光纖直放站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用

李玲姣

（中鐵第五勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

鐵路無線列車調(diào)度通信系統(tǒng)的通信質(zhì)量直接關(guān)系鐵路的行車安全。但我國大部分的鐵路地處山區(qū)及多隧道地區(qū)，沿線地形復(fù)雜，造成列車無線調(diào)度通信系統(tǒng)在這種傳播環(huán)境中遇到許多弱電場區(qū)。為滿足弱電場區(qū)信號的連續(xù)覆蓋，解決弱電場區(qū)通信問題，現(xiàn)在已采用多種技術(shù)方式，如漏泄同軸電纜＋中繼器、光纖直放站、無線直放站等。由于目前光纖資源豐富，光纖直放站可靠性高等特點(diǎn)，鐵路弱場覆蓋解決方案中廣泛采用光纖直放站。

1 光纖直放站原理

光纖直放方式系統(tǒng)由近端機(jī)、光端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)、天線、漏纜及相關(guān)配件組成，其下行信號傳輸過程為：近端機(jī)將基站信號放大，然后送到光端機(jī)，轉(zhuǎn)換為光信號通過光纖傳送到遠(yuǎn)端機(jī)。遠(yuǎn)端機(jī)把光端機(jī)輸入的信號進(jìn)行功率放大，通過天線或漏纜把下行信號覆蓋到弱場區(qū)。

上行信號傳輸過程為：移動臺信號通過遠(yuǎn)端天線輸入到遠(yuǎn)端機(jī)，將移動臺信號放大后送到光端機(jī)，轉(zhuǎn)換為光信號通過光纖傳送到近端機(jī)，然后耦合到基站。如圖1所示。

2 鏈路預(yù)算

常用的Ok um u ra-H ata模型的路徑損耗中值為：

Lb（ 市 區(qū) ）=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(hb)-α(hm)+[44.9-6.55lg(hb)]lg(d)-S(a)

Lb（郊區(qū)）=L b(市區(qū))-2[lg(f/28)]2-5.4

L b（開闊區(qū)）=L b(市區(qū))-[lg(f/28)]2-2.39[lg(f)]2+9.17lg(f)-23.17

其中GSM-R系統(tǒng)的工作頻率f取為930 MHz；機(jī)車臺天線高度hm取為4 m；移動臺天線高度校正因子α(hm)取為6.43；建筑物密度修正因子S(a)，市區(qū)、郊區(qū)S(a)=0.6 dB，鄉(xiāng)村S(a)=-4.95 dB。

設(shè)直放站最大輸出功率為43 d Bm，發(fā)射及接收端饋線及接頭損耗共4 d B，功分器損耗為3 d B，發(fā)射天線增益為12 d B，設(shè)計最小接收電平為-98 d Bm，陰影衰落為12 d B，設(shè)計余量為14 d B。基站天線高度hb為30 m，直放站的覆蓋范圍為城區(qū)0.96 km，郊區(qū)1.86 km，農(nóng)村2.79 km。

當(dāng)采用漏纜覆蓋時，根據(jù)鏈路預(yù)算，假設(shè)漏纜傳輸損耗為30 d B/km，耦合損耗為68 d B，寬度因子為7 dB，則覆蓋距離為1.5 km。

值得注意的是，在隧道區(qū)的弱場覆蓋設(shè)計過程中，經(jīng)常會出現(xiàn)直放站加掛漏纜后再通過天線覆蓋隧道口之后空間范圍的情況。由于信號在漏纜傳輸過程中有一定的衰減，會減小隧道口天線的發(fā)射功率，從而影響覆蓋距離。如同樣采用以上參數(shù)，當(dāng)加掛500 m漏纜后，在未考慮漏纜耦合損耗的情況下，隧道口天線的覆蓋范圍為城區(qū)0.42 km，郊區(qū)0.8 km，農(nóng)村1.19 km。

3 時延分析

GSM-R系統(tǒng)設(shè)計規(guī)定，當(dāng)基站信號與直放站信號轉(zhuǎn)換或同一小區(qū)的兩個直放站之間轉(zhuǎn)換，時延差不大于15 μs。

3.1 基站與直放站均采用全向空間波覆蓋

基站與直放站均采用全向空間波覆蓋時，一般來說，由于發(fā)射功率和天線掛高的不同，直放站覆蓋范圍比基站小，如圖2所示，本文假定圖中A點(diǎn)處于二者中點(diǎn)，即D1=D2=0.5D。

BTS空間波信號到達(dá)A點(diǎn)的時延為：

B IS射頻信號經(jīng)光纖直放站、光纖和空間到達(dá)A點(diǎn)的時延為：

其中 Df=D×5 μs。

兩路信號到達(dá)A點(diǎn)的時延差為：

可得D≤2.8 km。

該方式不利于發(fā)揮基站的覆蓋能力。

3.2 基站和光纖直放站間以漏泄同軸電纜連接

圖3中A點(diǎn)是時延差最大的地方。

LCX的速比取值0.88，則每公里L(fēng)CX時延為：3.333/0.88＝3.79 μs。設(shè)LCX傳輸損耗為30 d B/km，基站信號注入LCX電平為40 d Bm，直放站注入LCX電平為33 dBm，可求得：

Tb為BTS信號時延；Tr為BTS射頻信號經(jīng)光纖直放站和光纖的時延；D r為直放站時延，寬帶直放站取值1 μs，選頻直放站取值5 μs；D f為光纖時延，每公里5 μs；ΔT為時延差，T r與T b的差值，不大于15 μs；對于寬帶直放站，D≤2.75 km；對于選頻直放站，D≤1.95 km。

3.3 基站以天線方式覆蓋、直放站以漏纜方式覆蓋

圖4中BTS空間波信號到達(dá)A點(diǎn)的時延為：

B IS射頻信號經(jīng)光纖直放站、光纖到達(dá)A點(diǎn)的時延為：

兩路信號到達(dá)A點(diǎn)的時延差為：

可得D≤8.4 km。

此方式有利于發(fā)揮基站能力。

4 典型應(yīng)用

弱場覆蓋區(qū)主要在隧道區(qū)域，根據(jù)不同類型、不同長度的隧道，需采用不同的隧道覆蓋解決方案。

4.1 短隧道

短隧道地區(qū)，采用單層網(wǎng)覆蓋的方案，如圖5所示。

短隧道地區(qū)，采用交織單網(wǎng)覆蓋的方案，如圖6所示。

4.2 中長隧道

中長隧道地區(qū)，采用單層網(wǎng)覆蓋的方案，如圖7所示。

中長隧道地區(qū)，采用交織網(wǎng)覆蓋的方案，如圖8所示。

4.3 長隧道

由于在弱場覆蓋設(shè)計中，直放站近端機(jī)最大可帶遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)為4個。因此，對于單層網(wǎng)覆蓋方式，當(dāng)隧道長度大于10 km時，需要在隧道內(nèi)放置基站設(shè)備，以增加覆蓋距離。對于交織覆蓋方式，當(dāng)隧道長度大于3 km時，需要在隧道內(nèi)放置基站設(shè)備，以增加覆蓋距離。

5 結(jié)束語

隨著GSM-R網(wǎng)絡(luò)的建設(shè)，光纖直放站的使用會越來越多，希望在以后的工程實(shí)踐中，能更好的利用光纖直放站，為鐵路通信服務(wù)。

[1]鐘章隊， 李旭， 蔣文怡， 等．鐵路綜合數(shù)字移動通信系統(tǒng)：GSM-R[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]吳克非．中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設(shè)計指南：光纖直放站在鐵路無線通信工程中的應(yīng)用[M]．北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]向志華．GSM-R光纖直放站應(yīng)用簡要分析[J]．鐵道工程學(xué)報，2007(2)：78－83.