小功率光纖直放站在鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)中的應(yīng)用

陳宏達

（中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司，北京 100055）

金融海嘯蔓延全球的今天，新建鐵路成為我國拉動內(nèi)需的重要手段，作為鐵路建設(shè)的重要內(nèi)容之一，GSM-R網(wǎng)絡(luò)建設(shè)也取得了重大進展。GSM-R移動通信系統(tǒng)的建設(shè)離不開光纖直放站，現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范要求室外光纖直放站的標稱輸出功率最小為1 W，國內(nèi)工程中，往往“一刀切”，統(tǒng)一采用5 W及以上的較大功率直放站。下面針對工程實例，結(jié)合國外小功率直放站的應(yīng)用經(jīng)驗，探討在我國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)中采用小功率光纖直放站的可行性。

表1 Ⅲ型電纜電氣性能

1 理論分析

實際工程中，GSM-R移動通信系統(tǒng)場強覆蓋盲區(qū)一般出現(xiàn)在丘陵和路塹地段、隧道區(qū)段（包括短隧道、長大隧道、隧道群等）、長大區(qū)間（包括長大橋梁、泄洪區(qū)等）、城區(qū)以及大型站房、地下通道、調(diào)度所等處。以上各種弱場地段除長大隧道、長大區(qū)間外，多數(shù)為短段，一般只有幾百米甚至幾十米，采用“光纖直放站+漏泄電纜或天線”的方法不需傳輸系統(tǒng)，施工方便，投資少。

（1）采用漏纜時的場強預(yù)測

根據(jù)鐵道部《鐵路通信漏泄同軸電纜》（TB/T3201-2008）的規(guī)定，GSM-R移動通信系統(tǒng)所采用的Ⅲ型電纜電氣性能如表1所示。

現(xiàn)行技術(shù)規(guī)范《GSM-R數(shù)字移動通信網(wǎng)設(shè)備技術(shù)規(guī)范第五部分：中繼傳輸系統(tǒng)（V1.0）》要求室外光纖直放站的標稱輸出功率為1、2、5、10、20 W（容差±2 dB范圍內(nèi)）。目前，我國GSM-R移動通信系統(tǒng)多采用1-5/8 in漏纜，下面計算直放站輸出功率為20 W、移動臺語音單元及數(shù)據(jù)單元最大輸出功率均按8 W考慮情況下的傳輸距離，如表2、3所示。

續(xù)表

表2 直放站（輸出功率20 W）上下行鏈路預(yù)算表（1-5/8 in 漏纜覆蓋）

按照上面的計算方法可以得出使用1-5/8 in漏纜時，直放站在不同輸出功率情況下的傳輸距離，如表3所示。

表3 直放站傳輸距離表（1-5/8 in漏纜覆蓋）

通過以上計算可以看出,采用“光纖直放站+漏泄電纜”的方法進行弱場補盲時,即使直放站采用較小的輸出功率,其覆蓋距離也比較遠。由于已經(jīng)考慮了功分器損耗,當(dāng)直放站輸出向兩邊覆蓋時,其覆蓋距離增加一倍,完全可以滿足現(xiàn)有工程中多數(shù)弱場的覆蓋。

（2）采用天線時的場強預(yù)測

下面計算采用“光纖直放站+天線”的方法進行弱場補盲時，在直放站輸出功率為20 W、移動臺語音單元及數(shù)據(jù)單元最大輸出功率均按8 W考慮情況下的設(shè)計允許路徑損耗值，如表4所示。

按照上面的計算方法可以得出直放站在不同輸出功率情況下的設(shè)計允許路徑損耗值,然后采用Okumura-Hata模型,根據(jù)上述計算結(jié)果預(yù)測直放站天線高度分別為10、20、30 m,移動臺天線高度為4 m的情況下，直放站的覆蓋距離，如表5所示。

表4 直放站（輸出功率20 W）上下行鏈路預(yù)算表（天線覆蓋）

表5 直放站傳輸距離表（天線覆蓋）

通過以上近似計算可以得出,采用“光纖直放站+天線”的方法進行弱場補盲時,當(dāng)移動臺數(shù)據(jù)單元、語音單元均按8 W考慮的情況下，即使直放站輸出功率為23 dBm，單天線最短也可覆蓋290多米。由于已經(jīng)考慮了功分器損耗, 當(dāng)直放站采用雙定向天線向兩邊覆蓋時,其覆蓋距離增加一倍，加之鐵路走向呈平直線狀，兩側(cè)建筑、樹木等遮擋物也與之有一定距離，實際的覆蓋距離會更遠。

從以上近似計算中還可以看出，當(dāng)直放站輸出功率大于37 dBm時，其覆蓋范圍不再隨輸出功率而增大，說明此時覆蓋距離受移動臺輸出功率限制，因此，可以認為直放站輸出功率（每載波）的有效取值最大為37 dBm。值得提出的是，計算中并沒有考慮直放站的上行噪聲，如考慮此因素，直放站輸出功率（每載波）的有效取值最大應(yīng)為33 dBm左右。高于此值，理論上說，不會再有更好的覆蓋效果，上行噪聲的問題在采用漏纜時的場強預(yù)測計算中也同樣存在。

綜上所述，直放站采用較小輸出功率時的天線覆蓋范圍完全可以滿足現(xiàn)有工程中多數(shù)弱場的覆蓋。

2 實例分析

（1）設(shè)計實例分析

某客運專線，鐵路兩側(cè)地形為城區(qū)，沿線區(qū)間地形為郊區(qū)和農(nóng)村，共設(shè)隧道3座，GSM-R移動通信系統(tǒng)基站子系統(tǒng)采用普通單網(wǎng)覆蓋方式，其直放站布置的相對位置如表6所示。

表6 某線GSM-R移動通信系統(tǒng)直放站布置相對位置表

由表6可知，本案中漏纜覆蓋弱場的最大距離為980 m（490×2），天線覆蓋明區(qū)間弱場的最大距離為幾百米，采用小功率直放站完全可以滿足覆蓋要求。

（2）工程實例分析

目前，我國已有多條鐵路開通GSM-R移動通信系統(tǒng)，如武廣線、大秦線、膠濟線和青藏線等，上述鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)開通直放站實際輸出功率多數(shù)為1 W以下。以某線為例,列車運行速度大于280 km/h, GSM-R移動通信系統(tǒng)基站子系統(tǒng)采用單網(wǎng)交織覆蓋方式,我們截取一小段開通后輸出功率較小的“光纖直放站+漏纜覆蓋”的無線場強測試圖，如圖1所示。

圖1所示直放站輸出功率均為0.3 W,考慮到直放站上下行鏈路平衡及隧道內(nèi)避車洞間距等因素，在滿足交織覆蓋的情況下,直放站的設(shè)置間距為1 km。從圖1中可以看出，系統(tǒng)場強值均在-80 dBm以上。

再截取一小段同一工程中，開通后輸出功率較小的“光纖直放站+天線”的無線場強測試圖，如圖2所示。

圖2所示兩處直放站輸出功率均為0.5 W, 天線增益均為15 dBi，天線掛高分別為20、25 m，直放站設(shè)置位置均為路塹，要求直放站補盲距離分別約為500、700 m（圖中未表示基站的設(shè)置情況）。從圖中可以看出，系統(tǒng)場強值均在-80 dBm以上。

綜上所述，實際工程中，直放站采用較小輸出功率的覆蓋效果多數(shù)情況下可以滿足系統(tǒng)需要。

3 結(jié)論

在我國GSM-R移動通信系統(tǒng)中，根據(jù)實際情況采用室外小功率光纖直放站是可行的，可以滿足國內(nèi)工程多數(shù)弱場的需要。采用小功率直放站有以下幾點好處。

（1）由于標稱輸出功率較小，直放站的功放器件、射頻器件、電源器件等價格便宜，可以大大降低設(shè)備成本，同時，設(shè)備體積變小，設(shè)備外殼成本也隨之降低。

（2）為滿足現(xiàn)行技術(shù)標準中直放站工作頻帶內(nèi)、外互調(diào)干擾最大值要求，目前使用的直放站功放器件大多采用“回退”技術(shù)，這無疑使功放器件工作在較高功率下，采用小功率直放站可以從整體上降低功放器件功率，減少發(fā)熱量，從而提高設(shè)備的可靠性。

（3）小功率直放站可以有效減輕對自由空間的頻率污染，滿足環(huán)保要求。

（4）由于小功率直放站設(shè)備重量減輕，設(shè)備體積變小，在一定程度上降低了勞動強度，為現(xiàn)場施工帶來方便。

4 存在問題

（1）我國GSM-R移動通信系統(tǒng)中，普遍使用的移動臺語音單元標稱輸出功率為8 W，而數(shù)據(jù)單元多為2 W，目前只有Segem和Kapsch等少數(shù)廠家生產(chǎn)的移動臺數(shù)據(jù)單元標稱輸出功率為8 W，也就是說如果移動臺數(shù)據(jù)單元按2 W考慮時，若要保證數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)暢通，則直放站的覆蓋范圍會在一定程度上縮小，這一點應(yīng)該引起注意。

（2）在上下行鏈路平衡的設(shè)計思路下, 國內(nèi)各廠家直放站能否滿足在不同列車運行速度下的設(shè)計最小接收電平值要求。

理論計算中，以直放站輸出功率20 W為例,為滿足上下行鏈路平衡，直放站設(shè)計最小接收電平按列車運行速度分別為-102、-99、-96 dBm。粗略計算一下，GSM-R移動通信系統(tǒng)頻道間隔為200 kHz，噪聲功率譜密度為-174 dBm/Hz，那么200 kHz帶寬內(nèi)的噪聲信號功率約為-121 dBm，再考慮12 dBm的信噪比以及95%的時間地點概率，直放站的最小接收電平很難達到理論計算值要求，此時，保證上下行鏈路平衡的唯一辦法就是下調(diào)直放站輸出功率，因此，將直放站的標稱輸出功率設(shè)置為20 W是否有意義值得深入探討。

5 結(jié)束語

國外工程中，小功率直放站有著廣泛的應(yīng)用，結(jié)合具體工程在我國GSM-R移動通信系統(tǒng)中引入小功率直放站，可以提高設(shè)備可靠性、降低設(shè)備成本、減輕頻率污染、減少施工勞動強度，值得采納并推廣。

[1]鐵建設(shè)[2007]92號 鐵路GSM-R數(shù)字移動通信系統(tǒng)工程設(shè)計暫行規(guī)定[S].

[2] TB/T3201-2008 鐵路通信漏泄同軸電纜[S].

[3]吳克菲．中國鐵路GSM-R移動通信系統(tǒng)設(shè)計指南[M].北京：中國鐵道出版社，2008.