GSM-R直放站引起的多径时延扩展问题分析与解决

邢小琴

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

GSM-R直放站引起的多径时延扩展问题分析与解决

邢小琴

（中国铁道科学研究院 基础设施检测研究所，北京 100081）

针对GSM-R网络中直放站使用导致的多径时延扩展问题，阐述多径时延扩展原理，分析多径时延扩展给CTCS-3列控系统应用带来的影响，并提出降低、消除直放站引起的多径时延扩展的应对措施。

GSM-R网络；直放站；多径时延；时延扩展；信号干扰

光纤直放站是GSM系统基站与移动台之间的中继转发器，属于同频放大设备，在无线通信传输过程中起到增强射频信号的作用，广泛应用在GSM-R线路中隧道、山区、路堑等地形环境。随着我国铁路的快速发展，越来越多的高铁线路纵横交错，GSM-R网络在铁路线路上的覆盖情况也越来越复杂。另外，由于目前使用光纤直放站的方式延续了过去模拟直放站的用法，在GSM-R数字无线通信系统中，光纤直放站给列控系统实际应用和网络优化带来许多问题。在此针对光纤直放站引起的多径时延所带来的信号干扰进行探讨。

1 基本概念

1.1 TA值

定时提前量（Time Advanced，TA）是指GSM-R系统的移动台信号到达基站的实际时间和假设该移动台与基站距离为0时移动台信号到达基站的时间差值。基站根据“基站—移动台—基站”环形路径损耗进行计算。基站对移动台信号到达的时间进行监控，根据到达时间的变化在下行的慢速随路控制信道（SACCH）系统消息上每2 s向移动台发出时间调整指令，即TA的取值。移动台将其发送时间提前TA，从而补偿移动台与基站之间的传输损耗，并使不同移动台的信号到达基站的时间保持同步，该过程就是自适应帧同步[1]。

TA是实现自适应帧同步的重要参数，同时还可用于计算移动台与基站之间的绝对距离。TA值为［0，63］的整数，每增加一个步长，表示基站与移动台之间的距离增加约0.55 km。移动台与基站的绝对距离范围为0～35 km。

1.2 多径时延扩展

在无线传播环境中，发射机发射的信号经空间传播后，到达接收机天线的信号不来自于单一路径，而是众多反射波的合成。在频域上各个路径的反射波到达天线时间不同，相位也不同。不同相位的多个信号到达接收机后相互迭加，同相迭加则增强，反相迭加则减弱，由此产生多径衰落。在时域上经过不同路径、有时间差异的各个信号的合成信号在时域中则会出现相对于原信号的时延扩展[2]。时延扩展是衡量多径传播信道质量的一个重要指标。

时延扩展定义为最大传播时延和最小传播时延的差值，即最后一个可分辨的时延信号与第一个时延信号到达时间的差值，实际上就是脉冲展宽的时间。在数字传输中，由于时延扩展，接收信号中一个码元的波形会扩展到其他码元周期中，引起码间串扰，因此要求最大时延扩展小于一个码元的持续时间[3]。GSM系统规定接收机必须能够补偿12～15 μs的多径时延（对应4～5个码元周期），可通过在接收机中采用自适应非线性均衡器来实现。

2 GSM-R直放站引起多径时延扩展原理

基站与直放站的连接示意见图1，GSM-R基站通过光纤与远端直放站连接，并通过直放站发射与基站同频的信号。在基站与直放站之间同时被两者信号覆盖的区域内，移动台可接收到基站直接发射的信号，还能接收到基站通过光纤传输至直放站、再经直放站天线发射的信号，两路信号属于同源 信号但传输路径不同、到达时延不同，从而在移动台的接收机处出现多径时延扩展。同理，该区域内移动台发射的信号可直接被基站接收，还可以被直放站接收，再经光纤传输到基站，两路信号在基站的接收机处引起多径时延扩展。

多径时延扩展场景示意见图2，假设基站与直放站之间的直线距离为L，直放站信号向基站方向的最远覆盖距离为△L，移动台与直放站的距离为Lp。信号在光纤中的传播速率为2×108m/s，则信号在单位长度光纤内传输所需要时间为Df=5 μs/km。信号在空中的传播速率约为3×108m/s，则信号在单位距离内传输所需要的时间为Da=3.3 μs/km。直放站设备引起的时延约为Dr=5 μs，移动台接收机的多径时延扩展为：

按规定有：Dt≤15（GSM接收机多径时延补偿为12～15 μs）。即：

也就是说直放站在基站方向的覆盖范围应满足：

以上推理适用于直放站只对单个基站信号进行放大的情况。在实际应用中，对于交织覆盖的线路，图2中的光纤直放站还有放大右侧基站（图中未画出）向左侧基站（图中所示）方向信号覆盖的作用，直放站的信号还需覆盖至对端基站。这种情况下，不能简单采用限制△L范围的办法，而应考虑在图中基站的主要覆盖范围内（L－△L）直放站信号满足基本覆盖要求的前提下，直放站信号比图中基站信号强度弱，且相差32 dB以上，以确保直放站信号不会对基站信号造成多径干扰。

3 多径时延扩展对CTCS-3列控系统的影响

图1 基站与直放站的连接示意图

图2 多径时延扩展场景示意图

多径时延扩展在GSM-R网络中以干扰的形式出现，出现多径时延扩展的区段会有载干比下降、话音质量恶化等现象发生，在CTCS-3列控系统应用中则会出现车地数据传输误码，甚至通信中断等现象。

3.1 问题描述

在2015年对高铁线路 A的服务质量测试[4]中发现，9—12月CZ-NJN17基站作为服务小区的区段出现载干比明显变差的现象（见图3），图中的绿色曲线为载干比测试曲线，测试规范要求载干比测试值应不低于12。图中的红色曲线为话音质量测试曲线，有多处4级话音质量出现。而该区段8月测试的载干比和话音质量均较好（见图4）。

图3 2015年9—12月高铁线路A下行测试截图

图4 2015年8月高铁线路A下行测试截图

调取所属铁路局接口监测数据发现，该区段在2015年11月—2016年1月期间，累计发生4次CTCS-3至CTCS-2降级故障。其中，2016年1月5日某次车载终端切换进入该小区后通信终端上行电平良好，但质量变差（Rxqual=2~4），基站侧没有收到下行测量报告。查看经过该区段的其他列车发现，大部分列车在该区段的TA值变 化为9→3，少数列车TA值变化为3→1。说明该区域存在多个同源但不同路径的信号，也就是存在多径时延扩展。

3.2 多径时延扩展分析

高铁线路A与高铁线路B交汇处地形见图5。高铁线路B于2015年8月底开始联调联试，12月底正式开通运营，高铁线路B在CZ-NJN17基站处与高铁线路A交汇后合并为一条线，2条高铁线路共用CZ-NJN17基站。直放站A与CZ-NJN17相连，在NJN-JNX01方向进行隧道内覆盖，同时向CZ-NJN18基站方向进行覆盖。

图5 高铁线路A与高铁线路B交汇处地形

在高铁线路A上行方向行驶的列车，经过CZ-NJN18至CZ-NJN17的切换点时，同时接收到CZ-NJN17基站发射的信号和直放站A发射的信号。CZ-NJN17基站到直放站A的光纤距离大于等于1.0 km，直放站A至切换点的直线距离约为1.6 km。直放站设备时延约为5 μs，按信号在空中的传播估算，相当于经历了约1.5 km的距离。那么列车在切换点处收到的来自于直放站A的信号传输距离约为（1.0 km+1.6 km+1.5 km），即4.1 km。每增加一个TA值相当于增加500 m的距离，则4.1 km的距离相当于8～9个TA值。CZ-NJN17基站至图中切换点的距离约为1.3 km，为2～3个TA值，与接口监测数据中观察到的运营列车通信终端的情况相符。

按照上述计算多径时延扩展的思路，列车在切换点处收到的来自直放站A的时延为5 μs（1 km×5 μs/km）+ 5 μs（直放站设备时延）+5.28 μs（1.6 km×3.3 μs/km）= 15.28 μs，列车在切换点处收到的来自CZ-NJN17基站的信号时延约为1.3 km×3.3 μs/km=4.29 μs。多径时延扩展约为15.28 μs-4.29 μs=10.99 μs，满足小于15 μs的规定。尽管大部分运营列车的列控通信终端在该处即使通过直放站A进行通信，话音质量受到一定程度影响，未对列控数据传输造成严重影响，但部分性能稍差的终端则可能因话音质量恶化导致车地通信中断，从而发生降级事件。

另外，在基站与直放站的共同覆盖区，移动终端接收到的2个信号源下行信号强度只与路径损耗有关。但是对于移动终端发射的上行信号，除了无线传播中的路径损耗外，直放站还会对上行信号进行放大。也就是说，假设在移动终端处，来自不同路径的下行接收信号相同，那么在基站处接收到的经过直放站传输的上行信号强度会高于基站直接收到的上行信号强度。查看高铁线路A CZ-NJN17基站Abis接口上行监测数据也基本印证这个现象，如果在与CZ-NJN18基站切换前上行电平较高（-49～-47 dBm，经直放站至基站），则TA值一定为8～9，如果电平相对低一些（-52～-50 dBm，未经直放站直接至基站），TA值为4左右。这种情况下，上行信号在基站接收机处也容易造成相互干扰。

4 解决方案

为尽可能减少多径时延扩展带来的影响，根据计算分析，可采取如下措施：

（1）减小基站与直放站之间连接光缆的长度。对铁路而言，一旦网络建成，基站与直放站位置便已固定，但在施工时一般会在满足连接需求的基础上预留一定长度的光缆，相当于增加了式（1）中L·Df项的值。可通过剪除多余光缆的长度来降低多径时延扩展带来的影响。

（2）减小△L。通过调整直放站天线俯仰角或调整射频功率等方法，减小直放站向与之相连的基站方向的覆盖范围△L，即减小Lp，从而降低多径时延扩展带来的影响。

根据通信网络测试中对多径干扰问题分析处理的经验，提出多径干扰问题的分析步骤：（1）关注通信网络服务质量测试中的载干比指标和服务质量测试指标的变化，检查是否有劣化现象，关注车载终端TA值的变化区间；（2）若载干比指标、服务质量指标劣化现象的问题区间设置有直放站设备，结合区间设备的连接方式（天线、漏缆），参考上述多径时延扩展原理，分析是否存在多径时延扩展；（3）结合地形及相邻基站信号覆盖情况，制定调整措施。在不影响线路覆盖要求的情况下，尽量拆除引起多径时延扩展的直放站，既可优化网络质量，同时还减轻养护维修的工作量。目前已建成的高铁线路场强覆盖冗余度很大，在满足覆盖的前提下可考虑关闭直放站，从根本上消除其带来的多径时延问题。还可采用远端射频模块（RRU）代替直放站，基站与RRU之间传输基带信号，可消除多径时延扩展问题。

5 结束语

目前，从综合检测列车对GSM-R网络线路的日常检测结果看，由于光纤直放站设置不当引起的网络问题较多。只有通过深入分析，明确找出问题产生的原因，才能有效地进行调整和解决，甚至在设计阶段和联调联试期间就可以解决。针对GSM-R网络中直放站使用带来的多径时延扩展问题，在阐述多径时延扩展原理的基础上，通过实际案例分析多径时延扩展对CTCS-3列控系统应用造成的影响，提出降低、消除直放站引起的多径时延扩展的具体解决办法，供GSM-R网络优化人员和CTCS-3降级分析人员参考。

[1] 钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路GSM-R数字移动通信系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2007.

[2] 韩斌杰，杜新颜，张建斌. GSM原理及其网络优化[M].北京：机械工业出版社，2009.

[3] 曹志刚，钱亚生. 现代通信原理[M]. 北京：清华大学出版社，2012.

[4] 邢小琴，王卫东，王惠生，等. CTCS-3级列控数据传输与GSM-R网络CSD测试关系[J]. 中国铁路，2014(4)：64-68.

责任编辑 卢敏

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，助理研究员，博士。E-mail：xingxq@rails.cn