基于TA值的CTCS-3无线超时分析

陈小平

（中国铁路广州局集团有限公司电务部，广州 510088）

1 概述

无线消息超时定义是CTCS-3系统中车载设备在规定时间内没有接收到来自地面设备的任何应用消息，则应认为车地间通信中断。GSM-R系统为CTCS-3级列控系统提供车地双向数据传输通道。当车载设备按CTCS-3等级控车时，若检测到无线消息超时，应实施常用制动。当列车速度降到CTCS-2允许速度后，转入CTCS-2等级控车。在CTCS-3系统的车载设备（ATP）、地面无线闭塞中心（RBC）中设置了定时器T_NVCONTACT，用于定时相关应用层数据包正确接收的时间间隔，计时超出目标值时，CTCS-3系统判定为无线消息通信超时。

接收信号质量（RxQual）：一个测量报告周期内接收信号质量的平均值，RxQual取值范围0~7，可以如表1所示转换成误比特率。RxQual_DL下行链路接收的信号质量，即移动终端（简称MT）在测量报告中包含的测量数据之一。

如表1所示，通信质量值越大，误比特率值越高，实际信号质量越差。实际应用中RxQual_DL大于4级就会导致CTCS-3级列控系统应用层消息误码、丢帧现象。

表1 RxQual与误比特率的对应关系Tab.1 Relationship between RxQual and BERRxQual

TA定时提前量：指基站向MT发送的定时提前量，MT根据定时提前量调整上行数据发送时间，用来补偿电波传播时延。

2 运营中的无线消息超时

铁路工程新建CTCS-3级列控系统，经过开通运营前的联调联试，GSM-R网络状态达到了工程开通运营的基本条件，沿线场强覆盖基本合理（无弱场），网络规划合理（无基站间同频、邻频干扰），切换位置满足CSD传输无差错时间的要求（TREC：＞20 s（95%），＞7 s（99%））。

线路开通运营后，因GSM-R网络引发无线消息超时，致使CTCS-3降级情况时有发生，这与联调联试中评价模块单一、列车运行车次不多有一定的关系。不同厂家的车载MT接收性能存在差异，部分区段无线侧网络状态处于临界状态，不同厂家MT或统一类型MT下行通信质量存在较大差异。通过接口监测数据分析发现，发生无线消息超时的问题区段，车载MT的下行信道通信质量大多较差（持续5级以上）。

中国铁路广州局集团公司通信专业人员在处理无线消息超时问题过程中发现，造成下行信道通信质量差主要有两个方面因素，一是外网信号干扰引起下行信道通信质量差；二是同频多信源、多路径造成的下行信道通信质量差，且通常伴随TA异常情况（TA跳变）。

外网强信号干扰导致下行信道质量差比较好处理，各铁路局集团公司处理方式基本相同。

1）协调公网运营商（如移动公司）降低公网干扰源信号功率、调整工作频率、关闭干扰源；

2）在GSM-R基站和车载MT天线端加装滤波器，增强GSM-R基站及车载终端的接收性能，提高抵抗外部电磁干扰的能力；

3）协调公网运营商采取物理隔离方式，设置GSM-R与公网900 MHz系统的保护频带。与GSM-R系统的物理隔离一般不小于2.5 MHz带宽。优化铁路沿线无线电磁环境，避免对GSM-R网络造成阻塞干扰和杂散干扰。

同频多信源、多路径造成的下行信道通信质量差，这种情况通常在地形较为复杂地段，MT接收端可能同时接收到基站、直放站天线覆盖的信号、漏缆覆盖信号，同频不同信源的信号叠加，MT测量报告中的TA往往存在异常变化。分析TA值确定信号来源，对于调整MT接收情况，改善下行信道通信质量，解决无线消息超时现象至关重要。本文介绍武广高铁SG-YDX06基站下行信道通信质量差引发无线消息超时案例，与正常案例进行对比，分析下行信道通信质量差的起因，提出整改措施，为相关技术人员提供借鉴。

3 案例问题描述

武广高铁SG-YDX06基站曾多次发生下行通信质量7级，导致CTCS-3级无线消息超时，G637次动车组发生无线消息超时现象时MT测量报告数据 如 图1所 示。MT在K2085+847从SG-YDX05切换至SG-YDX06后，下行信道持续通信质量为7级，此时切换后TA为13，切换前TA值为8。

MT在K2085+333从SG-YDX05切 换 至SGYDX06后，下行信道持续通信质量0级，切换后TA为10。正常车次MT的测量报告如图2所示。

该区间GSM-R系统网络结构如图3所示。

4 问题分析

图1 无线消息超时MT测量报告Fig.1 Measurement report of MT in radio timeout

图2 正常车次MT测量报告Fig.2 Measurement report of MT in normal status

图3 基站SG-YDX05与基站SG-YDX06间GSM-R系统Fig.3 GSM-R system between BTS SG-YDX05 and BTS SG-YDX06

问题区段处于长大隧道内，GSM-R系统的电磁环境良好，可以排除外界干扰情况造成下行通信质量变差的可能。对比正常车次和问题车次MT的测量报告，发现切换位置略有偏移，切换后TA值存在较大差异，正常车次MT切换前TA为8、切换后TA为10；问题车次MT切换前也为8，切换后TA为13，问题车次TA值变化为5，存在明显跳变。分析切换后TA差异就需要对该区域SGYDX06不同信源的TA进行计算。

测试区段沿线直放站远端机光纤长度测试情况如表2所示。

表2 直放站远端机主、备信号连接光纤长度Tab.2 Fiber length of master/slave signal of RU

一个TA的比特时长为3.7 μs，结合信号在空间、漏缆、光纤中的传播速度，得出每TA时长信号在空间、 漏缆、光纤的传播距离分别为 550 m、484 m、367 m。根据GSM-R系统图中直放站位置，计算各直放站接引信源基站SG-YDX06的信号到达异常切换点K2085+847处TA值如表3所示。

表3 TA值统计Tab.3 TA value statistics

从各路信号TA来分析，初步判断列车无线消息超时，车载MT占用SG-YDX05/R4从信号（TA=13）引起TA跳变导致下行信道通信质差。

5 解决措施

由GSM系统原理可知，TA跳变导致下行信道通信质量差时需同时满足如下条件：信号TA差≥4；同频载干比<12 dB。隧道内问题位置处SG-YDX05/R4从信号与SG-YDX06/R1主信号的TA差值缩小的难度较大，只能采取增大同频信号载干比或切换区域避开TA跳变区域的措施。

1）对直放站SG-YDX05/R3、SG-YDX05/R4从信号下行链路增加20 dB衰减，SG-YDX05/R4从上行链路增加3 dB衰减。

2）调整SG-YDX05至SG-YDX06功率预算切换门限，由63调整至65，使MT切换位置远离直放站SG-YDX05/R4从信号后切换。

实施上述措施后无线消息超时现象仍偶有发生，最终采用断开SG-YDX05/R4从纤，取消SGYDX05/R4从信号，实施后下行信道通信质量良好，再未发生无线消息超时现象。

断开SG-YDX05/R4从纤后，检测车数据显示交织覆盖良好，不影响GSM-R系统的运营使用。

6 调整方案归纳

同频多信源、多径造成的下行信道通信质量差，可以通过分析MT测量报告中TA值情况，进行问题定位。通过计算各路信号TA值来确定MT下行通信质量差的引发信号源，从而对问题信号源采取针对性调整措施。

1）空间波覆盖、漏缆覆盖区，可以通过关闭部分直放站或拆除部分天线，减少信源，避免多径干扰。例如沪昆客专基站LDN-SYB07至基站LDNSYB08区段，关闭了直放站RU56和RU57，通过基站天线可以满足覆盖要求，改善隧道口附近TA跳变引发下行通信质差，如图4所示。

图4 减少信源避免多径干扰Fig.4 Reducing information sources to avoid multipath interference

2）在保障冗余覆盖的情况下，加大直放站从信号衰减值，避免主、从信号因强度和TA值差异过大（经验值超过3就得优化）产生下行质差。

3）通过调整切换参数，优化小区切换位置，避开TA跳变区域，避免因TA跳变导致质差。

例如武广高铁HYD-LYX10/11区间，上行车切换位置在K1794+100附近容易发生超时，通过调整功率预算切换门限，将切换位置从隧道口附近调整到靠近HYD-LYX10基站K1793附近，后续未再发生因切换后连续下行质差无线超时，如图5所示。

4）在直放站区段增加时延均衡器，解决因时延不一致造成网内同频干扰引起质差问题。如长沙南站站场覆盖有6个直放站，经多次网优后，仍不时发生下行质差引发无线超时，增加时延均衡器后基本没有发生。

图5 优化小区切换位置案例Fig.5 Case of optimizing the cell handover location

说明：GSM-R时延调整模块是以现代软件无线电平台为基础的数字接收发射机模块。通过接收机将下行（上行）信号采集下来，在存储单元内部经过设置的时延后，再送至发射机发送出去。该模块加入模拟直放站系统不影响现有模拟直放站的正常运行，能满足时延调整的需求。GSM-R时延调整模块，加入模拟直放站系统后，能远程修改各点直放站的时延值，通过部分或者整体的时延调整，能够解决部分切换后下行质差问题。

7 结束语

GSM-R运营维护中下行通信质量与无线消息超时存在一定联系，应重视对下行通信质量的关注和分析，在排除外部干扰情况后，TA值分析往往可以快速定位问题原因。同时工程设计阶段应根据地形结合无线传播模型，合理布置GSM-R设备使移动终端在运动过程中TA变换较小、避免跳变，为运营维护阶段的网络优化提供便利。