數(shù)字直放站交織冗余覆蓋方案研究

喬 楨

(北京中鐵建電氣化設(shè)計(jì)研究院有限公司 北京 100043)

1 概述

我國(guó)西南地區(qū)多山區(qū)，且存在世界獨(dú)有的喀斯特地貌形態(tài)。在這種復(fù)雜的山區(qū)地貌中，既有鐵路線路多連續(xù)隧道、橋梁、涵洞等。這些地區(qū)的既有鐵路無(wú)線通信方式仍采用較舊的無(wú)線列調(diào)技術(shù)。近年來(lái)，隨著一些項(xiàng)目的策劃實(shí)施，對(duì)這些地區(qū)的既有鐵路無(wú)線通信進(jìn)行了GSM-R系統(tǒng)改造。但是，這些復(fù)雜地形會(huì)影響鐵路通信GSM-R系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)信號(hào)覆蓋，形成弱場(chǎng)區(qū)域[1]。針對(duì)這種地形條件，GSM-R系統(tǒng)一般采用光纖直放站＋天線或漏纜方式進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)覆蓋。

相關(guān)鐵路規(guī)范要求長(zhǎng)度不小于3 km的隧道，GSM-R系統(tǒng)無(wú)線覆蓋宜采取冗余覆蓋的方案，提高GSM-R系統(tǒng)的通信穩(wěn)定性。在大多數(shù)既有鐵路GSM-R系統(tǒng)改造工程中，既有區(qū)間光纜資源十分緊張，通常只為GSM-R系統(tǒng)預(yù)留4芯光纖，且不具備既有槽道等條件進(jìn)行新設(shè)光纜。如果新設(shè)光纜，會(huì)大幅提高工程的整體造價(jià)。因此，在這些工程方案設(shè)計(jì)階段就需要進(jìn)行充分全面的研究，如何既能充分利用房屋、電源、光纖等既有資源節(jié)省投資，又能滿足相關(guān)規(guī)范及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求[2]。

2 GSM-R冗余覆蓋可靠性理論分析

鐵路通信GSM-R系統(tǒng)基站采用無(wú)線通信的方式覆蓋鐵路沿線，為鐵路各專業(yè)提供通信通道，沿線的連續(xù)基站通過(guò)通信光纜相互物理連通在一起。沿線若干基站可認(rèn)為是串聯(lián)、并聯(lián)狀態(tài)[3]。對(duì)于串聯(lián)結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的可用度是各單元可用度的乘積:

式中，ASYS為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的可用度；Ai為各個(gè)單元的可用度。

但是，對(duì)于并聯(lián)結(jié)構(gòu)，想要計(jì)算系統(tǒng)的可用度，需要先計(jì)算系統(tǒng)的不可用度:

式中，USYS為串聯(lián)結(jié)構(gòu)的不可用度；Ui為各個(gè)單元的不可用度。

因此，并聯(lián)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的可用度為:

假設(shè)單基站覆蓋情況下，基站子系統(tǒng)的可用度為a。對(duì)于同站址雙基站冗余覆蓋，一個(gè)基站業(yè)務(wù)中斷時(shí)，只要并列的基站可以提供業(yè)務(wù)，故障基站覆蓋區(qū)域內(nèi)的業(yè)務(wù)不會(huì)中斷，基站子系統(tǒng)的可靠性為:

對(duì)于交織站址冗余覆蓋，一個(gè)基站業(yè)務(wù)中斷時(shí)，只要相鄰兩個(gè)基站可以提供業(yè)務(wù)，故障基站覆蓋區(qū)域的業(yè)務(wù)不會(huì)中斷，基站子系統(tǒng)可靠性為:

從可靠性公式理論分析，我們可以得出，對(duì)于提高整個(gè)GSM-R系統(tǒng)可靠性來(lái)說(shuō)，同站址雙基站冗余覆蓋的可靠性略高一些。但是，在工程實(shí)際當(dāng)中，往往需要對(duì)工程技術(shù)可靠性、建設(shè)周期、工程造價(jià)等多方面進(jìn)行綜合考量。尤其是涉及既有線改造的工程，工程成本的節(jié)省往往需要特別關(guān)注。因此，既有鐵路GSM-R改造工程冗余覆蓋往往采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)。

3 數(shù)字直放站優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)分析

實(shí)現(xiàn)鐵路沿線GSM-R通信系統(tǒng)[4]無(wú)線信號(hào)的無(wú)縫隙全覆蓋，除了基站以外，更多地是采用性價(jià)比較高的移動(dòng)通信直放站。而傳統(tǒng)的直放站采用的是模擬技術(shù)，雖然技術(shù)成熟，但存在設(shè)備體積大、易受干擾等不穩(wěn)定因素。隨著技術(shù)的進(jìn)步，近幾年推出了具有更高性能的數(shù)字直放站，從而徹底解決模擬直放站中固有存在的諸多技術(shù)問(wèn)題，大大提高直放站在鐵路通信系統(tǒng)中的實(shí)用性[5]。

3.1 數(shù)字直放站主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)

數(shù)字直放站的主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)有組網(wǎng)方式靈活，具有更強(qiáng)的帶外噪聲抑制，降低系統(tǒng)噪聲，改善通信質(zhì)量；具有時(shí)延補(bǔ)償功能，各直放站之間可以進(jìn)行時(shí)延同步調(diào)整，減少多徑干擾；光信號(hào)傳輸引起的損耗不影響射頻信號(hào)大小，使得工程調(diào)試更簡(jiǎn)單；采用大功率的高線性功放，覆蓋能力較強(qiáng)；具備分集接收功能，確保大功率廣覆蓋上下行鏈路平衡，提高了上行覆蓋質(zhì)量[6]。

采用數(shù)字直放站進(jìn)行弱場(chǎng)覆蓋時(shí)，為獲取系統(tǒng)同步，需要把連接的基站輸出屏蔽，僅作信源。

3.2 數(shù)字直放站特點(diǎn)

相對(duì)于模擬直放站，數(shù)字直放站具有眾多先進(jìn)性和獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。兩者對(duì)比如表1。

表1 數(shù)字直放站與模擬直放站對(duì)比

其中，時(shí)延調(diào)整和噪聲抑制功能是兩個(gè)凸顯的優(yōu)勢(shì)。由此可以簡(jiǎn)單地實(shí)現(xiàn)一拖多的組網(wǎng)模式，降低系統(tǒng)噪聲，大大改善通信質(zhì)量；實(shí)現(xiàn)小區(qū)更遠(yuǎn)覆蓋，減少小區(qū)間的頻繁切換，時(shí)延調(diào)整、補(bǔ)償和同步功能，減少多徑干擾[7]。

4 數(shù)字直放站拉遠(yuǎn)距離時(shí)延分析

數(shù)字直放站的拉遠(yuǎn)距離時(shí)延，直接影響到近端機(jī)可以串聯(lián)的遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量。相關(guān)規(guī)范中要求的單機(jī)時(shí)延是18 μs，實(shí)際單機(jī)時(shí)延通?？蛇_(dá)15 μs。數(shù)字直放站GSM-R系統(tǒng)采用TDMA時(shí)分多址技術(shù)，每載頻分為8個(gè)時(shí)隙[8]。時(shí)隙之間的保護(hù)間隔很小，為消除MS到BTS的傳播時(shí)延，GSM系統(tǒng)采用MS提前一定時(shí)間來(lái)補(bǔ)償時(shí)延，時(shí)間提前量的取值范圍是0 ～63 bit，每比特 3.7 μs，工程中，最大時(shí)間提前量一般取233 μs。數(shù)字直放站中，GSM信號(hào)在光纖介質(zhì)中傳播，其傳播速度是空間中傳播速度2/3。

數(shù)字直放站采用漏纜進(jìn)行信號(hào)覆蓋，假設(shè)漏纜長(zhǎng)度為1.5 km，直放站遠(yuǎn)端機(jī)距基站為L(zhǎng)，則:

式(6)中，信號(hào)在空氣中傳播速度為0.3 km/μs，漏纜的傳播速度系數(shù)為0.88。因此，數(shù)字直放站采用漏纜進(jìn)行信號(hào)覆蓋，直放站遠(yuǎn)端機(jī)到基站的最遠(yuǎn)距離為19.1 km，信號(hào)覆蓋的最遠(yuǎn)距離為20.6 km?？紤]其他因素的影響，工程中直放站遠(yuǎn)端機(jī)的最大拉遠(yuǎn)距離為18.5 km。

5 交織冗余覆蓋組網(wǎng)方案對(duì)比

通過(guò)以上理論分析，我們結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，研究了數(shù)字直放站在GSM-R弱場(chǎng)的幾種組網(wǎng)方案。數(shù)字直放站近端機(jī)與遠(yuǎn)端機(jī)設(shè)備之間支持星型、鏈型、菊花型、環(huán)型、混合型、交織冗余覆蓋等組網(wǎng)方式[9]。

以既有鐵路典型三站兩區(qū)間的工程應(yīng)用需求為例，假設(shè)最大站間距為10 km。傳統(tǒng)的三站兩區(qū)間考慮到穩(wěn)定性，多采用環(huán)型組網(wǎng)方式。當(dāng)采用環(huán)型組網(wǎng)方式時(shí)，中間某一遠(yuǎn)端設(shè)備出現(xiàn)光路中斷時(shí)，該環(huán)上其他各個(gè)遠(yuǎn)端設(shè)備仍能通過(guò)環(huán)路兩端與近端機(jī)連接正常工作，保證GSM-R系統(tǒng)連接的不掉線。三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)方式如圖1所示。

圖1 三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)

在車(chē)站甲、乙、丙內(nèi)分別設(shè)置3個(gè)基站BTS1、BTS2、BTS3，近端機(jī) A、B、C 分別與其相連；近端機(jī) A連接A1～A4四個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)；近端機(jī)B連接B1～B8八個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)，分別位于近端機(jī)B的兩側(cè)；近端機(jī)C連接C1～C4四個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)。假設(shè)，車(chē)站甲、乙之間以A4、B1中間點(diǎn)為基站BTS1、BTS2小區(qū)的切換點(diǎn)；車(chē)站乙、丙以B8、C1中間點(diǎn)為基站BTS2、BTS3小區(qū)的切換點(diǎn)。利用數(shù)字直放站的光旁路及光環(huán)路功能，近端機(jī)A、B、C使用2根光纖組成了典型三站兩區(qū)間環(huán)型組網(wǎng)。該組網(wǎng)方式應(yīng)用范圍廣泛，占用的光纖資源較少，可連接的遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量較多，系統(tǒng)可靠性較高，單臺(tái)設(shè)備故障后可通過(guò)環(huán)回鏈路傳輸信號(hào)，不影響其他設(shè)備的使用。

但是，在3 km以上長(zhǎng)大隧道等特殊地形條件下，弱場(chǎng)無(wú)線覆蓋需考慮采用冗余覆蓋方案。實(shí)際工程應(yīng)用中，為防止某個(gè)節(jié)點(diǎn)的基站BTS或直放站近端機(jī)出現(xiàn)故障，提高網(wǎng)絡(luò)的可靠性，采用交織冗余覆蓋的組網(wǎng)方式。

5.1 八光口交織冗余覆蓋

由于傳統(tǒng)數(shù)字直放站設(shè)備無(wú)法對(duì)單環(huán)組網(wǎng)方式內(nèi)的各個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)實(shí)現(xiàn)任意主從的定義，因此，需要采用多光口的近端機(jī)來(lái)實(shí)現(xiàn)多區(qū)間的交織冗余覆蓋組網(wǎng)[10-12]。如圖2所示，遠(yuǎn)端機(jī)A1～A4以近端機(jī)A頻點(diǎn)作為主信號(hào)，近端機(jī)B頻點(diǎn)作為從信號(hào)；遠(yuǎn)端機(jī)B1～B4以近端機(jī)B頻點(diǎn)作為主信號(hào)，近端機(jī)A頻點(diǎn)作為從信號(hào)；遠(yuǎn)端機(jī)B5～B8以近端機(jī)B頻點(diǎn)作為主信號(hào)，近端機(jī)C頻點(diǎn)作為從信號(hào)；遠(yuǎn)端機(jī)C1～C4將以近端機(jī)C頻點(diǎn)作為主信號(hào)，近端機(jī)B頻點(diǎn)作為從信號(hào)。

圖2 八光口近端機(jī)交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案近端機(jī)B所在站點(diǎn)只需設(shè)置1個(gè)基站BTS2作為信源，但需要使用特殊的八光口近端機(jī)，設(shè)備造價(jià)較高，且每個(gè)區(qū)間均需要占用6根光纖。在既有線光纖資源不富裕的情況下，這種方案還可進(jìn)一步優(yōu)化。

5.2 同站址雙設(shè)備交織冗余覆蓋

與采用八光口近端機(jī)方案類似，同站址雙設(shè)備實(shí)現(xiàn)交織冗余覆蓋。如圖3所示，在車(chē)站乙再設(shè)置1個(gè)基站BTS′2，為近端機(jī) B′提供信源，作為遠(yuǎn)端機(jī)A1～A4從信號(hào)，以及遠(yuǎn)端機(jī)B1～B4的主信號(hào)。

圖3 同站址雙設(shè)備實(shí)現(xiàn)交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案需要使用2臺(tái)四光口的近端機(jī)B及B′，且每個(gè)區(qū)間也需要占用6根光纖，使用的光纖資源較多；此外，近端機(jī)B和B′所在站點(diǎn)還需提供2個(gè)基站BTS設(shè)備作為信源。此方案并沒(méi)有進(jìn)一步節(jié)省光纖資源，反而增加了設(shè)備數(shù)量，加大了投資。

5.3 四光口交織冗余覆蓋

針對(duì)以上兩種方案，優(yōu)化后的四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)可以很好地解決以上問(wèn)題。如圖4所示，該方案遠(yuǎn)端機(jī)主、從信號(hào)同上述兩種方案，只是主、從信號(hào)的下行輸出功率相差值任意可調(diào)，主從信號(hào)功率差值為(6±1)dB。

圖4 四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)

這種方案相對(duì)典型環(huán)型組網(wǎng)方式，每個(gè)區(qū)間需占用4根光纖資源，無(wú)需增加基站BTS信源設(shè)備、也無(wú)需更換近端機(jī)設(shè)備配置，其優(yōu)點(diǎn)如下:

(1)近端機(jī)只需采用四光口即可實(shí)現(xiàn)鐵路典型三站兩區(qū)間的交織冗余覆蓋，每2個(gè)光口組成了一個(gè)單環(huán)。

(2)相對(duì)于方案一的8個(gè)光口近端機(jī)，4個(gè)光口近端機(jī)內(nèi)部的中頻處理FPGA芯片能力降低至少一半，成本降低；相對(duì)于方案二的雙近端機(jī)，設(shè)備成本也降低了一半。

(3)四光口交織冗余覆蓋組網(wǎng)方式只需要在一個(gè)區(qū)間中占用4根光纖，較好地節(jié)省了鐵路區(qū)間光纖資源，尤其更加適用于既有線改造的工程。

(4)根據(jù)工程現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求，任意一個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)均可隨意定義交織主、從屬性。因此，設(shè)備安裝便捷，系統(tǒng)組網(wǎng)靈活，設(shè)備具有很強(qiáng)的通用性和兼容性。

(5)每個(gè)近端機(jī)只需要一個(gè)基站BTS作為信源，減少了基站分布數(shù)量，節(jié)省了工程投資。

6 結(jié)束語(yǔ)

在工程實(shí)際當(dāng)中，尤其是涉及既有鐵路改造的工程，往往不僅需要對(duì)工程技術(shù)可靠性方面進(jìn)行充分考慮，還需要綜合考慮工程進(jìn)度及成本。因此，如何充分利用既有設(shè)施及資源，加快工程進(jìn)度，節(jié)省工程投資在方案設(shè)計(jì)階段就需要充分全面考慮。

數(shù)字直放站具有組網(wǎng)方式靈活、降噪明顯、時(shí)延補(bǔ)償、調(diào)試方便等主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)。將這些技術(shù)優(yōu)勢(shì)及特點(diǎn)結(jié)合工程實(shí)際情況，應(yīng)用實(shí)踐，可以較好地滿足現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際需求。

對(duì)比多種交織冗余組網(wǎng)方案，可發(fā)現(xiàn)四光口交織冗余方案是一種可節(jié)省光纖資源，節(jié)約工程投資，且具備高可靠性的組網(wǎng)方案。這種方案在設(shè)備造價(jià)、光纖資源利用、實(shí)施通用性及兼容性、工程總投資方面均具有一定優(yōu)勢(shì)。目前，該組網(wǎng)方案在相關(guān)工程得到了實(shí)際應(yīng)用，質(zhì)量效益雙贏，希望為其他類似工程提供有益的參考。