邢小琴

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

GSM-R直放站引起的多徑時延擴展問題分析與解決

邢小琴

（中國鐵道科學研究院 基礎設施檢測研究所，北京 100081）

針對GSM-R網絡中直放站使用導致的多徑時延擴展問題，闡述多徑時延擴展原理，分析多徑時延擴展給CTCS-3列控系統(tǒng)應用帶來的影響，并提出降低、消除直放站引起的多徑時延擴展的應對措施。

GSM-R網絡；直放站；多徑時延；時延擴展；信號干擾

光纖直放站是GSM系統(tǒng)基站與移動臺之間的中繼轉發(fā)器，屬于同頻放大設備，在無線通信傳輸過程中起到增強射頻信號的作用，廣泛應用在GSM-R線路中隧道、山區(qū)、路塹等地形環(huán)境。隨著我國鐵路的快速發(fā)展，越來越多的高鐵線路縱橫交錯，GSM-R網絡在鐵路線路上的覆蓋情況也越來越復雜。另外，由于目前使用光纖直放站的方式延續(xù)了過去模擬直放站的用法，在GSM-R數字無線通信系統(tǒng)中，光纖直放站給列控系統(tǒng)實際應用和網絡優(yōu)化帶來許多問題。在此針對光纖直放站引起的多徑時延所帶來的信號干擾進行探討。

1 基本概念

1.1 TA值

定時提前量（Time Advanced，TA）是指GSM-R系統(tǒng)的移動臺信號到達基站的實際時間和假設該移動臺與基站距離為0時移動臺信號到達基站的時間差值?；靖鶕盎尽苿优_—基站”環(huán)形路徑損耗進行計算?；緦σ苿优_信號到達的時間進行監(jiān)控，根據到達時間的變化在下行的慢速隨路控制信道（SACCH）系統(tǒng)消息上每2 s向移動臺發(fā)出時間調整指令，即TA的取值。移動臺將其發(fā)送時間提前TA，從而補償移動臺與基站之間的傳輸損耗，并使不同移動臺的信號到達基站的時間保持同步，該過程就是自適應幀同步[1]。

TA是實現自適應幀同步的重要參數，同時還可用于計算移動臺與基站之間的絕對距離。TA值為［0，63］的整數，每增加一個步長，表示基站與移動臺之間的距離增加約0.55 km。移動臺與基站的絕對距離范圍為0～35 km。

1.2 多徑時延擴展

在無線傳播環(huán)境中，發(fā)射機發(fā)射的信號經空間傳播后，到達接收機天線的信號不來自于單一路徑，而是眾多反射波的合成。在頻域上各個路徑的反射波到達天線時間不同，相位也不同。不同相位的多個信號到達接收機后相互迭加，同相迭加則增強，反相迭加則減弱，由此產生多徑衰落。在時域上經過不同路徑、有時間差異的各個信號的合成信號在時域中則會出現相對于原信號的時延擴展[2]。時延擴展是衡量多徑傳播信道質量的一個重要指標。

時延擴展定義為最大傳播時延和最小傳播時延的差值，即最后一個可分辨的時延信號與第一個時延信號到達時間的差值，實際上就是脈沖展寬的時間。在數字傳輸中，由于時延擴展，接收信號中一個碼元的波形會擴展到其他碼元周期中，引起碼間串擾，因此要求最大時延擴展小于一個碼元的持續(xù)時間[3]。GSM系統(tǒng)規(guī)定接收機必須能夠補償12～15 μs的多徑時延（對應4～5個碼元周期），可通過在接收機中采用自適應非線性均衡器來實現。

2 GSM-R直放站引起多徑時延擴展原理

基站與直放站的連接示意見圖1，GSM-R基站通過光纖與遠端直放站連接，并通過直放站發(fā)射與基站同頻的信號。在基站與直放站之間同時被兩者信號覆蓋的區(qū)域內，移動臺可接收到基站直接發(fā)射的信號，還能接收到基站通過光纖傳輸至直放站、再經直放站天線發(fā)射的信號，兩路信號屬于同源 信號但傳輸路徑不同、到達時延不同，從而在移動臺的接收機處出現多徑時延擴展。同理，該區(qū)域內移動臺發(fā)射的信號可直接被基站接收，還可以被直放站接收，再經光纖傳輸到基站，兩路信號在基站的接收機處引起多徑時延擴展。

多徑時延擴展場景示意見圖2，假設基站與直放站之間的直線距離為L，直放站信號向基站方向的最遠覆蓋距離為△L，移動臺與直放站的距離為Lp。信號在光纖中的傳播速率為2×108m/s，則信號在單位長度光纖內傳輸所需要時間為Df=5 μs/km。信號在空中的傳播速率約為3×108m/s，則信號在單位距離內傳輸所需要的時間為Da=3.3 μs/km。直放站設備引起的時延約為Dr=5 μs，移動臺接收機的多徑時延擴展為：

按規(guī)定有：Dt≤15（GSM接收機多徑時延補償為12～15 μs）。即：

也就是說直放站在基站方向的覆蓋范圍應滿足：

以上推理適用于直放站只對單個基站信號進行放大的情況。在實際應用中，對于交織覆蓋的線路，圖2中的光纖直放站還有放大右側基站（圖中未畫出）向左側基站（圖中所示）方向信號覆蓋的作用，直放站的信號還需覆蓋至對端基站。這種情況下，不能簡單采用限制△L范圍的辦法，而應考慮在圖中基站的主要覆蓋范圍內（L－△L）直放站信號滿足基本覆蓋要求的前提下，直放站信號比圖中基站信號強度弱，且相差32 dB以上，以確保直放站信號不會對基站信號造成多徑干擾。

3 多徑時延擴展對CTCS-3列控系統(tǒng)的影響

圖1 基站與直放站的連接示意圖

圖2 多徑時延擴展場景示意圖

多徑時延擴展在GSM-R網絡中以干擾的形式出現，出現多徑時延擴展的區(qū)段會有載干比下降、話音質量惡化等現象發(fā)生，在CTCS-3列控系統(tǒng)應用中則會出現車地數據傳輸誤碼，甚至通信中斷等現象。

3.1 問題描述

在2015年對高鐵線路 A的服務質量測試[4]中發(fā)現，9—12月CZ-NJN17基站作為服務小區(qū)的區(qū)段出現載干比明顯變差的現象（見圖3），圖中的綠色曲線為載干比測試曲線，測試規(guī)范要求載干比測試值應不低于12。圖中的紅色曲線為話音質量測試曲線，有多處4級話音質量出現。而該區(qū)段8月測試的載干比和話音質量均較好（見圖4）。

圖3 2015年9—12月高鐵線路A下行測試截圖

圖4 2015年8月高鐵線路A下行測試截圖

調取所屬鐵路局接口監(jiān)測數據發(fā)現，該區(qū)段在2015年11月—2016年1月期間，累計發(fā)生4次CTCS-3至CTCS-2降級故障。其中，2016年1月5日某次車載終端切換進入該小區(qū)后通信終端上行電平良好，但質量變差（Rxqual=2~4），基站側沒有收到下行測量報告。查看經過該區(qū)段的其他列車發(fā)現，大部分列車在該區(qū)段的TA值變 化為9→3，少數列車TA值變化為3→1。說明該區(qū)域存在多個同源但不同路徑的信號，也就是存在多徑時延擴展。

3.2 多徑時延擴展分析

高鐵線路A與高鐵線路B交匯處地形見圖5。高鐵線路B于2015年8月底開始聯(lián)調聯(lián)試，12月底正式開通運營，高鐵線路B在CZ-NJN17基站處與高鐵線路A交匯后合并為一條線，2條高鐵線路共用CZ-NJN17基站。直放站A與CZ-NJN17相連，在NJN-JNX01方向進行隧道內覆蓋，同時向CZ-NJN18基站方向進行覆蓋。

圖5 高鐵線路A與高鐵線路B交匯處地形

在高鐵線路A上行方向行駛的列車，經過CZ-NJN18至CZ-NJN17的切換點時，同時接收到CZ-NJN17基站發(fā)射的信號和直放站A發(fā)射的信號。CZ-NJN17基站到直放站A的光纖距離大于等于1.0 km，直放站A至切換點的直線距離約為1.6 km。直放站設備時延約為5 μs，按信號在空中的傳播估算，相當于經歷了約1.5 km的距離。那么列車在切換點處收到的來自于直放站A的信號傳輸距離約為（1.0 km+1.6 km+1.5 km），即4.1 km。每增加一個TA值相當于增加500 m的距離，則4.1 km的距離相當于8～9個TA值。CZ-NJN17基站至圖中切換點的距離約為1.3 km，為2～3個TA值，與接口監(jiān)測數據中觀察到的運營列車通信終端的情況相符。

按照上述計算多徑時延擴展的思路，列車在切換點處收到的來自直放站A的時延為5 μs（1 km×5 μs/km）+ 5 μs（直放站設備時延）+5.28 μs（1.6 km×3.3 μs/km）= 15.28 μs，列車在切換點處收到的來自CZ-NJN17基站的信號時延約為1.3 km×3.3 μs/km=4.29 μs。多徑時延擴展約為15.28 μs-4.29 μs=10.99 μs，滿足小于15 μs的規(guī)定。盡管大部分運營列車的列控通信終端在該處即使通過直放站A進行通信，話音質量受到一定程度影響，未對列控數據傳輸造成嚴重影響，但部分性能稍差的終端則可能因話音質量惡化導致車地通信中斷，從而發(fā)生降級事件。

另外，在基站與直放站的共同覆蓋區(qū)，移動終端接收到的2個信號源下行信號強度只與路徑損耗有關。但是對于移動終端發(fā)射的上行信號，除了無線傳播中的路徑損耗外，直放站還會對上行信號進行放大。也就是說，假設在移動終端處，來自不同路徑的下行接收信號相同，那么在基站處接收到的經過直放站傳輸的上行信號強度會高于基站直接收到的上行信號強度。查看高鐵線路A CZ-NJN17基站Abis接口上行監(jiān)測數據也基本印證這個現象，如果在與CZ-NJN18基站切換前上行電平較高（-49～-47 dBm，經直放站至基站），則TA值一定為8～9，如果電平相對低一些（-52～-50 dBm，未經直放站直接至基站），TA值為4左右。這種情況下，上行信號在基站接收機處也容易造成相互干擾。

4 解決方案

為盡可能減少多徑時延擴展帶來的影響，根據計算分析，可采取如下措施：

（1）減小基站與直放站之間連接光纜的長度。對鐵路而言，一旦網絡建成，基站與直放站位置便已固定，但在施工時一般會在滿足連接需求的基礎上預留一定長度的光纜，相當于增加了式（1）中L·Df項的值。可通過剪除多余光纜的長度來降低多徑時延擴展帶來的影響。

（2）減小△L。通過調整直放站天線俯仰角或調整射頻功率等方法，減小直放站向與之相連的基站方向的覆蓋范圍△L，即減小Lp，從而降低多徑時延擴展帶來的影響。

根據通信網絡測試中對多徑干擾問題分析處理的經驗，提出多徑干擾問題的分析步驟：（1）關注通信網絡服務質量測試中的載干比指標和服務質量測試指標的變化，檢查是否有劣化現象，關注車載終端TA值的變化區(qū)間；（2）若載干比指標、服務質量指標劣化現象的問題區(qū)間設置有直放站設備，結合區(qū)間設備的連接方式（天線、漏纜），參考上述多徑時延擴展原理，分析是否存在多徑時延擴展；（3）結合地形及相鄰基站信號覆蓋情況，制定調整措施。在不影響線路覆蓋要求的情況下，盡量拆除引起多徑時延擴展的直放站，既可優(yōu)化網絡質量，同時還減輕養(yǎng)護維修的工作量。目前已建成的高鐵線路場強覆蓋冗余度很大，在滿足覆蓋的前提下可考慮關閉直放站，從根本上消除其帶來的多徑時延問題。還可采用遠端射頻模塊（RRU）代替直放站，基站與RRU之間傳輸基帶信號，可消除多徑時延擴展問題。

5 結束語

目前，從綜合檢測列車對GSM-R網絡線路的日常檢測結果看，由于光纖直放站設置不當引起的網絡問題較多。只有通過深入分析，明確找出問題產生的原因，才能有效地進行調整和解決，甚至在設計階段和聯(lián)調聯(lián)試期間就可以解決。針對GSM-R網絡中直放站使用帶來的多徑時延擴展問題，在闡述多徑時延擴展原理的基礎上，通過實際案例分析多徑時延擴展對CTCS-3列控系統(tǒng)應用造成的影響，提出降低、消除直放站引起的多徑時延擴展的具體解決辦法，供GSM-R網絡優(yōu)化人員和CTCS-3降級分析人員參考。

[1] 鐘章隊，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數字移動通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國鐵道出版社，2007.

[2] 韓斌杰，杜新顏，張建斌. GSM原理及其網絡優(yōu)化[M].北京：機械工業(yè)出版社，2009.

[3] 曹志剛，錢亞生. 現代通信原理[M]. 北京：清華大學出版社，2012.

[4] 邢小琴，王衛(wèi)東，王惠生，等. CTCS-3級列控數據傳輸與GSM-R網絡CSD測試關系[J]. 中國鐵路，2014(4)：64-68.

責任編輯 盧敏

On Multipath-Delay-Spread Problem Caused by GSM-R Optical Fiber Repeaters & Its Solutions

XING Xiaoqin
（Infrastructure Inspection Research Institute，China Academy of Railway Sciences，Beijing 100081，China）

This paper concentrates on the multipath-delay-spread problem caused by use of f ber optic repeaters in GSM-R network. It examines the multipath-delay-spread theory and explains how multipath-delay-spread affects the CTCS-3 train control system. Finally, solutions are provided to weaken or eliminate the effects of multipath-delay-spread caused by f ber optic repeaters.

GSM-R network；optical f ber repeater；multipath delay；delay spread；signal interference

U285

A

1001-683X（2017）02-0051-04

10.19549/j.issn.1001-683x.2017.02.051

2016-05-27

邢小琴（1982—），女，助理研究員，博士。E-mail：xingxq@rails.cn