交織冗余備份光纖直放站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉淑榮

(杭州海康威視數(shù)字技術(shù)股份有限公司，杭州 310011）

交織冗余備份光纖直放站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用

劉淑榮

(杭州?？低晹?shù)字技術(shù)股份有限公司，杭州 310011）

為確保高速列車的行車安全，鐵路系統(tǒng)要求全線信號(hào)無(wú)縫覆蓋，提出交織冗余備份直放站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用，系統(tǒng)組網(wǎng)到關(guān)鍵模塊備份等兩個(gè)層面，為信號(hào)無(wú)縫覆蓋提供可靠性保障。首先介紹光纖直放站的工作原理，其次從系統(tǒng)組網(wǎng)和關(guān)鍵模塊備份方面闡述系統(tǒng)的可靠性設(shè)計(jì)，最后講述交織冗余備份光纖直放站的漏纜檢測(cè)功能。

光纖直放站；GSM-R；冗余；備份

1　概述

GSM-R系統(tǒng)是專為鐵路通信設(shè)計(jì)的綜合專用數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)，與GSM系統(tǒng)相比，增加了鐵路通信列車調(diào)度、列車控制和支持高速列車等。我國(guó)大部分鐵路沿線地形復(fù)雜，多隧道、山體和坡地，這些地形對(duì)GSM-R信號(hào)形成阻擋，產(chǎn)生很多覆蓋盲區(qū)。若使用基站對(duì)盲區(qū)進(jìn)行覆蓋，會(huì)造成極大的投資浪費(fèi)并使線路運(yùn)行設(shè)備頻繁切換，影響通信效果，故GSM-R系統(tǒng)主要采用漏泄同軸電纜中繼器、無(wú)線直放站、光纖直放站等方式解決盲區(qū)覆蓋[1]。由于光纖具有資源豐富、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)點(diǎn)，GSM-R系統(tǒng)覆蓋廣泛使用光纖直放站。

為確保高速列車的行車安全，鐵路系統(tǒng)要求全線信號(hào)無(wú)縫覆蓋，因此，應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)中的光纖直放站必須具有較高的可靠性和穩(wěn)定性。GSM系統(tǒng)中的光纖直放站近端機(jī)、光纖線纜和遠(yuǎn)端機(jī)單點(diǎn)連接，任何一部分出現(xiàn)異常，都無(wú)法保證信號(hào)覆蓋的連續(xù)性。本文提出的交織冗余備份光纖直放站從系統(tǒng)組網(wǎng)、關(guān)鍵模塊備份兩個(gè)層面保證系統(tǒng)的可靠性，確保信號(hào)覆蓋的連續(xù)性。

2　光纖直放站的工作原理

光纖直放站主要由近端機(jī)、光纖線纜、遠(yuǎn)端機(jī)和天饋線組成[2]。其中近端機(jī)起信號(hào)中繼作用，主要由電源模塊、MCU、射頻模塊和光模塊組成；遠(yuǎn)端機(jī)起信號(hào)放大作用，主要由電源模塊、MCU、射頻模塊、光模塊和功放模塊組成。對(duì)于下行信號(hào)鏈路，無(wú)線信號(hào)從基站耦合出來(lái)進(jìn)入近端機(jī)，經(jīng)過(guò)射頻模塊處理及光模塊電信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)后，通過(guò)光纖傳輸?shù)竭h(yuǎn)端機(jī)，遠(yuǎn)端機(jī)通過(guò)光模塊將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，電信號(hào)經(jīng)過(guò)射頻模塊處理及功放模塊放大后送入發(fā)射天線，覆蓋目標(biāo)區(qū)域。對(duì)于上行信號(hào)鏈路，移動(dòng)臺(tái)（一般是手機(jī)）信號(hào)通過(guò)天線輸入到遠(yuǎn)端機(jī)，經(jīng)過(guò)遠(yuǎn)端機(jī)進(jìn)行射頻信號(hào)處理后，通過(guò)光纖傳送到近端機(jī)，近端機(jī)把信號(hào)耦合到基站。具體工作原理如圖1所示。

3　交織冗余備份光纖直放站的可靠性設(shè)計(jì)

交織冗余備份光纖直放站，首先從組網(wǎng)方面確保系統(tǒng)的可靠性。GSM系統(tǒng)中使用的光纖直放站，每臺(tái)近端機(jī)可以連接4臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)，近端機(jī)的輸出信號(hào)是與其相連遠(yuǎn)端機(jī)的輸入信號(hào)。交織冗余備份直放站通過(guò)增加一對(duì)冗余光模塊實(shí)現(xiàn)每臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)可以連接兩臺(tái)獲取不同基站信號(hào)的近端機(jī)，即每臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)有兩個(gè)輸入信號(hào)，當(dāng)其中一個(gè)輸入信號(hào)異常時(shí)，遠(yuǎn)端機(jī)仍能提供正常的信號(hào)覆蓋。具體組網(wǎng)框如圖2所示。

其次，交織冗余備份光纖直放站從設(shè)備方面確保系統(tǒng)的可靠性，近、遠(yuǎn)端機(jī)的關(guān)鍵模塊采用備份方式，確保設(shè)備不會(huì)因?yàn)槟骋荒K的故障導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的功能異常。備份的關(guān)鍵模塊主要有供電模塊、通信模塊和功放模塊。

3.1供電設(shè)計(jì)

交織冗余備份光纖直放站的近端機(jī)安裝在機(jī)房?jī)?nèi)，外部供電由機(jī)房供電系統(tǒng)保證。遠(yuǎn)端機(jī)安裝在室外，通過(guò)外接不間斷電源(UPS)保證外部供電，UPS外接蓄電池36 V，在市電供電異常情況下，設(shè)備仍可正常工作2 h。

直放站近、遠(yuǎn)端機(jī)采用2塊電源模塊并聯(lián)同時(shí)工作的熱備份方式。近端機(jī)采用2塊小功率的電源模塊并聯(lián)輸出28 V電壓，分壓為6 V供MCU及光模塊工作；遠(yuǎn)端機(jī)采用2塊大功率的電源模塊并聯(lián)輸出28 V電壓，其中一路28 V電壓供功放模塊工作，另一路28 V電壓分壓為6 V，供MCU及光模塊工作。

3.2通信模塊備份

交織冗余備份光纖直放站近、遠(yuǎn)端機(jī)各有3個(gè)光模塊相互匹配使用，分別為主光、備份光和冗余光模塊。主光模塊和備份光模塊用于近、遠(yuǎn)端機(jī)之間的信號(hào)傳輸及近、遠(yuǎn)端機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信，同時(shí)，僅有一對(duì)光模塊處于工作狀態(tài)。默認(rèn)情況下，工作光路是主光路。當(dāng)主光模塊故障或光纖斷開(kāi)等原因造成主光路不通時(shí)，工作光路自動(dòng)切換到備份光路。當(dāng)主光路恢復(fù)正常時(shí)，工作光路自動(dòng)切換回主光路。對(duì)于設(shè)備而言，光路本身無(wú)主備之分，人為定義其中一路具有高優(yōu)先級(jí)，成為主光路。

工作光路的判斷在遠(yuǎn)端機(jī)上實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)端機(jī)創(chuàng)建2個(gè)接收任務(wù)和1個(gè)發(fā)送任務(wù)，分別為主光模塊接收任務(wù)、備份光模塊接收任務(wù)和發(fā)送任務(wù)。當(dāng)主、備光模塊均無(wú)故障且主、備份光路同時(shí)接收到近端機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，處理主光路的接收數(shù)據(jù)，丟棄備份光路收到的數(shù)據(jù)，判定當(dāng)前工作光路是主光路；當(dāng)主光模塊故障或主光路接收不到近端機(jī)的發(fā)送數(shù)據(jù)時(shí)，工作光路切換到備份光路。發(fā)送任務(wù)每隔2 s檢測(cè)一次當(dāng)前的工作光路，如果當(dāng)前工作光路異常，切換到另一路，并向工作光路發(fā)送應(yīng)答數(shù)據(jù)包，光路切換流程如圖3所示。

主、備光路信號(hào)控制通過(guò)調(diào)整遠(yuǎn)端機(jī)的上、下行信號(hào)衰減實(shí)現(xiàn)。遠(yuǎn)端機(jī)有個(gè)專用的衰減器用于切斷不工作光路的上行信號(hào)，確保同一時(shí)刻只有一個(gè)上行信號(hào)，避免上行干擾。主光路工作時(shí)，衰減器自動(dòng)配置為30 dBm，切斷備份光路上行信號(hào)；備份光路工作時(shí)，衰減器自動(dòng)配置為0 dBm，切斷主光路上行信號(hào)。對(duì)于下行信號(hào)，通過(guò)配置遠(yuǎn)端機(jī)光模塊內(nèi)部的衰減器實(shí)現(xiàn)主、備光路的切換。

直放站近、遠(yuǎn)端機(jī)的冗余光模塊之間僅進(jìn)行信號(hào)傳輸，不進(jìn)行數(shù)據(jù)通信，MCU通過(guò)讀取冗余光模塊的告警狀態(tài)判斷冗余光路的通斷。冗余光路信號(hào)比主（備）光路信號(hào)小6 dB，遠(yuǎn)端機(jī)外接2根天線，分別輸出主（備）光路信號(hào)和冗余光路信號(hào)，移動(dòng)臺(tái)（一般是手機(jī)）會(huì)自動(dòng)選擇較強(qiáng)的信號(hào)作為工作信號(hào)。

近端機(jī)的主、備光模塊同時(shí)處于工作狀態(tài)，分別向遠(yuǎn)端機(jī)的主、備用光模塊發(fā)送數(shù)據(jù)并等待遠(yuǎn)端機(jī)的回應(yīng)，近端機(jī)根據(jù)遠(yuǎn)端機(jī)回應(yīng)數(shù)據(jù)的光模塊獲知當(dāng)前的通信光路。若近端機(jī)主、備光模塊都未收到遠(yuǎn)端機(jī)的回應(yīng)數(shù)據(jù)，近端機(jī)的主從鏈路故障告警被觸發(fā)，近端機(jī)主動(dòng)將該告警上報(bào)給監(jiān)控中心，工作人員采取相應(yīng)的處理方案。

3.3功放熱備份

交織冗余備份光纖直放站遠(yuǎn)端機(jī)具有兩個(gè)一致的線性功放，同時(shí)處于工作狀態(tài)。兩個(gè)功放的輸出經(jīng)過(guò)電橋合路后，再經(jīng)過(guò)雙工器雙路輸出，MCU實(shí)時(shí)檢測(cè)每個(gè)功放的工作狀態(tài)。有一路功放故障時(shí)，天線端的輸出功率減半，仍能滿足一定范圍內(nèi)的覆蓋。

4　交織冗余備份光纖直放站漏纜檢測(cè)功能

GSM-R系統(tǒng)中使用的交織冗余備份光纖直放站同時(shí)具有漏纜檢測(cè)功能。遠(yuǎn)端機(jī)增加一個(gè)漏纜檢測(cè)模塊，由信號(hào)發(fā)生電路和信號(hào)檢測(cè)電路兩部分組成。一臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)發(fā)出的檢測(cè)信號(hào)通過(guò)漏纜傳到相鄰遠(yuǎn)端機(jī)的檢測(cè)信號(hào)電路中，檢測(cè)信號(hào)和發(fā)出信號(hào)的差值即信號(hào)在漏纜傳輸中的實(shí)際損耗值，通過(guò)對(duì)比信號(hào)的實(shí)際損耗值和理論損耗值來(lái)判斷漏纜處于正常狀態(tài)、破損狀態(tài)或嚴(yán)重破損狀態(tài)。

5　結(jié)束語(yǔ)

本文提出的交織冗余備份光纖直放站已經(jīng)應(yīng)用于杭長(zhǎng)、甬臺(tái)溫、合福等多條高鐵線路，系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定可靠。交織冗余備份光纖直放站在可靠性方面滿足了鐵路行車安全的要求，但也存在一定的不足，系統(tǒng)中的直放站是模擬設(shè)備，存在上行噪聲疊加、傳輸時(shí)延不可控等問(wèn)題，后續(xù)將開(kāi)發(fā)交織冗余備份數(shù)字直放站解決現(xiàn)存的問(wèn)題，提高GSM-R系統(tǒng)中的信號(hào)質(zhì)量。

[1]李玲姣.光纖直放站在GSM-R系統(tǒng)中的應(yīng)用[J].鐵路通信信號(hào)工程技術(shù)，2010, 7（4）：33-35.

[2]高健，羅華斌.直放站的原理與應(yīng)用[J].中國(guó)無(wú)線電，2005，7（7）：30-33.

In order to ensure the safety of high-speed train operation, the railway system is required to cover the entire line with signals. The paper puts forward to use the interleaved redundancy backup repeaters and backup key modules in GSM-R system for ensuring signals seamless coverage. It also introduces the working principles of the fi ber optic repeaters, the reliability design of the system and the detection function of leaky coaxial cables of the repeaters.

optical fi ber repeater; GSM-R; redundancy; backup

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.010

2015-12-05）