數(shù)字光纖直放站在鐵路通信中的應(yīng)用

高建平

（北京全路通信信號(hào)研究設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 100070）

隨著京沈客專京冀段的開通，數(shù)字光纖直放站開始在CTCS-3（簡(jiǎn)稱C3）鐵路大規(guī)模投入使用，為鐵路無線系統(tǒng)引入新的覆蓋模式。本文分析探討在C3 區(qū)段數(shù)字光纖直放站覆蓋設(shè)置的技術(shù)方案，為進(jìn)一步改善數(shù)字光纖直放站的服務(wù)質(zhì)量提供技術(shù)支撐。

1 GSM-R射頻信號(hào)拉遠(yuǎn)覆蓋方式

目前，鐵路GSM-R 系統(tǒng)的射頻拉遠(yuǎn)覆蓋主要有分布式基站、數(shù)字直放站等2 種方式，一般分布式基站單站輸出為2 載頻，數(shù)字直放站單站輸出載頻不小于8 載頻，因此在隧道內(nèi)、隧道口等地理受限地點(diǎn)一般采用數(shù)字直放站方式進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋，在數(shù)字直放站覆蓋區(qū)段，基站設(shè)備不再連接天饋或漏纜系統(tǒng)；在開闊地帶，考慮設(shè)備維修維護(hù)的統(tǒng)一性，一般采用分布式基站進(jìn)行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋。數(shù)字直放站與分布式基站技術(shù)方案對(duì)比如表1 所示。

表1 數(shù)字直放站與分布式基站技術(shù)方案對(duì)比Tab.1 Comparison between a digital repeater and a distributed base station

2 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)構(gòu)成及工作流程

GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)主要由近端機(jī)、光纖、遠(yuǎn)端機(jī)、操作維護(hù)設(shè)備構(gòu)成，如圖1 所示。

圖1 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)構(gòu)成示意Fig.1 Schematic diagram of digital optical fiber repeater system

GSM-R 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)工作流程如下。

1）下行方向工作流程

耦合器可以將1 路或多路基站的射頻信號(hào)耦合至近端機(jī)設(shè)備；近端機(jī)跟蹤基站信號(hào)并將射頻信號(hào)進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換、整形后，調(diào)整系統(tǒng)設(shè)定的TA 后將基帶信號(hào)發(fā)送至遠(yuǎn)端機(jī)；遠(yuǎn)端機(jī)將信號(hào)進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換、放大后，將信號(hào)發(fā)送至天饋系統(tǒng)。

2）上行方向工作流程

遠(yuǎn)端機(jī)通過選頻后將天饋系統(tǒng)的信號(hào)進(jìn)行濾波、帶外抑制、A/D 轉(zhuǎn)換后，將信號(hào)發(fā)送至近端機(jī)；近端機(jī)對(duì)上行信號(hào)底噪抑制后進(jìn)行D/A 轉(zhuǎn)換、放大，并將信號(hào)通過耦合器發(fā)送至基站。

3 數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)在GSM-R系統(tǒng)調(diào)試中存在的問題及解決方案

隨著數(shù)字直放站的大面積應(yīng)用，下面就具體實(shí)施中發(fā)現(xiàn)的時(shí)延自動(dòng)調(diào)整、噪聲抑制及從信號(hào)自動(dòng)調(diào)整等問題進(jìn)行探討。

3.1 時(shí)延調(diào)整問題及解決方案

在GSM 系 統(tǒng) 中1 個(gè)TDMA 幀 長(zhǎng) 度 為4.615 ms，單個(gè)TDMA 幀分為8 個(gè)時(shí)隙，每個(gè)時(shí)隙長(zhǎng)度為4.615 ms/8=0.577 ms；GSM 一個(gè)突發(fā)脈沖序列為156.25 bit，其中6 個(gè)bit 作為時(shí)延調(diào)整參數(shù)使用，1 個(gè)bit 的時(shí)長(zhǎng)為3.7 μs。GSM 系統(tǒng)的均衡算法同頻信號(hào)之間時(shí)延差值接近或超過該信號(hào)符號(hào)長(zhǎng)度的10%時(shí)就會(huì)產(chǎn)生碼間干擾，造成質(zhì)量惡化，即0.577 ms×10%/3.7 μs/bit ≈15.5 μs。因此同頻信號(hào)時(shí)差應(yīng)控制在15.5 μs 內(nèi)。GSM-R 系統(tǒng)中的時(shí)延狀態(tài)如圖2 所示。

圖2 GSM-R系統(tǒng)中的時(shí)延狀態(tài)Fig.2 Delay status in GSM-R system

時(shí)延調(diào)整功能是數(shù)字直放站的重要功能之一，在實(shí)際應(yīng)用中當(dāng)遠(yuǎn)端機(jī)的系統(tǒng)時(shí)延設(shè)置為隨終端位置自動(dòng)調(diào)整時(shí)，由于一個(gè)直放站環(huán)內(nèi)可能存在多個(gè)終端，且行進(jìn)方向不同、行進(jìn)速度不同，對(duì)直放站時(shí)延調(diào)整的計(jì)算能力要求不同，受近端機(jī)計(jì)算能力所限，會(huì)產(chǎn)生終端時(shí)延更新慢、TA 跳變大，從而導(dǎo)致誤碼率高，影響通信質(zhì)量。

另外一種情況是直放站設(shè)置為固定時(shí)延，如單向100 μs，在實(shí)際應(yīng)用中由于光纜敷設(shè)存在過軌回繞、預(yù)留等原因?qū)е禄臼盏降目倳r(shí)延超過233 μs，從而導(dǎo)致掉話。

因此建議直放站時(shí)延設(shè)置按系統(tǒng)時(shí)延+實(shí)測(cè)的直放站光纜環(huán)最遠(yuǎn)時(shí)延進(jìn)行設(shè)置，每個(gè)直放站環(huán)單獨(dú)設(shè)置時(shí)延，全線不統(tǒng)一設(shè)置。最終調(diào)整后的單向時(shí)延不超過100 μs，為維護(hù)中的光纜接續(xù)預(yù)留一定余量。

當(dāng)站內(nèi)覆蓋使用數(shù)字直放站覆蓋時(shí)，由于數(shù)字遠(yuǎn)端機(jī)的系統(tǒng)時(shí)延為25 μs，超過15.5 μs 要求，因此在基站站房附近應(yīng)盡量降低直放站覆蓋信號(hào)，基站與直放站的信號(hào)交疊區(qū)段盡量設(shè)置在用戶較少位置。

直放站近端機(jī)連接，耦合器及負(fù)載與近、遠(yuǎn)端機(jī)放在同一個(gè)機(jī)柜內(nèi)，可能造成負(fù)載或連線的信號(hào)泄漏對(duì)直放站有干擾。把耦合器和負(fù)載移出機(jī)柜，做好機(jī)柜接地。

3.2 噪聲抑制問題及解決方案

在射頻信號(hào)傳送過程中，不可避免的將帶外雜散信號(hào)、噪聲信號(hào)進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，尤其是當(dāng)多個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)將帶噪聲的信號(hào)同時(shí)傳給近端機(jī)時(shí)，在近端機(jī)處發(fā)生噪聲疊加現(xiàn)象，從而導(dǎo)致GSM-R 系統(tǒng)的上行信號(hào)C/I 變差。

如公式（1）、（2）所示。遠(yuǎn)端機(jī)噪聲功率（êN）=

其中：en是放大器噪聲電壓，eR是信源電阻的熱噪聲是放大器的噪聲電流，Rgen是信源電阻。

其中，eNn是各遠(yuǎn)端機(jī)的噪聲功率。

放大器的噪聲系數(shù)（NF）是指輸入端的信噪比與輸出端的有用信號(hào)與噪聲之比，如公式（3）所示。

當(dāng)多路遠(yuǎn)端機(jī)在近端機(jī)產(chǎn)生噪聲疊加時(shí)，如公式（4）所示。

數(shù)字直放站設(shè)備通過FPGA 采用8PSK 方式控制聲表面波或CIC（Cascade Integrator Comb）濾波器件對(duì)基站的射頻信號(hào)轉(zhuǎn)化為中頻信號(hào)。為降低噪聲的疊加，F(xiàn)PGA 通過帶寬設(shè)置和信號(hào)過濾功能實(shí)現(xiàn)噪聲抑制功能。

當(dāng)帶寬設(shè)置較小或底噪抑制較大時(shí)，易發(fā)生調(diào)制/解調(diào)的信號(hào)信息量不足，導(dǎo)致調(diào)整/解調(diào)信號(hào)不完整，發(fā)生丟幀現(xiàn)象；當(dāng)調(diào)制帶寬較大或噪聲抑制功能太低時(shí)，引入噪聲太大，通信質(zhì)量下降，發(fā)生誤碼率太高現(xiàn)象。根據(jù)公式（3）、（4）可知：近端機(jī)處產(chǎn)生的噪聲與遠(yuǎn)端機(jī)的噪聲成正向指數(shù)關(guān)系。

數(shù)字直放站系統(tǒng)噪聲系數(shù)（NF）應(yīng)滿足規(guī)范規(guī)定單機(jī)設(shè)備的單端口設(shè)備≤4 dB、雙端口設(shè)備≤7.5 dB，組網(wǎng)后最大增益狀態(tài)下單端口設(shè)備≤7 dB、雙端口設(shè)備≤10.5 dB。當(dāng)系統(tǒng)不能滿足設(shè)計(jì)及現(xiàn)場(chǎng)要求時(shí)，應(yīng)調(diào)整FPGA 控制的信道帶寬及噪聲抑制系數(shù)，建議FPGA 控制的信道帶寬控制在260 kHz 以下。

由于數(shù)字直放站采用8PSK 調(diào)制方式，因此在FPGA 控制相位通道時(shí)應(yīng)動(dòng)態(tài)調(diào)制當(dāng)前信道數(shù)量及信道間隔，采用非相關(guān)相位進(jìn)行調(diào)制，以降低濾波器中產(chǎn)生的互調(diào)信號(hào)，如系統(tǒng)中有2 個(gè)載頻時(shí)，采用1、8 相位；系統(tǒng)中有3 個(gè)載頻時(shí)，采用1、4、7相位等。

3.3 從信號(hào)自動(dòng)調(diào)整問題及解決方案

數(shù)字直放站具有從信號(hào)自動(dòng)調(diào)整功能，在GSM-R 單網(wǎng)交織區(qū)段，直放站遠(yuǎn)端機(jī)同時(shí)輸出2路信號(hào)，主信號(hào)輸出功率比從信號(hào)高6 個(gè)dB，當(dāng)直放站系統(tǒng)檢測(cè)到主信號(hào)不工作時(shí)，自動(dòng)將從信號(hào)輸出提高6 dB，提高到主信號(hào)的強(qiáng)度。

同站址雙網(wǎng)站點(diǎn)基站的輸出電平設(shè)置與直放站輸出信號(hào)類似，主用基站天線架設(shè)在鐵塔的上層平臺(tái)、備用基站天線架設(shè)在鐵塔的下層平臺(tái)時(shí)，主、備用基站輸出功率一致；主、備用基站天線架設(shè)在同一層平臺(tái)時(shí)，主用基站輸出功率比備用基站輸出功率高6 個(gè)dB。

單網(wǎng)交織的GSM-R 系統(tǒng)，網(wǎng)絡(luò)覆蓋是以主用基站信號(hào)覆蓋為基準(zhǔn)進(jìn)行系統(tǒng)調(diào)測(cè)，且備用基站信號(hào)沒有自動(dòng)調(diào)整功能。因此在直放站與同站址雙網(wǎng)切換區(qū)段，直放站主、備用輸出信號(hào)強(qiáng)度不變，當(dāng)備用基站工作時(shí)，備用基站輸出功率低，覆蓋范圍相對(duì)減小，經(jīng)常發(fā)生在備用覆蓋范圍內(nèi)不滿足CSD傳輸無差錯(cuò)時(shí)間不滿足20 s 的要求。因此建議在直放站與同站址雙網(wǎng)切換區(qū)段，關(guān)閉直放站從信號(hào)自動(dòng)調(diào)整功能。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著數(shù)字直放站的大面積投入使用，在保證無線覆蓋交織冗余的條件下，極大降低了模擬直放站覆蓋下引起的時(shí)延質(zhì)差，有利于提高網(wǎng)絡(luò)的服務(wù)質(zhì)量；由于數(shù)字直放站發(fā)射功率的提升，相對(duì)于模擬直放站站間距離得以加大，從而降低了工程投資，為國(guó)內(nèi)鐵路GSM-R 系統(tǒng)承載CTCS-3 級(jí)列控業(yè)務(wù)的良好運(yùn)用創(chuàng)造有利條件。