分布式基站在我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

■ 楊銳

分布式基站（DBS）是將基站分成近端設(shè)備即無(wú)線基帶控制（BBU）和遠(yuǎn)端設(shè)備即射頻拉遠(yuǎn)（RRU）兩部分，二者之間通過(guò)光纖連接，其接口是基于通用公共射頻接口（CPRI）或開(kāi)放式基站架構(gòu)（OBASI）接口，可以穩(wěn)定地與主流廠商的設(shè)備進(jìn)行互聯(lián)。BBU可以安裝在合適的機(jī)房位置，RRU安裝在天線端，這樣，將以前的基站模塊的射頻部分分離出來(lái)，通過(guò)將BBU與RRU分離，可以將煩瑣的維護(hù)工作簡(jiǎn)化到BBU端，一個(gè)BBU可以連接多個(gè)RRU，既節(jié)省空間，又降低設(shè)置成本，提高組網(wǎng)效率。同時(shí)二者之間采用光纖連接，損耗較低。

1 分布式基站工作原理及技術(shù)特點(diǎn)

1.1 射頻拉遠(yuǎn)的工作原理

發(fā)送端下行信號(hào)經(jīng)過(guò)基帶變頻、濾波，再經(jīng)射頻濾波，最后經(jīng)過(guò)線性功率放大器后通過(guò)發(fā)送濾波器傳至天饋。接收端將收到的上行信號(hào)進(jìn)行濾波、低噪聲放大、射頻小信號(hào)放大濾波和變頻，然后完成模數(shù)轉(zhuǎn)換和數(shù)字中頻處理。RRU系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖1。

RRU與DBS基帶部分連接的接口有2種：CPR I及OBASI。RRU與基站控制器（BSC）連接見(jiàn)圖2。

1.2 分布式基站技術(shù)特點(diǎn)

分布式基站采用分布式架構(gòu)、多載波技術(shù)和高效功放技術(shù)，把傳統(tǒng)的宏基站設(shè)備按照功能劃分為2個(gè)功能模塊：基站的基帶、主控、傳輸、時(shí)鐘等功能集成在BBU；收發(fā)信機(jī)、功放等中射頻集成在遠(yuǎn)端射頻模塊上，射頻單元安裝在天線端。射頻單元與基帶單元之間通過(guò)光纖連接。RRU有2種類(lèi)型：傳統(tǒng)雙密度RRU和多載波RRU。

雙密度載頻采用單載波功率放大器（SCPA）技術(shù)即窄帶PA，一塊載頻板只輸出2個(gè)頻點(diǎn)的射頻信號(hào)。在SCPA情況下，采用合路器帶來(lái)信號(hào)衰減，使多載波下功放整體效率降低（見(jiàn)圖3）。

多載波采用多載波功率放大器（MCPA）技術(shù)即引入基于寬帶PA，一個(gè)載頻板支持1～6個(gè)頻點(diǎn)的動(dòng)態(tài)配置。M CPA情況下，利用同一PA模塊對(duì)多個(gè)載波進(jìn)行放大（見(jiàn)圖4）。

1.3 分布式基站組網(wǎng)

分布式基站RRU與BBU之間支持星形、鏈形和環(huán)形組網(wǎng)方式（見(jiàn)圖5）。

1.4 分布式基站的優(yōu)缺點(diǎn)

分布式基站優(yōu)點(diǎn)：（1）分布式基站中BBU集中放置，RRU置于室外，RRU環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)。全室外型設(shè)計(jì)，電壓動(dòng)態(tài)范圍寬，RRU不需單獨(dú)設(shè)置機(jī)房、空調(diào)，可安裝于室外空地、屋頂、預(yù)制水泥桿；（2）BBU容量較大，實(shí)現(xiàn)了容量與覆蓋之間的轉(zhuǎn)化；（3）多個(gè)RRU可共享BBU基帶資源，可節(jié)省基帶投資；（4）分布式基站覆蓋技術(shù)支持平滑擴(kuò)容，可通過(guò)“擴(kuò)容不加站”實(shí)現(xiàn)對(duì)網(wǎng)絡(luò)的平滑調(diào)整；（5）RRU與BBU之間采用光纖連接，可以減少饋纜損耗。

分布式基站存在的問(wèn)題：（1）分布式基站射頻單元出現(xiàn)故障時(shí)、更換不如傳統(tǒng)基站方便，一般只能直接更換整個(gè)RRU設(shè)備；（2）RRU設(shè)備多為小型化、集成度高的室外型設(shè)備，散熱不足是RRU的主要問(wèn)題；（3）RRU和BBU間的光纖無(wú)法使用已有的傳輸網(wǎng)絡(luò)，只能使用光纖進(jìn)行傳輸，基站設(shè)備無(wú)法實(shí)現(xiàn)傳輸設(shè)備對(duì)光纖的監(jiān)控功能。

2 分布式基站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1 鐵路應(yīng)用場(chǎng)景研究

我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)最主要的瓶頸在于頻率資源不足，目前可供GSM-R系統(tǒng)使用的只有EGSM的4 M b/s帶寬，導(dǎo)致很多鐵路樞紐地區(qū)、并線區(qū)段的頻率規(guī)劃困難；采用分布基站技術(shù)后可以增大小區(qū)的覆蓋范圍，可使頻率復(fù)用的距離增大，頻率資源利用率提高（見(jiàn)圖6）。

目前鐵路GSM-R系統(tǒng)承載的最重要業(yè)務(wù)是CTCS-3級(jí)列車(chē)控制業(yè)務(wù)，由于GSM系統(tǒng)的切換會(huì)導(dǎo)致電器交換數(shù)據(jù)（CSD）傳輸短暫中斷，每一次切換都會(huì)帶來(lái)傳輸干擾，若采用分布式基站，使多個(gè)RRU共小區(qū)，減少切換次數(shù)，適應(yīng)高速列車(chē)通信要求，減少傳輸干擾對(duì)CTCS-3級(jí)列控業(yè)務(wù)的影響。分布式基站RRU共小區(qū)見(jiàn)圖7。

圖4 多載波單元

圖5 RRU組網(wǎng)圖

圖6 分布式基站增加頻率復(fù)用距離

圖7 分布式基站RRU共小區(qū)

2.2 鐵路線交叉并線區(qū)段的無(wú)線覆蓋

在鐵路并線及交叉區(qū)段，若采用宏建站覆蓋時(shí)要控制好基站的切換點(diǎn)及覆蓋范圍，并對(duì)基站選址、網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化要求較高。如果采用分布式基站RRU共小區(qū)的覆蓋方式，基站選址和網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化難度都會(huì)大大降低。分布式基站鐵路線并線、交叉區(qū)段覆蓋見(jiàn)圖8。

2.3 隧道內(nèi)的無(wú)線覆蓋

傳統(tǒng)的隧道內(nèi)覆蓋方式均采用光纖直放站+泄漏電纜的方式，在隧道內(nèi)同樣可以采用RRU+泄漏電纜的方式，隧道內(nèi)可以采用主備用BBU，RRU共小區(qū)的方式，可以把切換點(diǎn)控制在隧道之外，同時(shí)使用備用BBU提供冗余，提高系統(tǒng)可靠性。RRU隧道內(nèi)覆蓋見(jiàn)圖9。

RRU與數(shù)字光纖直放站可利用現(xiàn)有成熟的以太網(wǎng)數(shù)字光纖傳輸技術(shù)傳輸基帶信號(hào)，并共同遵守標(biāo)準(zhǔn)的CPRI和OBSAI接口。使用中可實(shí)現(xiàn)RRU和數(shù)字光纖直放站的遠(yuǎn)端機(jī)互相替換。

覆蓋距離上，兩者均可作為基站拉遠(yuǎn)系統(tǒng)供用，數(shù)字光纖直放站用作載波池拉遠(yuǎn)，RRU可用作基帶池拉遠(yuǎn)。載波池拉遠(yuǎn)距離取決于小區(qū)覆蓋半徑和光在光纖上的傳輸速度，數(shù)字信號(hào)在光纖中傳播，其動(dòng)態(tài)范圍也較模擬信號(hào)大，可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)端機(jī)更大的信號(hào)覆蓋；同時(shí)，數(shù)字信號(hào)不隨光信號(hào)的衰減而衰減，因此其傳輸（拉遠(yuǎn)）距離也進(jìn)一步增加。經(jīng)計(jì)算，最遠(yuǎn)可達(dá)40 km。

維護(hù)管理上，RRU是基站設(shè)備的一部分，與基站設(shè)備同在一套網(wǎng)管中，而直放站設(shè)備需要單獨(dú)設(shè)置網(wǎng)管設(shè)備，而且目前直放站設(shè)備的網(wǎng)管功能都比較差。

組網(wǎng)方式上，RRU作為拉遠(yuǎn)單元可單獨(dú)使用，而數(shù)字光纖直放站由近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)組成，實(shí)際應(yīng)用時(shí)，近端機(jī)是一個(gè)，遠(yuǎn)端機(jī)可以是一個(gè)或多個(gè)，組網(wǎng)上可并聯(lián)也可串聯(lián)，組網(wǎng)方式可以多樣化，如鏈形、環(huán)形、樹(shù)形等。

圖8 分布式基站鐵路線并線、交叉區(qū)段覆蓋示意圖

圖9 RRU隧道內(nèi)覆蓋示意圖

傳輸時(shí)延上，因?yàn)榇嬖?次變頻過(guò)程，致使數(shù)字光纖直放站的傳輸時(shí)延比較大。而RRU直接傳送基帶信號(hào)，時(shí)延不明顯。

底噪抬升上，數(shù)字光纖直放站僅采用模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器（ADC）和數(shù)字模擬轉(zhuǎn)換器（DAC），此過(guò)程只可能引入更多的量化噪聲，從而抬升上行噪聲。而RRU傳輸?shù)臑榧兓鶐盘?hào)，可不用考慮底噪問(wèn)題。

2.4 分布式基站應(yīng)用前景

目前國(guó)際鐵路聯(lián)盟（UIC）、歐洲鐵路通信標(biāo)準(zhǔn)機(jī)構(gòu)（EIRENE）等對(duì)分布式基站的應(yīng)用沒(méi)有進(jìn)行明確的定義說(shuō)明，歐洲鐵路也沒(méi)有分布式基站的應(yīng)用先例。在我國(guó)鐵路的聯(lián)絡(luò)線、站場(chǎng)等地段分布式基站有部分應(yīng)用，但在鐵路正線、鐵路隧道、鐵路樞紐地區(qū)及高速鐵路區(qū)段的應(yīng)用，仍需要通過(guò)試驗(yàn)段進(jìn)行分布式基站的各項(xiàng)功能指標(biāo)進(jìn)行測(cè)試。目前鐵路科研單位已經(jīng)建成分布式基站的試驗(yàn)環(huán)境，通過(guò)進(jìn)一步的測(cè)試驗(yàn)證，制定適合我國(guó)鐵路的分布式基站的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)后，方可進(jìn)行分布式基站的大規(guī)模應(yīng)用。

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)分布式基站技術(shù)的介紹和鐵路典型應(yīng)用場(chǎng)景的說(shuō)明，對(duì)分布式基站在GSM-R系統(tǒng)中應(yīng)用的技術(shù)方案進(jìn)行研究分析；分布式基站具有先進(jìn)的技術(shù)和在公網(wǎng)的成功運(yùn)用案例，并且對(duì)解決我國(guó)鐵路GSM-R無(wú)線頻率不足、鐵路樞紐地區(qū)及交叉并線區(qū)段的無(wú)線覆蓋相對(duì)于宏基站有著明顯優(yōu)勢(shì)；希望可以在日后的工程實(shí)踐中積累更多的經(jīng)驗(yàn)，通過(guò)實(shí)際的工程測(cè)試數(shù)據(jù)說(shuō)明分布式基站適合我國(guó)鐵路GSM-R系統(tǒng)各種運(yùn)用場(chǎng)景。

[1] 鐘章隊(duì)，李旭，蔣文怡，等. 鐵路GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社，2007