直放站GSM-R網絡優化分析及改進措施

牧云程 上海鐵路局安全監察室

直放站GSM-R網絡優化分析及改進措施

牧云程 上海鐵路局安全監察室

針對復雜地形，長大隧道等直放站應用較多的特殊區段的無線網絡優化，結合合福鐵路安徽段（出現掉話和通信質量差的情況，且均發生在直放站覆蓋區段，并通過常規方式未達到優化目的）的工程案例總結解決問題的具體處理方法，為特殊區段的網絡優化整治提供建議。

GSM-R；無線網絡優化；直放站；應用聲表濾波器

1 工程概況

新建合福鐵路安徽段（上海局管內）正線自合肥南站至黃山北站,另含蚌福聯絡線（合肥北城站至合肥南站）及銅陵聯絡線。包含合肥西、長臨河、巢湖東、無為、銅陵北、南陵、涇縣、旌德、績溪北、歙縣北、黃山北等11個新建車站,其中正線343 km，從銅陵北到黃山北區段多為山區隧道，采用漏纜和直放站較多。全線無線網絡建設情況如下：GSM-R系統新設BSC設備1套，新設BTS設備94套、直放站設備近端機40套，遠端機115套；通信鐵塔127座。

合福鐵路安徽段GSM-R系統在合肥南通信站新設BSC/PCU設備，在上海核心網節點設置編譯碼和速率適配單元TRAU設備，在鐵路沿線設置基站及直放站設備，實現單層交織冗余網絡的無線覆蓋。基站接入合肥南新設BSC/PCU設備，并通過在上海新設的TRAU設備上連至上海交換中心；為減少樞紐內跨BSC切換，本工程在合肥樞紐內新設設備均接入合肥既有BSC/PCU設備（既有設備為諾西公司設備）。

2 網優階段遇到的傳輸事宜問題分析

隨著合福鐵路無線系統初步網優工作的推進，在解決了大量工程施工類的問題、并對天饋和無線子系統參數進行優化調整后，系統QoS指標有了大幅度的提升，但截至2015年1月18日測試指標尚未全部達標。1月19日至22日利用軌道車進行全線拉通測試后，對拉通測試數據進行了深入的分析后，發現在此期間出現的掉話和通信質量差的情況與前期掉話不同，均為新問題點，且均發生在直放站覆蓋區段，在全數基站覆蓋情況下通過優化參數可避免問題，但是在半數基站條件下，部分地點通過多次調整天線或系統參數均未達到優化目的。通過對設計方案和系統時延參數進行計算分析，初步判斷該現象的原因是：直放站是數字設備，信號進入數字設備后要經過A/D轉換，再經過數字信號處理，從設備輸出時又要做D/A轉換，在這種過程中需要的時間比較長，所以一般數字設備的TA都比較大。只要數字設備所帶天饋覆蓋區域與信源覆蓋區域無重疊，TA值大也沒多大問題。如果覆蓋區域有重疊，那么TA值換算成時間T小于15 μs，也不會有多大問題。若大于15 μs則會出現時延色散，會出現干擾、掉話、質差等情況。根據數據分析，在合福部分區段，基站及其相鄰直放站的設計距離偏大且有覆蓋區域的重疊，使信號傳輸時延差不滿足小于15 μs的要求，容易產生碼間干擾并進一步影響通信質量。

2.1 關鍵參數TA值介紹

時間提前量TA（Timing Advance）的作用是為了補償電波傳輸延遲，而根本目的則是為了提高信道編解碼效率。由于GSM采用TDMA，每載頻8個時隙，應嚴格保持時隙間的同步，沒有TA就無法克服固有的無線傳輸劣勢。

GSM的小區半徑可以達到35 km，從手機出來的信號需要經過一定時間才能到達基站，因此我們必須采取一定的措施（時延調整），來保證信號在恰當的時候到達基站。

簡單來說，就是采用時間提前量（TA）參數調整發信時間。TA是由基站根據接收到測量報告確定的，然后發送給手機，正常通話中，當MS接近基站時，基站就會通知MS減小時間提前量；而當MS遠離小區中心時，基站就會要求MS加大時間提前量。

2.2 基站與直放站的設計距離理論分析

合福高鐵無線網絡直放站應用中,在很多橋隧結合部處會遇到以下這種情況：終端即可以直接收到基站A的信號,又可以收到被直放站放大的基站A的信號,雖然接收電平非常強,但是下行質量卻非常差.這種質量惡化其實就是由碼間干擾造成的.即終端直接收到基站A的信號通過路徑a到達,由于是直達,因此時延很小,假設為TA1;終端收到被直放站放大的基站A的信號通過路徑b到達,由于直放站會增大時延,假設為TA2,若TA2與TA1的差值超過該信號符號長度的10%時,就會產生碼間干擾,造成質量惡化.(不考慮終端內是否存在均衡器).一個TA比特的時長為3.7 μs,因此 TA2-TA1＜57.7 μs/3.7 μs即TA2-TA1＜15.因此，從不同路徑到達接收點的TA不能超過15，否則會產生干擾，質量惡化的情況。

如圖1所示。在基站和直放站之間，基站的信號與直放站轉發的信號重合，為了不產生碼間干擾，需滿足兩個條件：

（1）基站自身信號與通過直放站轉發的本站信號造成的多徑時延應控制在4TA之內，約為15 μs。

（2）兩路信號強度的比值＜12 dB，也就是強度相差不大。

圖1 基站與直放站內信號位置示意圖

時延的計算方法為：

系統時延＝光纜時延（A）+直放站系統時延（B）+直放站信號空間波傳輸時延（C）-基站無線信號空間波傳輸時延（D）

上式中，達到碼間干擾的條件，可近似認為C＝D；

A＝5 μs×光纜長度（km）；

B＝0 μs～5 μs，采用聲表濾波器的一般為3 μs～5 μs（根據廠家提供的數據，直放站時延為3.5 μs～3.7 μs）。

則A+B最大允許值15 μs，按照直放站技術條件，B按照5 μs考慮，則A為10 μs，可進一步計算得到直放站到基站的光纜長度最大為2 km。考慮GSM-R單網交織組網，在宿主基站宕機時，直放站需覆蓋至宿主基站的位置，以及光纜工程迂回、余量的要求，在其他客運專線等前期300 km/h～350 km/h客專線路設計中，一般直放站與基站的距離都按照小于1.5 km控制。如果該距離過長，將會在局部區域形成不滿足上述兩個條件的點，對通信質量造成影響。

2.3 直放站設計方案

根據合福鐵路安徽段的直放站設計方案，同時考慮了施工工程量變化因素后，匯總分析基站與其相鄰第一個主用直放站的光纜長度超過1.5 km的區段如表1所示。

表1 基站與直放站光纜距離

由表1中可知，存在多處光纜超過1.5 km區段，這就對直放站設備自身的時延提出了較高的要求。本線直放站采用了聲表面濾波器，自身時延為3.5 μs，比其他類型直放站時延稍偏大，因此在相同的系統設計原則下，根據實測結果，在本線直放站覆蓋區段，容易發生掉話且通信質量相對較差，從而對QoS指標的影響概率會增大。

3 網優方案措施

3.1 網優方案

因本線設計方案中光纜的長度設置多處已接近臨界值，因此在工程施工已完成的前提下，大幅度改變既有組網方案難度非常大，討論后提出以下兩步網優方案：

（1）減少應用聲表濾波器直放站的傳輸時延

直放站采用聲表濾波器提高直放站系統的頻率選擇性，保護系統不受其他系統和頻率的干擾。但使用聲表濾波器，一般會增加3.5 μs～3.7 μs左右的時延，造成直放站設備本身的時延比一般時延多出3 μs。因此，在廠家提出的設備整改方案基礎之上，選取時延問題具有代表性的站點去除聲表濾波器，可以減少3.5 μs～3.7 μs左右的時延。

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（2）調整設計方案

由于本線不是根據施工圖招標，所以個別地段的初步設計方案與現場工程實際存在一定的偏差，主要表現為有七處光纜連接超過2 km的問題，如：某區段A基站與其相鄰直放站RU02的實際光纜距離已經接近3 km左右，再加上光纜接續損耗，理論上光纜傳輸時延已經達到15 μs，即使直放站設備時延為0也無法滿足要求，通過去除聲表濾波器無法改善。與設計溝通后，采取優化調整直放站連接基站的方案，將連接基站的光纜長度控制在2 km之內。其他超過2 km的區段依此類推處理，調整直放站連接的基站，使光纜距離小于2 km后再采取步驟1的方法。

按照以上兩個計劃步驟，隨后安排試驗進行現場驗證。只選擇光纜長度在1.5 km～2 km左右的區段進行去除直放站的聲表濾波器的實驗，分析實驗數據以對比試驗效果，本次選擇 RU22、RU50-RU53兩處進行試驗。

3.2 減少聲表濾波器前后對比結果

3.2.1 減少前

（1）RU22

掉話原因分析：占用RU22天線信號TA值為7，該位置距離07號基站1.1 km，占用07號基站信號的TA值為2，基站自身信號與RU22信號多徑時延差為5個TA，超過15 μs產生碼間干擾，上行7級質差導致掉話。

（2）RU50-RU53

該區段偶數站測試時，基站03號到基站05，在K1226處發生掉話現象。

掉話原因分析：基站03向基站05在RU50處切換，在RU53處占用RU53天線信號TA值為10，該位置距離基站05的距離是2.5 km，占用基站信號時TA為5，基站自身信號與RU53天線信號多徑時延差為5個TA，超過15 μs產生碼間干擾，上行7級質差導致掉話。

3.2.2 減少后

（1）RU22

RU22減少濾波器后（減小3.7 μs），基站自身信號與RU22信號多徑時延差減小為4個TA，沒有產生碼間干擾，通話質量良好，不再掉話。

（2)RU50-53

RU53減少濾波器后（減小3.7 μs），基站自身信號與RU53信號多徑時延差減小為4個TA，沒有產生碼間干擾，通信質量良好，沒有掉話。

3.3 結論

減少聲表濾波器對縮小TA差值、改善通信質量有明顯的效果。后續網優工作將根據這次網優試驗的結果，結合每日測試數據，選取類似的直放站區段采取類似的方法提高通信質量。雖然減少聲表濾波器對無用頻率的篩選功能會有所降低，但考慮到采用直放站的區段都是偏遠的山區，運營商的無線覆蓋不密集，頻率調整相對容易簡單。發現有運營商的頻率干擾后，我們完全可以聯系運營商，督促對方及時通過頻率調整防止同頻率干擾和互調干擾的出現，因此該方案有效可行。

3.4 后續工作

（1）做好公網移動通信運營商的退頻協調工作。聲表濾波器減少后，直放站的帶外抑制能力減弱，中國電信的下行頻段為870 MHz-880 MHz,會落入直放站的GSM-R的上行頻帶內，因此合福沿線中國電信的信號有可能對GSM-R系統的上行造成干擾，影響通信質量。為確保運營期間GSM-R系統的通信質量，建設單位應繼續組織好網優小組測試并分析可能存在的公網頻率干擾，并積極聯系相關運營商進行退頻。

（2）直放站廠家需按照已經去除聲表濾波器后的直放站數量，做好備品備件的準備工作。

（3）整改過后安排網優小組結合檢測車運行計劃，安排人員上車測試分析數據，繼續跟蹤觀察后續效果，發現問題后立即組織分析處理。

4 結束語

通過減少應用聲表濾波器直放站的傳輸時延及優化直放站連接基站的接入點，提高了通信質量，消除了碼間干擾，優化了GSM-R網絡，為后期GSM-R網絡在特殊區段的網絡優化提供了新的解決方案。

責任編輯：宋 飛

來稿時間：2016-08-19