强的覆盖，见图2。

图2 典型的漏缆覆盖场景示意

1.2 LTE-R无线网络故障类型分析

造成LTE-R无线网络故障的原因较多，如核心网系统、传输系统、电源、无线系统等异常均可导致无线网络故障。根据场景分析，导致LTE-R网络短时间不能恢复的故障，主要集中在无线系统侧，因此，应重点分析这类故障，以有效提升故障应急处置效率。

(1)基站设备故障

基站设备故障通常指基站主设备故障导致的无线网络中断，其中包括基站BBU设备、RRU设备故障等。根据朔黄LTE网络结构情况，当1个BBU设备发生故障时，将导致该设备连接的2～3个RRU基站的网络无法提供正常业务承载服务，影响范围达9～12 km，影响面较大；当RRU设备故障时，该设备覆盖范围内无法提供正常服务，影响范围为2～3 km，影响范围相对较小[9]。

(2)铁塔及天线故障

平原覆盖场景中，铁塔及塔上天馈系统作为重要的无线射频信号收发承载实体，是共站址双网覆盖的公共单元，若该部分发生故障，将严重影响该场景下的无线场强。天线故障包括高驻波、天线主体损坏(雷击、器件老化)等，铁塔故障包括受外力损坏、倾斜度劣化、倒塌等[10]。

(3)漏缆系统故障

漏缆系统出现故障时，将严重影响漏缆无线射频信号的传播，出现信号场强传播中断、信号传输衰减过大等现象，导致漏缆无线覆盖场强出现弱覆盖、信号场强抖变、覆盖空洞等问题，造成车载设备无法入网、故障区段切换失败、上下行吞吐率降低等异常[11-12]。

常见的漏缆系统故障如下。

①漏缆受外力挤压，造成破损、折断、弯曲半径超限等导致的高驻波、高信号传输损耗；

②跳线、电桥、避雷器、直流阻断器等主要器件发生损坏或性能下降，导致高驻波、高信号传输损耗；

③漏缆、漏缆接头等处进水，导致高驻波、高信号传输损耗；

④附属尾巴天线故障。

2 LTE-R无线网络应急处置策略

基于重载铁路LTE无线网络应用场景及网络故障类型分析，需根据不同应用场景及故障类型进行针对性的策略分析，从而进一步完善现场应急处置恢复作业措施。

2.1 模块化LTE应急基站应用策略

当发生重大LTE基站故障，如机房塌陷损毁、火灾、隧道内机房渗水、渗液等，LTE基站内的无线设备、传输设备、电源设备不能短时间内恢复，故障应急效率远大于1时，可采用模块化LTE应急基站作为应急处置手段，在短时间内为故障基站覆盖区段提供有力保障，将大大压缩网络中断延时。

2.2 RRU级联策略

在漏缆覆盖场景中，若两个基站间的漏缆由于某种原因导致严重损坏无法短时间内完成修复，或需要进行漏缆更换时，可通过在级联RRU上连接周期性对数天线来解决故障区域的覆盖，RRU级联进行信号补强示意见图3。

图3 RRU级联进行信号补强示意

2.3 天线调整策略

平原覆盖场景单一，LTE基站出现故障导致无线网络中断时，可通过调整中断基站上、下行方向最近的相关基站天线下倾角、方位角等工程参数，解决由于基站中断造成的覆盖空洞，从而保证LTE-R系统场强连续覆盖。天线工程参数调整策略以无线网络设计场强覆盖冗余为基础，在保证无线业务正常承载的前提下，达到补强覆盖盲区最大化[13]，见图4。

图4 基站有效覆盖范围示意

天线工程参数调整应以不影响基站自身覆盖区域场强性能为前提。天线调整策略应在日常维护中完成制定，而非应急处置时临时动议。该策略以大量日常网络优化测试数据为依据，以基站越区信号强度(即基站A信号在基站B至基站C区间内的场强)为参考，在完成有效GIS仿真后，合理确定基站天线下倾角调整幅度，并逐一分析补强信号强度，制定相关基站天线调整方案，见图5。

图5 补强信号场强GIS仿真示意

在进行天线调整前，需对所调整基站天线的工程参数进行详细记录，以便完成故障处理后的工参复原。天线下倾角调整时应优先进行天线电子下倾角调整，当电子下倾角调整无法满足实际需求时，再考虑机械下倾角调整。

2.4 软参调整策略

软参调整作为上述几种应急策略的补充，可快速有效地实施。软参调整策略的制定应以现网场强覆盖及业务应用为前提，以大量的日常网络优化测试数据为依据，在完成有效的GIS仿真后，再确定具体的调整量。主要调整软参有参考信号功率和切换参数两类[14]。

(1)参考信号功率

该参数表示每个物理天线的小区参考信号的功率值，该值的设置将影响基站发射功率。参数设置需要综合多方面因素，既要保证覆盖与容量平衡，又要保证信道估计的有效性，还要保证对干扰的合理控制。

该参数对无线网络性能的影响如下。

①覆盖：该参数设置过大会造成越区覆盖，对其他小区造成干扰；参数设置过小，会造成覆盖不足，出现盲区。

②干扰：由于受周围小区干扰的影响，该参数设置也会不同，干扰大的地方需要留出更大的干扰余量。

③信道估计：该参数设置会影响信道估计，参数越大，信道估计精度越高，解调门限越低，接收机灵敏度越高，对邻区干扰也越大。

④容量：参数越大，覆盖越好，但用于数据传输的功率越小，会造成系统容量的下降。

基站发射功率由参考信号功率参数决定，同时受RRU物理硬件性能影响。当通过调整参考信号功率来补强因基站设备故障造成的覆盖盲区时，需调整相邻基站的参考信号功率，牺牲部分系统容量来提升基站覆盖半径，减少覆盖盲区。

(2)切换参数

切换参数主要包括小区级切换参数和邻区级切换参数。

小区级切换参数包括同频切换幅度迟滞、同频切换偏置、同频切换时间迟滞3类，当基站发生故障，可切换相邻两基站的小区级参数，如将同频切换幅度迟滞、同频切换偏置、同频切换时间迟滞3个参数调小，使小区切换更加容易，以保障故障基站两相邻小区的切换成功率[15]。

邻区级切换参数主要包括小区偏移量，该参数为邻区级参数，仅对邻区关系所涉及的两个小区生效。用于控制同频测量事件发生的难易程度和切换次数，当基站发生故障时，可将相邻基站邻区的小区偏移量增大，提升同频测量和切换次数，提升故障基站相邻的邻区切换成功率。

小区级、邻区级切换参数区别主要在于生效对象、生效范围不同，见图6。小区级切换参数和邻区级切换参数对比见表2。

图6 小区级、邻区级参数生效范围示意

表2 小区级、邻区级参数对照

3 LTE-R无线网络应急处置效果评估原则

LTE-R无线网络应急处置措施实施完成后，需要对其效果进行评估，以验证无线网络对业务的承载能力。从网管验证、拨打测试、优化验证3个方面验证网络业务承载服务能力。

(1)网管告警验证

涉及基站设备应急措施、天馈连接等作业完成后，需要LTE-R网管侧对相关设备、硬件进行告警核查，确认所有涉及的网元、设备无告警。

(2)业务终端拨打测试

在应急处置实施区间，利用业务终端进行拨打测试，重点验证通话接通情况、通话清晰情况。

(3)网络优化测试验证

在确认网元、设备无告警后，需要对应急处置实施区间进行无线网络优化测试，采集网络性能指标并分析，以验证无线业务承载能力[16]。网络优化测试项、测试内容及指标要求见表3。

表3 网络测试内容

4 结论

为提升重载铁路LTE网络故障应急处置效率，依据重载铁路LTE网络组网模型，通过对影响无线覆盖、导致网络业务承载能力下降(缺失)的设备故障进行分析，提出架设模块化基站、设置级联RRU、调整相邻基站天馈参数、调整相邻小区软参等应急处置策略，并给出应急处置效果评估原则。通过朔黄重载铁路实际应用，验证所提策略对LTE网络故障快速恢复切实有效，并有助于提高LTE-R网络的可靠性和稳定性。