數(shù)字光纖直放站在既有線GSM-R改造中的應用研究

梁 靜

(中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600)

1 概述

隨著鐵路GSM-R 網(wǎng)絡技術的不斷發(fā)展，鐵路地形較為復雜、隧道群、多山體阻擋的弱場區(qū)域多采用“光纖直放站+天線”或者漏泄同軸電纜的方式進行覆蓋。鐵路光纖直放站是一種通信基站信號拉遠設備，主要包括模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站，它是通過近端機把基站射頻信號轉(zhuǎn)換成光信號，然后通過光纖傳送到遠端機。模擬光纖直放站系統(tǒng)設計簡單，成本低、信號質(zhì)量可靠，在鐵路GSM-R 網(wǎng)絡弱場覆蓋方案中應用較多，但是由于模擬光纖傳輸?shù)墓逃刑匦越o工程設計和運營維護中帶來很多問題：一是遠端機之間傳輸損耗的不同，造成遠端機輸出功率和覆蓋范圍的不同；二是遠端機接入基站，上行噪聲疊加引起基站靈敏度下降，導致基站覆蓋距離不能過長；三是存在傳輸時延，導致基站和光纖直放站遠端機、遠端機及遠端機之間的距離受限；四是考慮噪聲抬升、組網(wǎng)方式等因素，基站所帶遠端機數(shù)量受到限制[1]。

針對模擬光纖直放站在實際應用過程中存在的種種問題，采用數(shù)字技術的光纖直放站在鐵路GSM-R 無線覆蓋中得到越來越多的應用。數(shù)字光纖直放站將模擬射頻信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，利用光纖進行數(shù)字信號傳輸[2]。相比模擬光纖直放站，具有以下幾個方面的優(yōu)勢：一是采用數(shù)字功放技術，功率大，上行具有分集接收通道，具有較強的覆蓋能力；二是利用數(shù)字技術抑制噪聲，消除了多級級聯(lián)對基站上行底噪的抬升；三是具備自動時延校準功能，保證多個遠端機之間同步收發(fā)，消除重疊覆蓋區(qū)域的多徑干擾，從而增大了遠端機之間的設備間距，直放站遠端機選址更加靈活，不受距離限制；四是組網(wǎng)方式靈活，可采用鏈型、環(huán)型、星型及混合結(jié)構組網(wǎng)，調(diào)試簡單，工程環(huán)境適應性更強[3]。

以滬昆線為背景，深入探討數(shù)字光纖直放站在GSM-R 系統(tǒng)改造中的應用。

2 數(shù)字光纖直放站組成及組網(wǎng)

數(shù)字光纖直放站主要由近端機、遠端機及網(wǎng)管等組成。近端機主要由信號處理模塊（簡稱數(shù)字模塊或數(shù)字板）、介質(zhì)雙工器、介質(zhì)濾波器、功分器、電源模塊及射頻電纜等組成；遠端機主要由信號處理模塊、功放模塊、開關電源、腔體雙工器、射頻開關、功分器、光旁路開關及切換控制板等組成；網(wǎng)管主要由網(wǎng)管服務器和網(wǎng)管終端等組成[4]。

數(shù)字光纖直放站組網(wǎng)方式有鏈型結(jié)構、環(huán)型結(jié)構、星型結(jié)構及混合結(jié)構[5]，分別如圖1 所示。

圖1 數(shù)字光纖直放站組網(wǎng)方案Fig.1 Networking scheme of digital optical fiber repeater

3 方案介紹

滬昆鐵路全線采用普通單網(wǎng)網(wǎng)絡覆蓋，針對多隧道、丘陵地形，采用“數(shù)字光纖直放站+漏纜”方式對弱場區(qū)域進行覆蓋；針對無山體阻擋、地形開闊地帶，采用“數(shù)字光纖直放站+定向天線”方式進行覆蓋；針對多隧道、丘陵但漏纜容易丟失、被盜情況，采用“數(shù)字光纖直放站+小型雙極化定向天線”方式對隧道區(qū)間進行覆蓋[6，7]。

以大石板區(qū)間的覆蓋方案為例，分別如圖2、3所示。

如圖2、3 所示，該區(qū)間上行線路有隧道5 座，下行線路有隧道4 座，上行線路和下行線路線間距最大為630 m，最小為25 m，采用“數(shù)字光纖直放站遠端機+漏纜”貫通，覆蓋整個上下行隧道區(qū)間，在隧道間的明區(qū)間，采用隧道洞頂天線的方式覆蓋，隧道洞頂采用小型雙極化定向天線進行覆蓋；區(qū)間數(shù)字光纖直放站遠端機接入車站處設置的數(shù)字直放站近端機，車站處的數(shù)字光纖直放站遠端機采用定向天線進行覆蓋[8，9]。

圖2 弱場覆蓋方案示意圖Fig.2 Schematic diagram of weak field coverage scheme

3.1 鏈路預算

GSM-R 網(wǎng)絡采用普通單網(wǎng)覆蓋方式，GSM-R網(wǎng)絡覆蓋電平滿足在95%的地點和時間統(tǒng)計概率下，接收機輸入端最小可用接收電平不小于-98 d Bm，基站之間應設置足夠的覆蓋重疊區(qū)以保證列車運行中成功完成越區(qū)切換。線路允許速度按照95 k m/h 計算，為保證系統(tǒng)可靠性，最大切換時間取10 s（二次切換），兩基站覆蓋重疊距離為264 m[10]。

考慮到線路采用數(shù)字光纖直放站方式進行無線覆蓋，由于數(shù)字光纖直放站需要對既有的模擬信號進行模-數(shù)轉(zhuǎn)換處理，將大大加大基站與所帶的第一個數(shù)字光纖直放站遠端機之間的時延差，故本工程中需要在基站附近增設一個數(shù)字光纖直放站遠端機，關閉基站發(fā)射信號，基站僅作為信源使用[11]。故本研究中僅考慮數(shù)字光纖直放站遠端機上下行鏈路平衡。應路局要求，數(shù)字光纖直放站遠端機功率采用5 W。

場強覆蓋計算采用Ok umur a-Hata 模型，覆蓋距離計算公式如下。

1）市區(qū)模型公式

2）郊區(qū)模型公式

3）開闊地模型公式

其中：

f：工作頻率（按930 MHz 計算）；

圖3 弱場覆蓋方案系統(tǒng)圖Fig.3 System diagram of weak field coverage scheme

hb：基站天線高度（m）；

hm：機車臺天線高度（4 m）；

a(hm)：移動臺天線高度校正因子，按中小城市取值；

d：傳播距離（km）。

3.1.1 空間波覆蓋計算

根據(jù)上下行鏈路預算公式及覆蓋距離計算公式[12，13]，結(jié)合不同的無線電波傳播環(huán)境和天線掛高，下行塔頂功分器損耗為-6 d B，饋線及接頭損耗為-3 d B，發(fā)射天線增益為17 d B；上行接收天線增益為17 d B，接收饋線及接頭損耗為-3 d B，塔頂功分器損耗為-3 d B，并考慮相應附加損耗、設計余量等因素計算得出數(shù)字光纖直放站遠端機的覆蓋范圍如表1 所示。

結(jié)合圖2 和圖3，新梁家溝隧道出口數(shù)字光纖直放站遠端機RU02、新小溪1 號隧道入口處數(shù)字光纖直放站遠端機RU03 和小溪2 號隧道入口處數(shù)字光纖直放站遠端機RU04 之間的設備間距分別約為790 m、515 m；區(qū)間基站處距離新梁家溝隧道入口處約為815 m。區(qū)間基站鐵塔高度為20 m，隧道洞頂敷設天線的高度按照隧道壁高度5 m 考慮，該區(qū)域較多山體阻擋，屏蔽較大，考慮采用市區(qū)模型進行無線覆蓋，圖3 大石板區(qū)間覆蓋為同一小區(qū)，不存在越區(qū)切換，根據(jù)表1 中的覆蓋預測，能夠滿足覆蓋要求[14，15]。

表1 數(shù)字光纖直放站遠端機覆蓋范圍Tab.1 Digital optical f i ber repeater RU coverage

3.1.2 漏泄同軸電纜覆蓋計算

同理，根據(jù)上下行鏈路預算公式及覆蓋距離計算公式，結(jié)合不同的無線電波傳播環(huán)境，直放站遠端機最大輸出功率按照5 W 考慮，下行功分器損耗為-3 d B，饋線及接頭損耗為-3 d B，漏纜注入功率為31 d B，接收饋線及接頭損耗為-3 d B；上行接收饋線及接頭損耗為-3 d B，功分器損耗為-3 d B，漏纜耦合損耗為68 d B，寬度因子為7 d B，漏纜傳輸損耗指標為27 d B/k m，并考慮相應附加損耗、設計余量等因素計算得出數(shù)字光纖直放站遠端機單邊漏纜傳輸距離為1.44 k m，雙邊漏纜傳輸距離為2.88 k m。根據(jù)漏纜覆蓋預測情況，結(jié)合圖3 中隧道區(qū)間漏纜貫通方案，滿足覆蓋要求[16，17]。

根據(jù)圖3，數(shù)字光纖直放站遠端機RU05 上下行隧道所連接的漏纜長度分別為2.09 k m 和1.95 k m，上下行漏纜長度差值0.14 k m，上下行漏纜傳輸損耗差值為0.14×27=3.78 d B，應在數(shù)字直放站遠端機功分器與避雷器之間增設5 d B 耦合器，以平衡上下行隧道漏纜注入功率，耦合器直通端通過避雷器接上行隧道漏纜，耦合器耦合端通過避雷器接下行隧道漏纜[18]。

3.2 時延調(diào)整

數(shù)字光纖直放站具有自動時延調(diào)整的特點，時延調(diào)整的重要因素最大時間提前量TA，是指移動臺信號到達基站的實際時間和假設該移動臺與基站距離為0 時移動臺信號到達基站的時間的差值。如果是正常小區(qū)，TA 值范圍為0 ～63；如果是雙時隙擴展小區(qū)，TA 值范圍為0 ～255。在應用方面，每個TA 值約等于3.64 μs，距離為550 m；不同路徑到達接收點的TA 值不能超過15?？紤]光纖傳輸時延約為4.76 μs/k m，遠端機的轉(zhuǎn)發(fā)時延為1.5 微妙/臺，時延調(diào)整范圍大于100 μs；設備間隔按照1.5 千米/臺；按照遠端機數(shù)量×遠端機轉(zhuǎn)發(fā)時延+最遠設備距離×光纖傳輸時延=時延調(diào)整范圍（等于100 μs）計算，可分別得出以下結(jié)果：

1) 當采用鏈型組網(wǎng)時，按照8 臺遠端機設計，最遠設備可達18.8 km；

2) 當采用環(huán)型組網(wǎng)時，分別按照8 臺，7 臺，6 臺，5 臺遠端機設計：

按照8 臺遠端機設計，最遠設備可達9.4 km；

按照7 臺遠端機設計，最遠設備可達9.5 km；

按照6 臺遠端機設計，最遠設備可達9.7 km；

按照5 臺遠端機設計，最遠設備可達9.8 km。

3.3 組網(wǎng)方案

結(jié)合各組網(wǎng)方案優(yōu)缺點，滬昆鐵路GSM-R 移動通信系統(tǒng)改造工程采用環(huán)型組網(wǎng)方案，該組網(wǎng)方案網(wǎng)絡具有自愈能力，在一段光纖出現(xiàn)故障時可以進行鏈路倒換[19]。如圖3 設計方案所示，5 個數(shù)字光纖直放站遠端機組成一個環(huán)，最遠設備間距=1.97+0.755+1.915=4.64<9.8，滿足設計要求。

3.4 小型雙極化天線的應用分析

相比單極化天線，雙極化天線具有垂直和水平兩個極化方案，可節(jié)省單個定向基站的天線數(shù)量，具有電調(diào)天線的優(yōu)點，可降低呼損減少干擾，可立桿或立柱架設，節(jié)省征地建塔的投資。小型雙極化天線是綜合考慮鐵路應用環(huán)境而研發(fā)的高增益定向天線，雙極化設計，增強上行信號接收效果；體積小，結(jié)構牢固，安裝簡便；使用效果好，可實現(xiàn)丘陵、隧道和彎道等場所的應用；經(jīng)濟效益良好，成本遠低于漏纜覆蓋方案?？砂惭b在隧道外或者隧道壁上，在隧道外采用立桿或立塔方式安裝，在隧道壁采用壁掛方式安裝[20]。

關于小型雙極化天線的相關科研課題及應用較少，主要有兩個典型科研項目，一是成都局電務處組織、中鐵二院通號院、成都通信段、深圳思科泰公司等在渡口支線試驗段工程中共同開展的“低造價數(shù)字中繼系統(tǒng)在既有線GSM-R 改造中的運用研究”，二是廣鐵電務處組織，廣州通信段、思科泰公司等在廣珠貨線試驗段工程中共同開展的“GSM-R 區(qū)段數(shù)字光纖直放站天線取代漏纜研究”，其中渡口支線試驗段工程設備安裝調(diào)試完成后主要進行了場強覆蓋測試，未請GSM-R 系統(tǒng)驗收機構進行GSM-R 系統(tǒng)驗收測試（如Qo S 測試），科研結(jié)論是否符合工程預期尚待驗證；廣珠貨線試驗段工程科研課題目前尚未完成，科研結(jié)論及相關測試結(jié)果尚不可知。

小型雙極化定向天線在滬昆鐵路的應用是首例，工程實施過程中需特別注意以下幾點：1）施工單位需組織建設單位、設計單位、維護管理單位針對隧道壁、隧道頂、立桿/塔等天線安裝召開首件評估會，根據(jù)首件評估確定的工藝要求進行后續(xù)設備安裝工作；2）設備安裝前應對設備進行相應的測試，待測試合格后方可進行安裝；設備安裝應牢固，并符合設備的相應要求；線纜布放應平直整齊，固定牢靠，接頭配線正確可靠[21]。

4 總結(jié)及展望

以滬昆鐵路為背景，大石板區(qū)間設計方案為基礎，探討了數(shù)字光纖直放站在既有線GSM-R 改造中的應用技術，主要包括鏈路預算、時延調(diào)整、組網(wǎng)方案及小型雙極化天線應用等四部分。滬昆鐵路地形特殊，丘陵及隧道較多，在工程實施過程中需特別注意特殊點位的饋線敷設，漏纜敷設及設備安裝調(diào)試等，確保在有限的天窗時間內(nèi)完成隧道內(nèi)的漏纜敷設及光纜敷設工程；因篇幅有限，尚未對小型雙極化天線在隧道內(nèi)的覆蓋預測和應用進行分析研究，在實際的工程設計與實施過程中，需根據(jù)線路的具體情況，針對性地進行方案比選、系統(tǒng)設計，選擇更加經(jīng)濟高效的技術方案。