GSM-R交織組網(wǎng)直放站接入基站的容量分析

■ 劉輝

1 概述

在GSM-R無線通信系統(tǒng)中，為保證鐵路沿線特別是山地、隧道、路塹等常規(guī)通信盲區(qū)的正常通信，通常采用光纖直放站設(shè)備對基站信號進(jìn)行延伸覆蓋。使用光纖直放站進(jìn)行覆蓋的優(yōu)點(diǎn)是投資少、安裝方便、對工作環(huán)境要求低，可以很快地解決GSM-R通信信號覆蓋問題。

由于直放站是有源設(shè)備，直放站內(nèi)部有較多有源放大器件，相關(guān)噪聲（包括設(shè)備本身噪聲和環(huán)境噪聲）經(jīng)過放大和有效路徑損耗后進(jìn)入基站，常常會(huì)提高接收機(jī)噪聲電平，導(dǎo)致施主基站的接收靈敏度下降。一般來說，由于GSM-R信號要求沿鐵路線線狀分布，通常一臺直放站無法滿足信號的覆蓋需要，出現(xiàn)一個(gè)基站帶多個(gè)直放站的情況，而在直放站設(shè)備較多情況下，其噪聲積累效應(yīng)直接影響施主基站的覆蓋和容量。

特別是在高速鐵路GSM-R直放站系統(tǒng)中，為保證信號覆蓋的穩(wěn)定性，直放站設(shè)備往往要求交織組網(wǎng)，當(dāng)主從任意一個(gè)基站或光纖發(fā)生故障時(shí)，系統(tǒng)都能保證GSM-R系統(tǒng)的正常覆蓋和通信。這種直放站組網(wǎng)方式提升了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，但同時(shí)由于基站會(huì)同時(shí)接收到主、從直放站的上行噪聲，在一定程度上加大基站引入的噪聲。因此必須對系統(tǒng)中直放站數(shù)量及引入噪聲進(jìn)行分析，從而保證基站的接收靈敏度和上行容量。

2 基站及直放站底噪相關(guān)計(jì)算及公式推導(dǎo)

2.1 基站設(shè)備自身噪聲計(jì)算

基站底噪PBTS=10lg（K×T×B） ＋ NFBTS（1）

式中：K——波爾茲曼常數(shù)，取1.38×10-23J/K；

T——開氏溫度，取常溫290 K；

B——信號帶寬，GSM-R系統(tǒng)信號帶寬 200 kHz；

NFBTS——基站噪聲系數(shù)。

在GSM-R系統(tǒng)中，10lg（K×T×B）是一個(gè)常數(shù)，其值為-121 dBm。

2.2 單個(gè)直放站引入噪聲計(jì)算

直放站引入噪聲是指直放站所產(chǎn)生的噪聲經(jīng)放大和傳輸路徑損耗后，到達(dá)基站接收端口的熱噪聲電平。

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP＋GREPup-PLoss（2）

式中：NFREP——直放站噪聲系數(shù)；

GREPup——直放站上行增益；

PLoss——基站到直放站路徑衰減值。

基站到直放站路徑衰減值可以通過基站輸出功率、直放站輸出功率、直放站下行增益來計(jì)算：

WBS-PLoss＋GREPdown=WREP（3）

式中：WBS——基站輸出功率；

WREP——直放站輸出功率；GREPdown——直放站下行增益。

合并公式（2），（3）可得：

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP-（GREPdown-GREPup）-（WBS-WREP） （4）

由于10 lg（K×T×B）是一個(gè)常數(shù)，因此由公式

（4）可得出以下結(jié)論：

在理想狀況下，單個(gè)直放站引入噪聲只與直放站本身噪聲系數(shù)NFREP、下行與上行之間增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）有關(guān)。

2.3 引入直放站后對基站噪聲的抬升值計(jì)算

系統(tǒng)噪聲為指數(shù)形分布，因此引入單個(gè)直放站后對基站噪聲的抬升可用以下公式計(jì)算：

引入單個(gè)直放站后基站噪聲抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN/10）/ 10PBTS/10] （5）

引入n個(gè)直放站后基站噪聲抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN1/10+10PIN2/10+10PIN3/10+

……10PINn/10）/10PBTS/10] （6）

在同一系統(tǒng)中，一般使用同一廠商相同配置的直放站設(shè)備，由于相同配置直放站引入噪聲基本相同，所以公式（6）可以簡化為：

ROT=10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] （7）

對于基站來說，通常有一個(gè)系統(tǒng)噪聲最大惡化值ROTMAX，因此要保證最終基站噪聲的抬升值小于系統(tǒng)噪聲最大惡化值，即ROT＜ROTMAX，即：

10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] ＜ROTMAX（8）

對公式（8）進(jìn)行進(jìn)一步推導(dǎo)，可得：

lg n＜（PBTS-PIN）/10+lg（10ROTMAX/10-1） （9）

將公式（1），（4）代入公式（9）中，可以得到：lg n＜[（NFBTS-NFREP）+（GREPdown-GREPup）+（WBSWREP）]/10+lg（10ROTMAX/10-1） （10）

由公式（10）可得出以下結(jié)論：

在理想狀況下，一個(gè)基站所允許接入的直放站數(shù)量只與基站和直放站本身噪聲系數(shù)的差值（NFBTS-NFREP）、直放站下行與上行之間增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）以及基站允許噪聲的最大惡化值有關(guān)。

當(dāng)然，引入直放站后，由于基站噪聲抬升，會(huì)減小基站及直放站設(shè)備的上行通信半徑。因此，對直放站數(shù)量進(jìn)行規(guī)劃后，還需根據(jù)相應(yīng)覆蓋要求及現(xiàn)場工程設(shè)備的實(shí)際情況，對上行通信半徑進(jìn)行計(jì)算，以確保GSM-R手機(jī)接入系統(tǒng)的可靠性。

3 GSM-R交織組網(wǎng)直放站接入基站實(shí)例分析

某隧道長約16 km，隧道口兩端各安排一個(gè)基站，要求使用直放站和泄漏電纜對整個(gè)隧道進(jìn)行覆蓋，每臺直放站設(shè)備功率為5 W（37 d Bm），要求保證使用直放站后隧道內(nèi)GSM-R通信信號的無縫覆蓋。

通過基站及直放站指標(biāo)可以確定：基站功率為20 W（43 dBm），自身噪聲系數(shù)為4，允許噪聲惡化3 dB，直放站自身噪聲系數(shù)為4，主要分配在上行低噪放大器及光模塊上。

將相應(yīng)數(shù)據(jù)代入公式（10）中，可得：

lg n＜[（4-4）+（GREPdown-GREPup）+（43-37）]/10+lg（103/10-1） （11）

根據(jù)公式（11）可得，當(dāng)直放站下行增益比上行增益大7 dB時(shí)，可接入19個(gè)遠(yuǎn)端，當(dāng)直放站下行增益比上行增益大8 dB時(shí)，可接入25個(gè)遠(yuǎn)端。

考慮到隧道內(nèi)避車洞間距及設(shè)備安裝方便，對于16 km的隧道，安排設(shè)置16個(gè)遠(yuǎn)端，這樣每個(gè)直放站近端分別帶8個(gè)主設(shè)備和8個(gè)從設(shè)備。理論上，在這種情況下，只需保證（GREPdown-GREPup）大于7 d B即可，但為了盡量減少直放站設(shè)備對基站的噪聲影響，在設(shè)計(jì)中將（GREPdown-GREPup）調(diào)整為10 d B，但是在此情況下，上行信號的通信半徑會(huì)有所降低，因此，還要再計(jì)算一下（GREPdown-GREPup）=10 dB時(shí)，上行信號是否能滿足無縫覆蓋的要求。

下行增益GREPdown=37 d B-43 d B=-6 d B，則上行增益GREPup=-6 dB-10 dB=-16 dB。

按圖1設(shè)置系統(tǒng)增益。泄漏電纜采用1-5/8”輻射型漏纜，以其技術(shù)指標(biāo)為例進(jìn)行計(jì)算，在各頻段內(nèi)的傳輸損耗和耦合損耗見表1。

網(wǎng)絡(luò)覆蓋及服務(wù)質(zhì)量應(yīng)達(dá)到以下要求：直放站遠(yuǎn)端機(jī)接收靈敏度≥-89 dBm；覆蓋區(qū)內(nèi)無線可通率≥99％；

該型泄漏電纜在900 M Hz 頻段內(nèi)傳輸損耗為27 dB/km，2 m處耦合損耗為84 dB。

泄漏電纜的空間耦合損耗與距離的對應(yīng)關(guān)系為：

LS（dB）=84＋10×lg（d/2）

整個(gè)泄漏電纜的損耗（包括傳輸損耗和空間耦合損耗）的計(jì)算公式為：

Loss（dB）=27×S /1 000＋LS=27×S /1 000＋84＋10×lg（d/2） （12）

式中：S ——泄漏電纜長度，m；

d ——用戶機(jī)離泄漏電纜的距離，m。

GSM-R手機(jī)的輸出功率為30 dBm，2 m處泄漏電纜的耦合損耗-84 d B，人體阻擋-5 d B，直放站最弱接收場強(qiáng)-89 d Bm。將以上數(shù)據(jù)代入公式（12），可以得到泄漏電纜的最大覆蓋距離S=1 112 m。

根據(jù)隧道方案，隧道內(nèi)單根泄漏電纜最長距離為1 000 m。因此，在現(xiàn)有覆蓋距離下，GSM-R手機(jī)上行

表1 輻射型泄漏電纜在各頻段內(nèi)的傳輸損耗和耦合損耗

信號完全可以滿足系統(tǒng)接收要求。

4 結(jié)束語

由以上理論及實(shí)例分析可以得出：只要對基站及直放站系統(tǒng)進(jìn)行充分的分析和計(jì)算，可以很方便地確定基站及直放站系統(tǒng)的分布、位置和數(shù)量，并確定當(dāng)前系統(tǒng)是否滿足覆蓋全路段的需要。同時(shí)，應(yīng)考慮高速鐵路GSM-R直放站交織組網(wǎng)延伸覆蓋系統(tǒng)是一個(gè)綜合性、全方位的覆蓋工程，理論計(jì)算和試驗(yàn)段測試結(jié)果不一定能完全照搬到實(shí)際工程中去。例如直放站設(shè)備放大器件線性度的惡化、設(shè)備內(nèi)部射頻連接線松脫、天饋線系統(tǒng)接頭連接工藝不達(dá)標(biāo)、跳線接頭松動(dòng)、無源器件受雨水腐蝕和氧化等，都有可能抬升基站噪聲。因此，從系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)開始，在滿足系統(tǒng)正常工作情況下，應(yīng)盡量留出一定儲備量，保證系統(tǒng)在惡劣環(huán)境下能夠正常工作。

劉輝：武漢虹信通信技術(shù)有限責(zé)任公司，高級工程師，湖北 武漢，430073