既有線GSM-R改造無線子系統(tǒng)技術(shù)方案研究

姚欣楠

列車無線調(diào)度通信作為保證鐵路行車安全的主要技術(shù)手段之一，在鐵路運輸生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。目前國內(nèi)絕大部分普速干線仍然采用450 MHz無線列調(diào)通信系統(tǒng)，且大部分450 MHz車站電臺已超過改造年限，設(shè)備老化陳舊，故障率逐年上升，加之區(qū)間中繼設(shè)備多樣，運用時間長短不一，又加劇影響了通信系統(tǒng)安全運行，因此迫切需要改造450 MHz無線列調(diào)通信系統(tǒng)。

根據(jù)工業(yè)和信息化部《關(guān)于無線電臺站規(guī)范化管理若干問題的通知》［1］和中國鐵路總公司《關(guān)于調(diào)整鐵路專用無線通信業(yè)務(wù)和頻率有關(guān)工作的通知》（鐵總運函〔2014〕31號）［2］的要求，“新建、改建鐵路不再安排450 MHz無線列調(diào)系統(tǒng)的設(shè)計，應(yīng)全面采用GSM-R系統(tǒng)”。

GSM-R與450 MHz無線列調(diào)的比較見表1。從調(diào)制技術(shù)、信道數(shù)量、業(yè)務(wù)范圍、抗干擾能力及技術(shù)先進性等方面，GSM-R技術(shù)均明顯優(yōu)于450 MHz無線列調(diào)。雖然目前主流設(shè)備供應(yīng)商已將生產(chǎn)重心轉(zhuǎn)移到5G等新興技術(shù)產(chǎn)品上，后續(xù)很難保證GSM-R相關(guān)設(shè)備長時間的供應(yīng)、技術(shù)支持和維保服務(wù)［3］，但是鐵路下一代移動通信系統(tǒng)還處于技術(shù)攻關(guān)階段，且短期內(nèi)很難具備工程應(yīng)用條件［4］。所以將450 MHz無線列調(diào)通信系統(tǒng)改造為GSM-R是當前最合理的選擇。

表1 GSM-R與450 MHz無線列調(diào)的比較

目前針對既有線GSM-R改造有3種無線子系統(tǒng)技術(shù)方案，通過分析這3種方案的不同特性，可對既有鐵路450 MHz無線列調(diào)通信系統(tǒng)的改造提供參考。

1 基站+模擬直放站方案

作為以往基建項目的常用方案，需要在車站和區(qū)間設(shè)置基站，并在路塹、隧道等弱場區(qū)設(shè)置模擬直放站加天線/漏纜，對基站信號進行延伸覆蓋。基站+模擬直放站方案示意見圖1。

圖1 基站+模擬直放站方案示意

該方案應(yīng)用于既有線GSM-R網(wǎng)絡(luò)改造工程，主要存在以下幾個問題。

1）從技術(shù)層面考慮，模擬直放站解決GSMR系統(tǒng)弱場覆蓋時存在2個固有缺陷：①同信源不同模擬直放站之間（或者基站與其所帶的模擬直放站之間）的多徑時延，容易引起多徑干擾；②單個基站如果帶多個模擬直放站，則多個模擬直放站在基站處會產(chǎn)生上行噪聲疊加。這2個問題除了影響特定區(qū)段的通話質(zhì)量外，還限制了區(qū)間模擬直放站的站間距和級聯(lián)數(shù)量。因此在弱場區(qū)較多的區(qū)間，當弱場區(qū)的間距超過同信源模擬直放站所能滿足的距離時，弱場區(qū)一般需要設(shè)置區(qū)間基站。而設(shè)置區(qū)間基站會導致頻繁的小區(qū)切換和重選，降低個呼、組呼的可靠性，及GPRS（通用分組無線業(yè)務(wù)）傳輸可靠性，進而降低GSM-R系統(tǒng)的可靠性［5］。

2）從經(jīng)濟層面考慮，設(shè)置區(qū)間基站需配置傳輸、電源等配套設(shè)施，所需機房面積較大，可能會引起鐵路紅線外的征地；模擬直放站最大發(fā)射功率一般為5 W，覆蓋距離有限，因此所需設(shè)備數(shù)量較多。

2 基站+數(shù)字直放站方案

由于數(shù)字直放站具有時延調(diào)整和上行噪聲抑制功能，最大發(fā)射功率可以達到20 W［6］，并且具備上行分集接收功能，因此采用數(shù)字直放站可連續(xù)覆蓋較大區(qū)間范圍。該方案與基站+模擬直放站方案最大的不同，是在站間距不大的情況下，僅在車站設(shè)置基站，利用數(shù)字直放站取代區(qū)間基站。同樣，在路塹、隧道等弱場區(qū)，利用數(shù)字直放站加天線/漏纜進行覆蓋，實現(xiàn)對基站信號的延伸。由于數(shù)字直放站的信號與所連接的基站信號之間存在較大的時延，主要是單機時延和中繼轉(zhuǎn)發(fā)時延，因此數(shù)字直放站不能與所連接的基站在覆蓋重疊區(qū)域同時使用。采用本方案時，基站射頻端口需經(jīng)過耦合器后連接假負載，基站僅作為信源不直接提供覆蓋。此外，車站基站處還需設(shè)置數(shù)字直放站連接天饋系統(tǒng)。在有些車站間距較小的區(qū)間，或者不存在弱場的平原區(qū)段，僅用車站基站+天線覆蓋即可?；?數(shù)字直放站方案示意見圖2。

圖2 基站+數(shù)字直放站方案示意

相對于基站+模擬直放站方案，基站+數(shù)字直放站方案在既有線GSM-R網(wǎng)絡(luò)改造工程中的技術(shù)、經(jīng)濟優(yōu)勢非常明顯。

1）技術(shù)層面。由于數(shù)字直放站具有時延調(diào)整和上行噪聲抑制功能，因此可以有效地解決由光纜長度差異引起的多徑干擾，并且一定程度上抑制直放站在基站處的上行噪聲［7］。利用數(shù)字直放站代替設(shè)置區(qū)間基站，整體上減少了切換和重選次數(shù)，既有利于提高個呼、組呼的可靠性，也有利于組呼區(qū)域劃分和節(jié)省組呼信道，提高GPRS傳輸可靠性，從而提高GSM-R系統(tǒng)的可靠性。另外，數(shù)字直放站傳輸動態(tài)范圍大，基站可以連接的數(shù)字直放站個數(shù)基本不受限制，可以形成更大的小區(qū)范圍，使切換區(qū)的選擇更加靈活，有利于解決連續(xù)短隧道群場景下適合空間波切換區(qū)段少的問題。

2）經(jīng)濟層面。利用數(shù)字直放站代替區(qū)間基站，能減少在區(qū)間點配置傳輸、電源等配套設(shè)施，可充分利用既有450 MHz無線列調(diào)中繼機房而減少征地。由于數(shù)字直放站發(fā)射功率遠高于模擬直放站，特別在長大隧道內(nèi)或者利用漏纜覆蓋的連續(xù)隧道群區(qū)域，數(shù)字直放站的間距可以達到1.5 km甚至更大，因此所需設(shè)備數(shù)量比模擬直放站要少。另外，數(shù)字直放站近端機和遠端機的連接方式可以采用環(huán)型或鏈型連接，需要光纜纖芯數(shù)也較少。如GSM-R改造工程中利用貫通短段光纜中的4芯（大于3 km隧道區(qū)段實現(xiàn)冗余覆蓋時需要主用環(huán)及從用環(huán)［8］）就可以滿足區(qū)間點的光纖接入需求，一般不需要再敷設(shè)多余的數(shù)字直放站短段光纜。

3 分布式基站BBU+RRU方案

與傳統(tǒng)的基站+直放站方式相比，BBU+RRU方式在對射頻信號的處理上有很大不同?；緵]有射頻單元，直接把基帶信號轉(zhuǎn)換成光信號，通過光纖傳輸?shù)竭h端，在遠端把光信號恢復成基帶信號后調(diào)制成射頻信號，射頻處理單元都集中在遠端［9］。該方案與基站+數(shù)字直放站方案相比，在既有線GSM-R改造工程上的應(yīng)用有很多相似點。比如，僅在車站設(shè)置BBU+RRU，區(qū)間點設(shè)置RRU，車站BBU僅作為信源，不直接覆蓋。另外，在有些車站間距較小，或者不存在弱場的平原區(qū)段，僅在車站設(shè)置BBU+RRU覆蓋即可，區(qū)間不再設(shè)置RRU。分布式基站BBU+RRU方案示意見圖3。

圖3 分布式基站BBU+RRU方案示意

數(shù)字直放站和分布式基站在公網(wǎng)GSM系統(tǒng)中已應(yīng)用多年，總的來說，分布式基站性能要優(yōu)于數(shù)字直放站。

1） 數(shù)字直放站可以通過上行噪聲抑制功能，減少在基站處的上行噪聲干擾疊加，但不能完全消除；而上行噪聲抑制門限如果設(shè)置過高，在下行場強較弱的地方容易出現(xiàn)下行通話困難的情況。而分布式基站由于BBU沒有射頻單元，因此遠端RRU對BBU不存在上行噪聲干擾的問題。

2） 分布式基站同一BBU所帶的不同RRU，可以通過設(shè)置為異小區(qū)來避免相互間的多徑干擾，因此同一BBU所帶的RRU間距僅考慮覆蓋即可。而同一基站所帶的不同數(shù)字直放站無法設(shè)置為異小區(qū)，因此同信源的數(shù)字直放站間距還是會受到由空間波引起的多徑干擾限制。

3） 數(shù)字直放站需要單獨設(shè)置直放站網(wǎng)管；而分布式基站BBU與RRU共用網(wǎng)管［10］，在網(wǎng)管功能上比數(shù)字直放站網(wǎng)管更完善。

當然分布式基站也存在一些缺點，各廠家組網(wǎng)方案差異較大，對光纖的需求不同。如果僅使用4芯光纖，部分廠家分布式基站可支持的區(qū)間節(jié)點數(shù)量有限，在某些區(qū)段需要新增短段光纜。部分廠家的分布式基站目前還無法做到單套設(shè)備主要板件硬件冗余，只能采用同址雙套設(shè)備或異址（交織）備份的方式來滿足冗余要求，增加了對傳輸通道、供電及光纜的需求，工程投資也有所增加，而且雙套設(shè)備的復雜性將降低整個系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性［11］。此外，數(shù)字直放站可以接到任何基站設(shè)備，不存在兼容性問題，選型不受限；而每個分布式基站廠家的BBU與RRU之間協(xié)議規(guī)范不一致，造成不同廠家的BBU與RRU之間無法兼容使用，選型受限。

根據(jù)上下行鏈路預(yù)算公式及覆蓋距離計算公式，并結(jié)合不同的無線電波傳播環(huán)境和天線掛高，假設(shè)設(shè)備輸出功率為5 W（37 dBm），天線掛高30 m，功分器損耗為6 dB，饋線及接頭損耗為3 dB，發(fā)射天線增益為17 dB，上行接收天線增益為17 dB，接收饋線及接頭損耗為3 dB，塔頂功分器損耗為3 dB，并考慮相應(yīng)附加損耗、設(shè)計余量等因素，則計算得出站址位于郊區(qū)時覆蓋半徑為2.5 km，位于開闊區(qū)時覆蓋半徑超過6 km［12-13］。

4 方案比較

綜上分析，3種方案主要優(yōu)缺點比較見表2。雖然這3種方案在技術(shù)上均可實現(xiàn)，但從工程經(jīng)濟性、可實施性、系統(tǒng)可靠性等方面比較各有優(yōu)缺點。基站+模擬直放站方案無論從技術(shù)上還是經(jīng)濟上都有劣勢，因此對于既有線的GSM-R改造，不推薦使用該方案。

表2 3種方案主要優(yōu)缺點

在丘陵和山區(qū)，一般車站間區(qū)間中繼設(shè)備較多，因此若采用分布式基站，則需要新增區(qū)間短段光纜；而數(shù)字直放站和部分廠家的分布式基站由于區(qū)間可帶節(jié)點數(shù)較多，一般不需要新增區(qū)間短段光纜。因此在這種情況下推薦采用基站+數(shù)字直放站方案。

在平原地區(qū)，由于分布式基站可以設(shè)置為異小區(qū)，因此設(shè)備間距僅考慮覆蓋即可，一般間距可達12 km；而數(shù)字直放站，同小區(qū)的設(shè)備間距受到多徑時延干擾的限制，一般不超過5 km。在相鄰區(qū)間中繼點間距超過5 km的情況下，分布式基站方案不需增加區(qū)間中繼設(shè)備站點，而數(shù)字直放站方案需要在車站配置多套基站和近端機，以實現(xiàn)不同基站的異小區(qū)設(shè)置。因此這種情況推薦采用BBU+RRU方案。

5 總結(jié)

在既有線GSM-R改造時，不僅需要從線路的車站間距、地形特點、既有光纜資源等多個方面進行考慮，同時還要兼顧方案的經(jīng)濟性、可實施性和產(chǎn)品支持度，方可選定具體的無線子系統(tǒng)方案。