包西鐵路GSM-R數(shù)字光纖直放站方案研究

李 慶

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)不斷發(fā)展，鐵路沿線的地形較為復(fù)雜，大彎道、深路塹、隧道等區(qū)域通常是基站天線覆蓋的弱場區(qū)，這些區(qū)域的覆蓋一般采用光纖直放站結(jié)合天線或漏泄電纜覆蓋的方式來解決，光纖直放站目前有模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站兩種，目前鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)在解決區(qū)間弱場覆蓋時(shí)僅采用模擬光纖直放站。針對目前鐵路無線通信技術(shù)的發(fā)展趨勢，必須統(tǒng)籌考慮GSM-R系統(tǒng)的無線覆蓋建設(shè)方案，提出采用GSM-R數(shù)字光纖直放站來解決當(dāng)前鐵路GSM-R系統(tǒng)在現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用中存在的技術(shù)問題。

1 GSM-R數(shù)字光纖直放站現(xiàn)狀

目前鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)所采用的光纖直放站，大都建立在射頻和模擬傳輸技術(shù)之上，將射頻信號調(diào)制到光信號中，通過模擬光纖傳輸系統(tǒng)在近遠(yuǎn)端之間進(jìn)行傳輸，主要完成對GSM-R信號的低噪聲放大，選頻濾波、功率放大等功能，在GSM-R提供的4M(885～889 MHz，930～934 MHz)帶寬內(nèi)實(shí)現(xiàn)GSM-R無線信號的透明放大轉(zhuǎn)發(fā)，達(dá)到覆蓋盲區(qū)或弱信號區(qū)的目的[1]。模擬光纖傳輸?shù)墓逃刑匦越o工程設(shè)計(jì)和實(shí)際應(yīng)用過程中帶來以下幾方面的問題。

(1)傳輸損耗

射頻信號隨著光信號的衰減而衰減，近端機(jī)和遠(yuǎn)端機(jī)之間光纜距離不同造成近、遠(yuǎn)端機(jī)之間射頻通路的損耗不同，造成遠(yuǎn)端機(jī)輸出功率以及覆蓋范圍不同。

(2)上行噪聲疊加

對光信號的放大同時(shí)也將環(huán)境噪聲進(jìn)行了放大，因此上行噪聲有一個(gè)噪聲疊加的過程，隨著遠(yuǎn)端的個(gè)數(shù)增加而增加，這樣就會(huì)抬升基站的噪聲電平，使基站的接收靈敏度和覆蓋范圍降低[2]，增加2臺直放站遠(yuǎn)端機(jī)后引起基站靈敏度下降值增加1.3dB[3]?，F(xiàn)有解決辦法是每個(gè)基站允許接入的直放站數(shù)量受限(一般最多采用1拖4的模式工作)[4]，同時(shí)帶來基站覆蓋距離不能過長的問題，每提高1dB，覆蓋距離就會(huì)減少33～45 m[5]。

(3)傳輸時(shí)延

GSM-R系統(tǒng)在設(shè)計(jì)時(shí)考慮到了時(shí)間色散的問題，并利用均衡技術(shù)來克服時(shí)間色散。均衡技術(shù)是指各種用來處理碼間串?dāng)_的算法和實(shí)現(xiàn)方法。

根據(jù)GSM協(xié)議，手機(jī)接收機(jī)均衡器最大均衡能力為4 bit[6]，那么能夠處理的時(shí)延值=4×3.69 μs≈14.8 μs(GSM的bit速率為270 kb/s，則1 bit時(shí)間為3.69 μs)[7]。對于雙方信號差大于9 dB且超過4TA(時(shí)間窗)的延遲反射信號，均衡器將無法處理，被認(rèn)為是同頻干擾信號，因此，在文獻(xiàn)[8]中要求光纖直放站的時(shí)延(寬帶)≤5 μs。在重疊區(qū)域內(nèi)通信的移動(dòng)終端將由于同頻干擾而使通話質(zhì)量下降，甚至導(dǎo)致掉話。由于光在光纜中的傳播速度比電磁波在空間傳播速度慢，再考慮光纖直放站的時(shí)延，造成工程設(shè)計(jì)中基站和第一臺光纖直放站之間的距離受限(一般不大于3 km)[9]以及遠(yuǎn)端機(jī)之間的距離不能過遠(yuǎn)(不大于1.7 km)[7]等問題。

(4)組網(wǎng)

射頻信號是直接調(diào)制在光信號中進(jìn)行傳輸?shù)?，?dāng)光信號由于分配、耦合等原因引起信號強(qiáng)度降低時(shí)，其射頻信號同樣會(huì)降低，這樣就造成在星型組網(wǎng)時(shí)，直放站遠(yuǎn)端一般不會(huì)超過4個(gè)[10]，鏈型組網(wǎng)時(shí)，直放站遠(yuǎn)端一般不會(huì)超過3個(gè)(因?yàn)檫€要鏈型組網(wǎng)，還要考慮光/射頻信號的分配比、上行底噪抬升、信號一致性等工程問題)，極大地限制了直放站作為信號延伸設(shè)備的使用。

2 解決思路

隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的發(fā)展，使得采用數(shù)字處理技術(shù)的直放站的成本大幅降低，針對模擬光纖直放站在實(shí)際應(yīng)用過程中存在的問題，數(shù)字光纖直放站替代模擬光纖直放站必將成為鐵路發(fā)展的趨勢。

數(shù)字光纖直放站近端機(jī)通過提取基站RF信號進(jìn)行數(shù)字濾波出來、變頻、數(shù)字協(xié)議轉(zhuǎn)換、電光轉(zhuǎn)換，通過光纖傳輸至遠(yuǎn)端機(jī)并還原為RF信號，通過數(shù)字方式補(bǔ)償近端單元MHU(Master Hub Unit)和遠(yuǎn)端單元RRU(Remote Radio Unit)之間的光損耗，更好的提高系統(tǒng)效率。

數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)由近端單元(MHU)和遠(yuǎn)端單元(RRU)組成，采用光纜作為中繼信號傳輸媒體，具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號質(zhì)量好、抗干擾能力強(qiáng)、可靠性高等特點(diǎn)。

(1)傳輸損耗

與傳統(tǒng)模擬光纖直放站相比具有利用數(shù)字方式補(bǔ)償光路損耗。

(2)上行噪聲疊加

利用數(shù)字處理技術(shù)抑制噪聲，對數(shù)字化后的信號采用DSP進(jìn)行數(shù)字處理，DSP可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)監(jiān)測信號是GSM脈沖信號還是噪聲，只輸出GSM脈沖信號，而對噪聲則進(jìn)行濾除，因此可以很好地抑制直放站遠(yuǎn)端放大器引入的噪聲[11]。

(3)傳輸時(shí)延

對遠(yuǎn)端設(shè)備進(jìn)行時(shí)延調(diào)整，通過增大單個(gè)RRU到MHU時(shí)延，使距基站較近的RRU與距基站較遠(yuǎn)的RRU時(shí)延一致，使同扇區(qū)遠(yuǎn)端設(shè)備之間重疊信號覆蓋區(qū)域的時(shí)延差小于4TA(時(shí)間窗)[12]，從而避免多臺遠(yuǎn)端設(shè)備覆蓋區(qū)域之間產(chǎn)生時(shí)間色散的現(xiàn)象，增大了直放站間間距，可以靈活調(diào)整直放站和天饋線設(shè)置。

(4)組網(wǎng)

近端單元和遠(yuǎn)端單元之間可采用點(diǎn)對多點(diǎn)星形結(jié)構(gòu)、串行連接(直放站遠(yuǎn)端可以達(dá)到7個(gè))[13]、遠(yuǎn)端單元之間可進(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)菊花鏈結(jié)構(gòu)或混合組網(wǎng)結(jié)構(gòu)。

采用數(shù)字信號處理技術(shù)的數(shù)字光纖直放站，可以方便地實(shí)現(xiàn)數(shù)字預(yù)失真技術(shù)，從而大大提高放大器的效率，一般來說能將直放站整機(jī)效率從模擬直放站的7%左右提高到15%左右。簡單估算，20 W額定輸出功率的直放站一年可以節(jié)省電費(fèi)近千元(按1元/度計(jì))[14]。

以下通過現(xiàn)場試驗(yàn)數(shù)據(jù)來分析數(shù)字光纖直放站替代模擬光纖直放站的可能性。

3 試驗(yàn)內(nèi)容

利用數(shù)字光纖直放站替代模擬光纖直放站，系統(tǒng)由近端機(jī)、遠(yuǎn)端機(jī)、網(wǎng)管監(jiān)控設(shè)備及傳輸系統(tǒng)構(gòu)成。系統(tǒng)構(gòu)成框圖如圖1所示。

圖1 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)構(gòu)成框圖

試驗(yàn)地點(diǎn)選擇包西線延安到甘泉北區(qū)間(34.532 km)，選取尚家溝基站(編號YA-GQB01)及其相應(yīng)覆蓋區(qū)間進(jìn)行試驗(yàn)。

包西線延安到甘泉北區(qū)間GSM-R網(wǎng)絡(luò)采用單層網(wǎng)絡(luò)覆蓋，設(shè)計(jì)行車速度200 km/h。

GSM-R數(shù)字光纖直放站網(wǎng)管系統(tǒng)通過尚家溝基站DDF架到延安車站DDF架之間2M通道及外圍網(wǎng)管接入設(shè)備進(jìn)行監(jiān)控檢測，無需增加別的硬件設(shè)備。

現(xiàn)場安裝位置示意見圖2。

圖2 數(shù)字光纖直放站現(xiàn)場安裝位置示意(單位：m)

近端機(jī)安裝在尚家溝基站設(shè)備機(jī)房內(nèi)標(biāo)準(zhǔn)的19U機(jī)柜里，尚家溝基站里程標(biāo)K508+600，1號遠(yuǎn)端機(jī)安裝在尚家溝隧道里的一個(gè)設(shè)備洞內(nèi)，里程標(biāo)K510+892，距離尚家溝基站的近端機(jī)2 292 m，設(shè)備天線輸出端口通過1根射頻纜連接到功分器后再接到2條漏纜上，通過漏纜對隧道內(nèi)進(jìn)行信號覆蓋。

2號遠(yuǎn)端機(jī)安裝在楊家灣隧道洞口外的1個(gè)設(shè)備機(jī)房內(nèi)，里程標(biāo)K512+200，距離尚家溝基站的近端機(jī)3 600 m，距離1號遠(yuǎn)端機(jī)1 308 m，設(shè)備天線輸出端口通過1根射頻纜連接到功分器后，一端連接到楊家灣隧道洞內(nèi)的漏纜上進(jìn)行信號覆蓋，另一端連接到洞外的定向天線上進(jìn)行洞外區(qū)域的信號覆蓋。

4 測試結(jié)果及結(jié)論

4.1 場強(qiáng)測試

采用軟件控制結(jié)合人員背負(fù)測試設(shè)備行走區(qū)間的方式，通過軟件控制路測手機(jī)有規(guī)律的呼叫車站GSM-R手機(jī)來完成整個(gè)區(qū)間的場強(qiáng)覆蓋測試。

表1是沒有倒接試驗(yàn)設(shè)備之前現(xiàn)場運(yùn)行模擬光纖直放站的路測相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)和倒接試驗(yàn)設(shè)備之后現(xiàn)場運(yùn)行GSM-R數(shù)字光纖直放站的路測相關(guān)指標(biāo)數(shù)據(jù)。

4.2 光衰試驗(yàn)

在1號遠(yuǎn)端機(jī)光纖接入處串聯(lián)接入1個(gè)光衰減器，通過調(diào)節(jié)光衰減器(使用光功率計(jì)測量光傳輸功率)的衰減值為15 dB后再接到遠(yuǎn)端機(jī)光纖接口上，再次使用路測設(shè)備進(jìn)行線路相關(guān)指標(biāo)測試(僅測試1號遠(yuǎn)端機(jī)覆蓋區(qū)域)，驗(yàn)證GSM-R數(shù)字光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)末端信號覆蓋不受光傳輸鏈路功率衰耗的影響，突出數(shù)字光纖直放站對比模擬光纖直放站的巨大優(yōu)勢。串接一個(gè)15 dB的光衰減器后的線路相關(guān)指標(biāo)測試數(shù)據(jù)見表2。

表1 現(xiàn)場試驗(yàn)場強(qiáng)測試路測指標(biāo)數(shù)據(jù)

表2 串接1個(gè)15 dB的光衰減器后的指標(biāo)測試數(shù)據(jù)

測試說明如下：

(1)測試線路方向?yàn)檫h(yuǎn)離基站，由尚家溝隧道入口到楊家灣隧道出口，直至下一基站方向；

(2)尚家溝隧道內(nèi)離1號遠(yuǎn)端機(jī)250 m處(往楊家灣隧道方向)的里程標(biāo)為K581+100；

(3)出楊家灣隧道至下一基站切換點(diǎn)的里程標(biāo)為K512+810；

(4)下一基站切換點(diǎn)距離楊家灣隧道出口約600 m，兩個(gè)基站信號覆蓋交疊區(qū)通話質(zhì)量良好，越區(qū)切換正常。

4.3 測試對比

通過對比以上數(shù)據(jù)可知：現(xiàn)場更換成GSM-R數(shù)字光纖直放站運(yùn)行之后，相同測試點(diǎn)的場強(qiáng)E值、時(shí)延TA值、通話質(zhì)量等測試指標(biāo)和原來運(yùn)行模擬光纖直放站時(shí)相應(yīng)指標(biāo)的誤差都處在可以接受的范圍之內(nèi)，且人為地在光纖傳輸鏈路上加入光衰減后，相同測試點(diǎn)的場強(qiáng)E值、時(shí)延TA值、通話質(zhì)量等測試指標(biāo)和沒有加入光衰減前的指標(biāo)基本相同(動(dòng)態(tài)測試誤差≤2 dB)，經(jīng)過鏈路時(shí)延調(diào)平等網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化之后的數(shù)字傳輸鏈路的時(shí)延比模擬傳輸鏈路的時(shí)延更為穩(wěn)定，更能有效解決在實(shí)際應(yīng)用中多個(gè)遠(yuǎn)端單元RRU之間重疊覆蓋區(qū)域的時(shí)延色散問題。

4.4 試驗(yàn)結(jié)論

通過現(xiàn)場試驗(yàn)，可以得到與文獻(xiàn)[6，10，12，13]相似的結(jié)論：GSM-R數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)設(shè)備可以完全替代原來的模擬光纖直放站設(shè)備進(jìn)行信號覆蓋，且在保證光功率滿足遠(yuǎn)端機(jī)光模塊接收靈敏度范圍要求的情況下，近、遠(yuǎn)端機(jī)之間的光纖傳輸鏈路不受光功率衰減的影響，即射頻不隨信號的衰減而衰減，在長距離和多分路傳輸過程中保持動(dòng)態(tài)范圍不變；并能通過調(diào)整遠(yuǎn)端機(jī)時(shí)延可以良好解決實(shí)際應(yīng)用中多個(gè)遠(yuǎn)端單元RRU之間重疊覆蓋區(qū)域的時(shí)延色散問題，體現(xiàn)了數(shù)字光纖直放站對比模擬光纖直放站無比的優(yōu)越性。

通過以上試驗(yàn)和測試，GSM-R數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)符合設(shè)計(jì)要求，能夠滿足現(xiàn)場實(shí)際應(yīng)用需要。

5 需要進(jìn)一步研究的問題

(1)本次試驗(yàn)速度為200 km/h及以下不采用交織冗余覆蓋的線路。在速度250 km/h以上客運(yùn)專線等需采用交織冗余覆蓋的線路上，數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)的設(shè)備和通道冗余問題還需深入研究。

(2)本次試驗(yàn)僅測試數(shù)字光纖直放站1拖2的模式，未能試驗(yàn)數(shù)字光纖直放站噪聲抑制能力強(qiáng)，支持遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量大的優(yōu)點(diǎn)，后期還需通過試驗(yàn)、測試驗(yàn)證其可實(shí)施性。

[1] 王蓓.青藏鐵路GSM-R通信系統(tǒng)中干擾問題的分析與研究[D].北京：北京交通大學(xué)：通信與信息系統(tǒng)，2008：31-32．

[2] 馬俊峰.直放站的噪聲系數(shù)和互調(diào)干擾對GSM網(wǎng)絡(luò)的影響及解決方法[J].通信世界，2004(26)：38-38．

[3] 楊玉修.西成客運(yùn)專線部分特殊地段GSM-R網(wǎng)絡(luò)覆蓋方案研究[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(9)：106-109．

[4] 徐鐵漢，李辰莉，于鎖.石太客運(yùn)專線GSM-R弱場解決[J].現(xiàn)代城市軌道交通，2010(5)：18-20．

[5] 陳建平，吉榮新.GSM-R光纖直放站應(yīng)用的幾個(gè)問題[C]//GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信學(xué)術(shù)研討會(huì)，太原：2005.

[6] 何明.室內(nèi)分布系統(tǒng)時(shí)延色散干擾問題分析及優(yōu)化方法[J].郵電設(shè)計(jì)技術(shù)，2011(7)：52-54．

[7] 張磊，喻建，管和鵬.光纖直放站數(shù)字化前后在現(xiàn)網(wǎng)中適用性對比分析[J].移動(dòng)通信，2008(12)：54-58．

[8] 中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部.YD/T1337—2005 900/1800 MHz TDMA數(shù)字蜂窩移動(dòng)通信網(wǎng)直放站技術(shù)要求和測試方法[S].北京：中華人民共和國信息產(chǎn)業(yè)部，2005．

[9] 鐵道部工程設(shè)計(jì)鑒定中心，北京全路通信信號研究設(shè)計(jì)院.中國鐵路GSM-R移動(dòng)通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008．

[10] 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(bào)，2007(2)：78-83．

[11] 白雪峰.高速鐵路無線網(wǎng)絡(luò)現(xiàn)網(wǎng)優(yōu)化技術(shù)研究與實(shí)施[D].北京：北京郵電大學(xué)，2011：51．

[12] 蘇雷，楊健.高速鐵路GSM光纖專網(wǎng)建設(shè)方案研究[J].數(shù)據(jù)通信，2011(4)：40-42．

[13] 李冀翩.長沙高速鐵路GSM網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量研究與優(yōu)化[D].長沙：湖南大學(xué)，2009：27．

[14] 金亮.直放站技術(shù)的一些發(fā)展趨勢[J].電信工程技術(shù)與標(biāo)準(zhǔn)化，2011(4)：65-68．