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京广高铁多径干扰引成的CTCS-3超时分析和处理
【摘 要】 京广高铁多径干扰已经成为造成本线通信原因CTCS-3 超时的主要原因,对运输秩序造成严重的影响.本文通过对多径干扰产生的原因、干扰源的分析、网络结构调整分析等方面入手,提出解决方案,并经实施验证.
【关键字】 G-R 多径干扰 CTCS-3
一、引言
京广高铁采用CTCS-3 列车控制系统,使列车的最高时速达到了350km/h,其车载ATP 与地面RBC 之间列控信息的实时可靠的传输通过G-R 网络得以实现,一旦车载ATP 与地面RBC 的通信中断,出于安全导向的机制,列车则会降级到CTCS-2 列车控制模式,速度也降低到300km/h,因此G-R 运用质量对于保证CTCS-3 的稳定运行至关重要.
目前通信造成CTCS-3 降级的因素中,最主要的就是多径干扰,而处理多径干扰的问题通常需要对网络结构进行调整,本文就以京广高铁明港东- 信阳东区间和信阳东- 孝感北区间的多径干扰处理为例,定位原因并提出解决方案.
二、多径干扰
2.1 基本原理
多径干扰是指移动台接收到同一基站多个路径的信号时,由于通过不同路径到达移动台的信号时延不同,而造成的接收信号色散现象.
设L1 为基站至直放站远端的光纤长度,路径时延为t1；L2 为直放站远端到达手机的距离,路径时延为t2；L3为基站到达手机的距离,路径时延为t3,则基站通过不同路径达到手机的时延差T等于t1+t2-t3.
根据3Gpp 的规定,当信号的时延差T 大于15μs,移动台的均衡器将无法区分接收到的同频信号是否为同一信源的信号,并且当同频信号强度小于同频载干比（C/I）12dB的要求时,就会产生多径干扰.
2.2 TA（定时提前量）
TA（Time Advanced）,定时提前量,是指 G 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零时移动台信号到达基站的时间差值.
TA 值的取值为[0,63] 之间的整数,TA 每增加1,时延增加3.7μs,在空间传播环境中,1 个TA 对应的空间传播距离约3.7μs×（3×108m/s）÷2等于550m；在光纤传播环境中,电波传播速度为光速的2/3,对应传播距离增加约367m；在漏缆传播环境中,电波传播速度为光速的0.88,对应传播距离增加484m.
因此,当在有直放站和漏缆的环境下,某一位置TA 值的大小可通过以下公式反推：
TA（x）等于 光缆时延+ 漏缆时延+ 空间时延+ 设备时延等于 光缆长度/367+ 漏缆长度/484+ 空间距离/550+ 设备时延（公式2-1）
此处直放站设备时延按5μs 取值,约1.35 个TA.
三、原因分析及处理思路
3.1. 明港东- 信阳东空间多径干扰
3.1.1 原因分析
京广高铁下行列车运行至K1021+264 附近发生小区切换, 切换方向MGD-XYD11（ 简称基站11,K1018+104）→ MGD-XYD12（简称基站12,K1023+033）,切换完成后占用基站12 信号,TA 值12,这两处基站之间共有4 处空间直放站设备,其中11/R1（K1018+759）和11/R2（K1020+020）两处直放站的主信号为基站11,从信号为基站12；12/R1（K1020+683）和12/R2（K1021+879）两处直放站的主信号为基站12,从信号为基站11,主从信号相差6dB；基站和直放站天馈系统上、下行均为定向天线,其该区间下行QoS的测试图如图1 所示：
根据公式（2-1）计算在K1021+264 位置接收到这四处直放站辐射出基站12 小区信号的TA 值依次为：TA（11/R1）等于17.54、TA（11/R2）等于11.85、TA（12/R1）等于8.85、TA（12/R2）等于5.65.
因此,从TA 值估算,在K1021+264 切换后实际占用的是11/R2 直放站的从信号,但是从地理位置来看,该处与12/R1 和12/R2 的物理距离均只有600m 左右,正常情况下应该占用这两处直放站的信号,而11/R2 直放站分别与12/R1 和12/R2 直放站主信号的时延差为3 个TA（11.15μs）和6.2 个TA（22.945μs）,很明显会与12/R2 直放站的主信号产生多径干扰.
3.1.2 处理过程
3.1.2.1 多径干扰的处理思路
根据多径干扰产生条件,有以下三类处理思路：
（1）参数修改：修改参数改变切换点,避开多经干扰区间,可作为临时应急方案.
（2）时延差调整：根据T等于t1+t2-t3 ＞ 15μs,可增大t3.
（3）载干比调整：根据信号强度差小于12dB,可减小其中一路信号强度.
① 降低基站发射功率,减小直放站下行衰减,或对基站、直放站某路信号加衰减器.
② 调整基站、直放站天线角度.
③ 关闭直放站设备.
3.1.2.2 方案制定
重新分析该区间服务质量测试图,发现该区间与基站11 和12 相邻的基站10 和基站13 的信号强度衰减均只有20dB,且最低电平也有-80dBm,因此如若考虑基站11 和基站12 基站天线在该区间的空间覆盖,取消该区间的4 处直放站,参考电平衰减值20dB,其该区间两处基站的电平应该在K1020+500 处交汇,其电平值也有-62dBm,远满足指标要求的-92dBm,并且没有改变单网交织的网络结构,因此确定方案为关闭此区间4 处直放站.
3.1.3 处理结果
关闭4 处直放站后,该区间的质量劣化情况明显好转,电平强度满足要求,未再出现多径干扰引起的C3 超时问题.
3.2 信阳东- 孝感北隧道多径干扰
3.2.1 原因分析
京广高铁上行列车运行至信阳东- 孝感北区间,在K1034+900 附近发生小区切换,切换方向XYD-XGB04（简称基站04,K1037+048） → XYD-XGB03（ 简称基站03,K1033+351）,切换完成后占用基站03 信号,TA 值11,随后立即下行质量7 级,造成C3 通信中断.
该区间共有两处隧道,震雷山1# 隧道的起止公里标为K1034+353-K1035+773, 震雷山2# 隧道起止公里标为K1035+961- K1036+213；
共有四处直放站,03/R1（K1034+353）直放站位于震雷山1# 隧道入口,天馈系统为上行天线、下行漏缆；
03/R2（K1035+128）直放站位于震雷山1# 隧道内；
04/R1（K1035+850）直放站位于震雷山1# 隧道出口,天馈系统为上行漏缆、下行漏缆+ 天线；
04/R2（K1036+228）直放站位于震雷山2# 隧道出口,天馈系统为下行天线、上行漏缆+ 天线；
其中03/R1 和03/R2 直放站为基站03 的主信号和基站04 的从信号,04/R1 和04/R2 直放站为基站04 的主信号和基站03 的从信号.
根据公式（2-1）计算在K1034+900 位置接收到这四处直放站辐射出基站03 小区信号的TA 值依次TA（04/R2）等于 11.65、TA（04/R1）等于8.85、TA（03/R2）等于6.65、TA（03/R1）等于5.05.
因此,从TA 值估算,K1034+900 切换后实际占用的是04/R2 直放站的从信号,但是从地理位置来看,正常情况下应该占用03/R2 直放站的信号,而04/R2 直放站与03/R2 直放站主信号的时延差为5 个TA（18.5μs）, 存在多径干扰问题.
3.2.2 处理思路
3.2.2.1 关闭干扰源04/R2 直放站
震雷山2# 隧道全长仅为252m,无弯道,而且距离基站04 仅有900m,根据测试数据的衰减趋势,完全可利用基站04 的信号实现震雷山2# 隧道的覆盖.
在关闭04/R2 直放站后,其震雷山2# 隧道的中基站03基站的信号则由04/R1 直放站的从信号覆盖,根据图3.2 所示,在K1036 位置紫色的曲线将会有较快的衰落,因此震雷山2# 隧道中基站03 信号会比较弱,但也满足指标-92dBm的要求.
交织冗余分析.当基站03 故障时,基站04 与上行基站02 的交汇位置无改变；当基站04 故障时,基站03 与下行基站05 的交汇位置由K1037+400 变为K1036+000 位置,交汇点的场强值为-66dBm.
因此,综合以上分析,关闭04/R2 直放站后,其网络覆盖和交织冗余满足要求.
3.2.2.2 下行方向优化
关闭干扰源04/R2 直放站后,上行多径干扰问题消除,但是在当下行方向K1035+162 位置切换后,在K1036+000附近发生了质量劣化,并且造成了掉话.
在K1036+000 附近,基站04 和04/R1 直放站的主信号在该位置的场强均很强,并且其差值小于12dB,同时在该位置的时延差约为18.5μs,满足多径干扰的条件.
因此考虑在关闭04/R2 直放站的前提下,取消04/R1 直放站对基站04 基站信号的辐射,仅保留对基站03 的信号,这样基站03 和基站05 交织冗余覆盖的交汇点在K1036+000位置,场强值为-60dBm,并且在K1035+500-K1037+000 区间,基站03 的信号仅有04/R1 直放站辐射,而基站04 的信号仅有基站04 辐射,没有多径干扰的条件,同时为防止场强基站03 信号衰减过快引起切换失败,降低04/R1 直放站的输出功率10dB,控制下行的切换位置在K1036 附近.
3.2.3 处理结果
通过关闭04/R2 直放站和改变04/R1 直放站的主信号源后,优化了04/R1 直放站的输出功率后,在保证冗余结构和切换正常的情况下,消除了该区间的多径干扰问题.
四、总结
在处理空间直放站多径干扰问题时,应尽量保证空间直放站同时关闭,当无法同时关闭时,应严格控制天线覆盖范围.
在处理隧道直放站多径干扰问题时,要认真考虑该处地形及网络结构,充分借鉴相邻电平曲线的走势以及网络的冗余结构,避免出现场强的陡降.
对于单方向多径干扰,同时考虑方案对另一方向的影响,避免造成新的问题.
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