GSM-R 數(shù)字光纖直放站交織冗余覆蓋方案研究

胡 鵬

我國地域廣闊，鐵路建設環(huán)境復雜，其中山區(qū)鐵路沿線，深路塹、大彎道、長大隧道多，通常是GSM-R 網(wǎng)絡基站天線覆蓋的弱場區(qū)，一般采用光纖直放站結合天線或漏泄電纜的方式進行場強覆蓋［1］。

光纖直放站目前有模擬光纖直放站和數(shù)字光纖直放站2 種。隨著數(shù)字處理技術的進步，制造工藝的提升，數(shù)字直放站的硬件更加穩(wěn)定可靠，運維成本大幅降低；同時由于模擬直放站在應用過程中存在局限性，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。

成昆鐵路米易至攀枝花段地處攀西山區(qū)，沿線地形復雜，長大隧道多，為了可靠穩(wěn)定地解決弱場區(qū)場強覆蓋問題，最終確定采用GSM-R 數(shù)字直放站交織冗余覆蓋方案。本文以冉家灣隧道數(shù)字光纖直放站交織冗余覆蓋方案為例，對數(shù)字直放站的性能指標進行了檢測分析，為后續(xù)工程實施奠定基礎。

1 數(shù)字光纖直放站

1.1 數(shù)字光纖直放站原理及系統(tǒng)構成

數(shù)字中頻技術的實現(xiàn)過程：將射頻（RF）信號通過模擬下變頻變成中頻（LF）信號，然后通過模數(shù)（A/D）轉換器變成數(shù)字中頻信號，再經(jīng)過數(shù)字下變頻（DDC）變成數(shù)字基帶信號；經(jīng)數(shù)字信號處理后，再經(jīng)過數(shù)字上變頻（DUC）變成數(shù)字中頻信號，然后通過數(shù)模（D/A）轉換器變成模擬中頻信號，最后通過模擬上變頻恢復到射頻信號。這是在目前的元器件制造工藝水平基礎上的軟件無線電技術的具體應用。

GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)如圖1 所示，主要由近端機、遠端機、光纖和網(wǎng)管設備構成［2］。其主要原理為：在GSM-R 基站側，近端機將射頻信號數(shù)字處理為數(shù)字中頻信號，經(jīng)光纖傳輸至遠端機，并在遠端機利用數(shù)模轉換為模擬中頻信號，再還原成射頻信號，最后通過射頻單位再生和放大，實現(xiàn)GSM-R 基站信號拉遠覆蓋。

圖1 GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)

1.2 數(shù)字直放站與模擬直放站的對比

模擬光纖直放站傳輸?shù)氖俏唇庹{(diào)的射頻信號，經(jīng)過光纖傳輸后引入的噪聲和干擾是不可恢復的，所以傳輸距離較短［3］。組網(wǎng)結構必須采用星型結構，1 個中繼端最多連接4 個遠端，中繼端和任意一個遠端距離不超過20 km。

數(shù)字光纖直放站傳輸?shù)氖墙?jīng)解調(diào)后的數(shù)字信號，經(jīng)過光纖傳輸后引入的噪聲和干擾只要在規(guī)定范圍內(nèi)（這個范圍較大，只要在一定的誤碼率下接收端能正確識別數(shù)字信號即可），就可以恢復原始的數(shù)字信號，所以傳輸距離較長，而且可以適應不同的網(wǎng)絡結構。組網(wǎng)結構可選用星型、菊花鏈型、拓撲型等［4］，只需升級軟件就可以適應不同的結構類型，硬件完全相同。采用星型結構時，1 個中繼端可以連接多個遠端，中繼端和任意一個遠端距離理論上可以達到100 km；采用菊花鏈型結構時，遠端之間可以互連而不必每個遠端都與中繼端相連，傳輸距離與星型結構相同。

光信號衰減如圖2所示。在一定范圍內(nèi)，隨著光信號衰減，模擬傳輸方式的動態(tài)范圍隨之迅速下降，而數(shù)字傳輸方式則可以保持動態(tài)范圍穩(wěn)定不變［5］。

數(shù)字光纖直放站較模擬光纖直放站的優(yōu)勢主要有如下幾點：①射頻信號和光信號在傳輸過程中是獨立的，兩者互不影響；②動態(tài)范圍大，信號不隨光信號的衰減而衰減；③采用數(shù)字方式實現(xiàn)信號分路與合路，不會產(chǎn)生信號損耗；④光的色散因素對數(shù)字傳輸影響較小，短距離傳輸時可采用多模光纖；⑤數(shù)字光器件具有更高的可靠性，平均無故障工作時間（MTBF）更長，能有效減少運營維護的費用［6-8］。

圖2 光信號衰減

但數(shù)字光纖直放站也存在缺點，例如，多個直放站遠端機共用一個基站作為信號源，如果基站故障，將出現(xiàn)較長距離的信號盲區(qū)，導致通信中斷，需采取電力設備的冗余配置等措施來加強系統(tǒng)的可靠性［9］。

對于同樣覆蓋90 km 的鐵路線路，采用模擬直放站的方案需要2 套模擬直放站設備；采用數(shù)字直放站的方案僅需1 套數(shù)字直放站設備。

2 成昆鐵路米攀段及冉家灣隧道概況

成昆鐵路為國家規(guī)劃的縱向綜合運輸大通道——臨河至防城港運輸大通道的重要組成部分，是西北、川西、川北地區(qū)至云南、東盟、南亞地區(qū)的客貨主通道［10］。

成昆鐵路米易至攀枝花段是成昆鐵路的重要組成部分，正線全長93.844 km，新建160 km/h 雙線隧道12 座，單線隧道2 座（營盤山左線隧道17.891 km，營盤山右線隧道17.934 km），隧道總長96.987 km。 其中， 隧道左線貫通長度為79.053 km，占正線線路總長的84.2%。其中，冉家灣隧道全長12.754 km，屬于長大雙線隧道。進口里程DK572+893，出口里程DK585+647。在冉家灣隧道進口及出口分別設置通信基站5 及基站6。

3 冉家灣隧道數(shù)字直放站交織冗余覆蓋方案

3.1 交織信號功率分控

如圖3 所示， 數(shù)字直放站遠端機有主路（X 路）和交織路（Y 路）2 組光口，可以分別連接兩邊近端機的光信號。遠端機可以區(qū)分來自于主路（X 路） 光口的載波信號和來自于交織路（Y 路）光口的載波信號，并在遠端機中實現(xiàn)對2 路信號分別設置衰減值的功能［11］。

3.2 雙信源交織冗余覆蓋組網(wǎng)方案

因成昆鐵路米攀段地處攀西地區(qū)，為保障場強覆蓋，冉家灣隧道上下行（D6K572+769 至D6K583+269） 區(qū)域采用GSM-R 交織組網(wǎng)方式，使用數(shù)字光纖直放站進行無線覆蓋。其中，隧道內(nèi)各個遠端機均采用2 路信號，前4 個遠端機以基站5 的信號為主信號，經(jīng)過切換點后，后4 個遠端機以基站6 的信號為主信號，形成冗余覆蓋保護。冉家灣隧道內(nèi)無線場強覆蓋見圖4。

圖3 交織信號功率分控示意

圖4 冉家灣隧道內(nèi)無線場強覆蓋

4 冉家灣隧道交織冗余覆蓋方案性能指標分析

依據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測規(guī)程》（TB 10430—2014）、《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R） 設計規(guī)范》（TB 10088—2015）以及《高速鐵路通信工程施工質量驗收標準》（TB 10755—2018）， 對 冉 家 灣 隧 道 上 下 行（D6K572+769 至D6K583+269）無線系統(tǒng)進行測試，包括掉話率、場強覆蓋、漫游切換、越區(qū)切換中斷時間、語音質量、TA 值、單網(wǎng)覆蓋和故障模擬等性能指標的測試。

4.1 靜態(tài)測試

1）靜態(tài)無線場強覆蓋測試。根據(jù)《鐵路數(shù)字移動通信系統(tǒng)（GSM-R）工程檢測規(guī)程》（TB 10430—2014），無線場強覆蓋率標準要求最小可用接收電平≥-98 dB，所測區(qū)間冉家灣隧道內(nèi)電平≥-98 dB，無線場強覆蓋率均為100%，滿足標準要求，單項判定合格。

2）掉話率測試。測試期間未發(fā)生掉話。

3）越區(qū)切換測試。共進行20 次越區(qū)切換測試，越區(qū)切換成功率為100%；越區(qū)切換中斷時間小于0.5 s（95%），測試結果為100%，滿足標準要求。測試結果見表1。

表1 越區(qū)切換測試結果

4）語音質量測試。測試期間語音質量正常，無6、7 級嚴重質差。

5）TA 值 測 試。 測 試 期 間TA 值 未 出 現(xiàn)突變。

6）故障模擬測試。將基站6 所帶直放站關閉，基站5 所帶直放站的無線場強覆蓋滿足標準要求；語音質量正常，無6、7 級嚴重質差；TA 值未出現(xiàn)突變；未出現(xiàn)掉話，掉話率為0%。

將直放站遠端機D6K580+269 斷電，在直放站遠端機D6K578+769 覆蓋區(qū)域（D6K577+289～D6K579+519） 的無線場強覆蓋滿足標準要求；語音質量正常，無6、7 級嚴重質差；TA 值未出現(xiàn)突變；未出現(xiàn)掉話，掉話率為0%。

4.2 動態(tài)測試

1)語音業(yè)務和非列車運行控制類電路交換數(shù)據(jù)業(yè)務服務質量。呼叫（連接）建立失敗概率和呼叫（連接） 建立時間均滿足標準要求，測試結果見表2。

2）動態(tài)無線場強覆蓋。動態(tài)無線場強覆蓋情況檢測結果如圖5所示，主信號和從信號電平≥-98 dB，信號接收良好，且主、從信號之間差異明顯，不會造成干擾，小區(qū)切換正常。單項判定滿足標準要求。

表2 業(yè)務質量測試結果

圖5 動態(tài)無線場強覆蓋圖

3）載干比測試。載干比標準要求為≥12 dB，現(xiàn)場測試結果＞15 dB，滿足標準要求，單項判定合格。

綜上所述，數(shù)字光纖直放站在雙信源交織組網(wǎng)方式下，冉家灣隧道（上下行）內(nèi)，GSM-R 系統(tǒng)各項技術指標，如呼叫（連接）建立失敗概率、場強覆蓋范圍、越區(qū)切換成功率、越區(qū)切換中斷時間、載干比、語音質量、TA值等均滿足技術條件要求。

5 結論

為了可靠穩(wěn)定地解決成昆鐵路米攀段沿線地形復雜，長大隧道多造成的弱場區(qū)場強覆蓋問題，最終研究采用GSM-R 數(shù)字光纖直放站交織冗余方案。

本文以成昆鐵路米攀段冉家灣隧道上下行區(qū)間GSM-R 數(shù)字光纖直放站交織冗余覆蓋方案為例，檢測驗證了各項性能指標，均滿足技術要求。對于隧道內(nèi)信號的冗余覆蓋，提高服務水平，降低運維成本具有重要意義，也為后續(xù)全線工程推廣和實施奠定了堅實基礎，提供了有益參考。