光纖直放站原理及在鐵路移動(dòng)通信的應(yīng)用

時(shí)慶飛

(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

2004年初，我國(guó)制定了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，計(jì)劃到2020年，全國(guó)營(yíng)運(yùn)里程達(dá)到10萬(wàn)km，其中客運(yùn)專線1.2萬(wàn)km、既有線電氣化1.6萬(wàn)km。在既有線的電氣化改造中，通信線路、設(shè)備的改造是其重要組成部分。在列車的幾次大提速中，鐵路移動(dòng)通信功不可沒。鐵路移動(dòng)通信中,無(wú)線場(chǎng)強(qiáng)覆蓋率是比較重要的技術(shù)指標(biāo)，采用光纖直放站覆蓋是解決區(qū)間弱場(chǎng)強(qiáng)覆蓋的重要手段。

光纖直放站具有傳輸距離遠(yuǎn)、信號(hào)質(zhì)量高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好等特點(diǎn)。由于光纜技術(shù)日益成熟且價(jià)位下調(diào)，光纖直放站已經(jīng)在公網(wǎng)移動(dòng)通信中得到廣泛的應(yīng)用。隨著中國(guó)鐵路的高速發(fā)展，光纖直放站也逐步在鐵路移動(dòng)通信得到應(yīng)用，尤其在既有線路的電氣化改造及新建客運(yùn)專線中大量的應(yīng)用,主要是GSM-R系統(tǒng)和無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)。

2 光纖直放站構(gòu)成與工作原理

2.1 光纖直放站構(gòu)成

光纖直放站主要由近端機(jī)（信號(hào)源端）和遠(yuǎn)端機(jī)（弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域端）構(gòu)成，兩者之間通過(guò)光纜相連。

2.2 光纖直放站工作原理

如圖1所示，下行信號(hào)：首先從信號(hào)源的射頻部分通過(guò)耦合器耦合出射頻信號(hào)，進(jìn)入近端主機(jī)，把射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成中頻信號(hào)并進(jìn)行放大；然后進(jìn)入光端機(jī)，把電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)并進(jìn)行放大；再到波分復(fù)用器（與其他業(yè)務(wù)共用1根光纖），進(jìn)行光波合路，通過(guò)光纜傳到遠(yuǎn)端機(jī)，先進(jìn)入波分器，把設(shè)備采用的波長(zhǎng)（1 550 nm）分離出來(lái)；進(jìn)入光端機(jī)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，再到遠(yuǎn)端主機(jī)，把中頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)并進(jìn)行放大；最后通過(guò)天線發(fā)射出去；完成對(duì)弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域的覆蓋。

上行信號(hào)：遠(yuǎn)端站天線接收到移動(dòng)臺(tái)的射頻信號(hào)，進(jìn)入遠(yuǎn)端主機(jī)把射頻信號(hào)進(jìn)行放大，并轉(zhuǎn)換為中頻信號(hào)，送到光端機(jī)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，進(jìn)入波分復(fù)用器進(jìn)行光波合路（與其他業(yè)務(wù)共用1根光纖），再通過(guò)光纖傳送到近端站的波分器，進(jìn)行波長(zhǎng)分離，送到光端機(jī)，把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，進(jìn)入近端主機(jī)進(jìn)行信號(hào)放大，轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)進(jìn)入信號(hào)源內(nèi)。

光纖應(yīng)用分析：圖1采用2根光纖進(jìn)行傳輸，上下行信號(hào)均采用1 550 nm光波長(zhǎng)（與其他業(yè)務(wù)共用光纖），也可不與其他業(yè)務(wù)共用，自身占用2根光纖。如果光纜芯數(shù)緊張，可以采用1根光纖，上下行信號(hào)共用1根光纖，分別采用1 310 nm和1 550 nm光波長(zhǎng)，采用波分復(fù)用器和波分器把2個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行合路和分離，節(jié)省1芯光纖。

3 光纖直放站組網(wǎng)方式

組網(wǎng)方式主要有并聯(lián)方式、串聯(lián)方式和串并聯(lián)混合方式。

并聯(lián)方式的特點(diǎn)：遠(yuǎn)端機(jī)以星型的方式連接到近端機(jī)上，如圖2所示。優(yōu)點(diǎn)：每臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)到近端機(jī)的光路都是獨(dú)立的，1臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)故障時(shí)不影響其他遠(yuǎn)端機(jī)；目前工程上使用的光纖直放站大部分為模擬的，有底部噪聲，并聯(lián)方式不存在噪聲積累。缺點(diǎn)：因?yàn)槊颗_(tái)遠(yuǎn)端機(jī)到近端機(jī)的光路是獨(dú)立的，占用光纜資源。

串聯(lián)方式的特點(diǎn)：遠(yuǎn)端機(jī)以級(jí)聯(lián)的方式連接到近端機(jī)上，如圖3所示，1臺(tái)近端機(jī)帶1臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)，1臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)再帶遠(yuǎn)端機(jī)。優(yōu)點(diǎn)：幾臺(tái)遠(yuǎn)端機(jī)共用1條光路，這樣節(jié)省光纜資源。缺點(diǎn)：前端的遠(yuǎn)端機(jī)故障時(shí)影響后端的遠(yuǎn)端機(jī)的正常工作，這種級(jí)聯(lián)方式存在噪聲積累。

串并聯(lián)混合方式：綜合了并聯(lián)和串聯(lián)的2種方式，如圖4所示。

一般在鐵路移動(dòng)通信中，采用并聯(lián)方式比較多，其他方式相對(duì)比較少。

4 光纖直放站在鐵路移動(dòng)通信工程的應(yīng)用

圖5為光纖直放站在鐵路無(wú)線列調(diào)系統(tǒng)的典型應(yīng)用。下行：通過(guò)耦合器引入車站電臺(tái)和解碼器的射頻信號(hào)，近端站通過(guò)電/光轉(zhuǎn)換，將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成光信號(hào)，光信號(hào)通過(guò)光纖傳送到遠(yuǎn)端站，遠(yuǎn)端站通過(guò)光/電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成射頻信號(hào)，并將射頻信號(hào)放大后通過(guò)天線發(fā)射，解決盲區(qū)的覆蓋。上行：遠(yuǎn)端站天線接收移動(dòng)臺(tái)的射頻信號(hào)，將射頻信號(hào)放大后進(jìn)行電/光轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)通過(guò)光纖傳送到近端站，近端站通過(guò)光/電轉(zhuǎn)換，將光信號(hào)還原成射頻信號(hào)，通過(guò)耦合器送入車站電臺(tái)和車次號(hào)解碼器。

4.1 天線覆蓋基本數(shù)據(jù)計(jì)算

空間損耗：LS=32.45+20 lgD+20 lgf

下行場(chǎng)強(qiáng)覆蓋計(jì)算：

Po+Gal-Ls-Lp+Ga2=Prm+La

其中：

Po——直放站發(fā)射功率；

Gal——直放站天線增益；

Ls——空間損耗；

Lp——電纜接頭及電纜附加損耗；

Ga2——移動(dòng)終端天線增益；

Prm——移動(dòng)終端接收電平；

La——保護(hù)電平儲(chǔ)備；

D——移動(dòng)終端到直放站的距離；

f——工作頻率。

通常 Po=35 dBm，Gal=12 dB，Lp=18 dB，Ga2=0 dB，La=6.5 dB，Prm=-97 dBm（電氣化區(qū)段最小接收電平）。

上面公式同樣適用于上行信號(hào)覆蓋的計(jì)算，通常移動(dòng)終端的發(fā)射功率為33 dBm，上面公式中的空間損耗的計(jì)算為自由空間損耗，實(shí)際計(jì)算中考慮其他原因產(chǎn)生的損耗（例如地形等原因）。

直放站的覆蓋距離除了上面的計(jì)算，還與天線掛高、周圍的地形有關(guān)，通常天線掛高為20～30m，一般地形比較平坦的區(qū)域，直放站最大覆蓋距離為10 km，地形比較復(fù)雜的區(qū)域也可達(dá)到5～6 km。

4.2 應(yīng)用實(shí)例

長(zhǎng)荊線（湖北長(zhǎng)江埠到荊門的鐵路）全長(zhǎng)176.39 km，進(jìn)行全線電氣化改造，移動(dòng)通信要求采用無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)450 MHz頻段B1制式，進(jìn)行全線覆蓋，弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域按照電氣化鐵路要求進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)。原有移動(dòng)通信現(xiàn)狀：無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)為450 MHz頻段C制式，區(qū)間內(nèi)無(wú)中繼設(shè)備，只覆蓋車站，8個(gè)中間站，共有9個(gè)區(qū)間，最小區(qū)間7.03 km，最長(zhǎng)區(qū)間為26.80 km，其中6個(gè)區(qū)間超過(guò)20 km，2個(gè)區(qū)間10多km；全線存在大量的弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域；全線地形比較復(fù)雜，地勢(shì)跌宕起伏，有些區(qū)間為丘陵地形，地勢(shì)平坦的區(qū)間也有不少深挖的路塹和彎道，其中一區(qū)段內(nèi)有1.13 km的隧道。設(shè)計(jì)方案：車站更換無(wú)線列調(diào)通信系統(tǒng)450 MHz頻段B1制式電臺(tái)，區(qū)間弱場(chǎng)強(qiáng)區(qū)域采用光纖直放站進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，隧道內(nèi)采用光纖直放站加泄漏電纜進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)；全線設(shè)置了18處光纖直放站，安裝30 m鐵塔，天線采用高增益的雙定向天線，在比較大的區(qū)間設(shè)置了3處直放站進(jìn)行覆蓋。

[1] TB10006-2005 鐵路運(yùn)輸通信設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2] TB/T3052-2002 列車無(wú)線調(diào)度通信系統(tǒng)制式及主要技術(shù)條件[S].

[3] 鐵道部通信信號(hào)總公司研究設(shè)計(jì)院．《鐵路工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)》通信[M],北京：中國(guó)鐵道出版社，1994.

[4] TB1630-1985 電氣化150/450 MHz鐵路列車無(wú)線電通信最小接收電平值及其測(cè)量方法[S].