GSM-R弱場(chǎng)覆蓋研究

■ 上官興鑫

GSM-R系統(tǒng)在我國(guó)鐵路建設(shè)中的作用越來(lái)越重要，對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)設(shè)備及網(wǎng)絡(luò)覆蓋設(shè)計(jì)的要求也在不斷提高，設(shè)計(jì)成功與否對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)服務(wù)和建設(shè)成本具有重大影響。針對(duì)GSM-R網(wǎng)絡(luò)弱場(chǎng)覆蓋過(guò)程中常見(jiàn)的3個(gè)問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 弱場(chǎng)覆蓋冗余要求

高速鐵路中，GSM-R網(wǎng)絡(luò)不但需要保證列車高速運(yùn)行時(shí)能提供高質(zhì)量的服務(wù)及進(jìn)行正常的小區(qū)重選及切換，而且要求出現(xiàn)單點(diǎn)故障時(shí)也能保證列車正常運(yùn)行。GSM-R系統(tǒng)通常采用交織覆蓋方式，在弱場(chǎng)覆蓋方案設(shè)計(jì)中建議光纖直放站的組網(wǎng)方式同樣按照此原則設(shè)計(jì)（見(jiàn)圖1）。每個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)均應(yīng)設(shè)計(jì)成接收到來(lái)自2個(gè)基站的信號(hào)（主基站和從基站），建議采用主基站信號(hào)光纜傳輸和備用光纜傳輸設(shè)計(jì)原則，當(dāng)主基站信號(hào)光纜故障時(shí)，主基站信號(hào)可以通過(guò)備用光纜傳輸。從屬基站信號(hào)將通過(guò)第三根光纖接口連接到遠(yuǎn)端機(jī)上，確保當(dāng)主基站宕機(jī)后整個(gè)隧道中的通信不會(huì)中斷。主用基站和從屬基站均連續(xù)工作，但工作在不同載頻上。從屬基站的輸出功率比主用基站約低6 d B（見(jiàn)圖2）。正常工作時(shí)用戶采用主用基站信號(hào)，當(dāng)主用基站宕機(jī)后，在隧道中的移動(dòng)臺(tái)實(shí)時(shí)切換到冗余基站上。

采用以上設(shè)計(jì)思路完全可以滿足弱場(chǎng)區(qū)段的覆蓋方案在以下非連續(xù)點(diǎn)故障情況下系統(tǒng)仍能正常工作。

（1）直放站遠(yuǎn)端機(jī)單點(diǎn)故障（光遠(yuǎn)2），信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化見(jiàn)圖3。

覆蓋：光遠(yuǎn)1與光遠(yuǎn)2中點(diǎn)和光遠(yuǎn)2與光遠(yuǎn)3中點(diǎn)之間電平下降，其他區(qū)域無(wú)影響。

圖1 弱場(chǎng)覆蓋冗余設(shè)計(jì)

圖2 弱場(chǎng)覆蓋冗余設(shè)計(jì)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域示意圖

切換：切換區(qū)域左移至光遠(yuǎn)2附近。

（2）直放站近端機(jī)或基站單點(diǎn)故障（光近B或基站B），信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化見(jiàn)圖4。

覆蓋：標(biāo)段2的覆蓋電平下降6 dB。

切換：切換區(qū)域移至區(qū)間右端與下一個(gè)基站信號(hào)交疊覆蓋區(qū)之間。

（3）直放站單個(gè)模塊故障（電源模塊、功放模塊、光模塊）。

覆蓋：不受任何影響。

切換：不受任何影響。

（4）漏纜單點(diǎn)故障（光遠(yuǎn)3與光遠(yuǎn)4之間），信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化見(jiàn)圖5。

覆蓋：隨漏纜問(wèn)題點(diǎn)變化。

切換：切換區(qū)域不變。

2 信源基站與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)距離要求

當(dāng)隧道口地理環(huán)境影響基站選址時(shí)，弱場(chǎng)覆蓋設(shè)計(jì)過(guò)程中經(jīng)常遇到圖6所示場(chǎng)景。信源基站與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)天線相向而設(shè)，此時(shí)如果來(lái)自信源基站與遠(yuǎn)端機(jī)的2路信號(hào)時(shí)延差大于15μ s，并且同頻干擾保護(hù)比小于12 d B時(shí)將產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。設(shè)計(jì)階段為避免此問(wèn)題，應(yīng)對(duì)信源基站與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)距離要求進(jìn)行分析。

分析條件設(shè)定：光纖直放站系統(tǒng)傳輸延時(shí)1μs；空中電磁波傳播3.3μs/km，光纖傳播4.8μ s/km；BTS方向延時(shí)T 1=D 1×3.3μ s；直放站方向延時(shí)T 2=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs；D=D 1+D 2；時(shí)延差T=T 2－T 1=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs-D 1×3.3μs=D×8.1μ s+1μ s- D 1×6.6μ s。

式中：D為信源基站天線與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)天線之間距離；D 1為信源基站天線與用戶終端之間距離；D 2為隧道口遠(yuǎn)端機(jī)天線與用戶終端之間距離。

當(dāng)滿足以下條件時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。

（1）T＜15μs。當(dāng)來(lái)自于信源基站與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)2路信號(hào)時(shí)延差小于15μs時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。即T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，當(dāng)D 1越小時(shí)T越大，D 1為0時(shí)T最大，此時(shí)T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，可得D＜1.72 km，即當(dāng)信源基站與隧道口第一個(gè)遠(yuǎn)端機(jī)距離小于1.72 km時(shí)，不會(huì)產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。

圖3 遠(yuǎn)端機(jī)單點(diǎn)故障時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化示意圖

圖4 基站或近端機(jī)單點(diǎn)故障時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化示意圖

圖5 漏纜單點(diǎn)故障時(shí)信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)及切換區(qū)域變化示意圖

圖6 隧道口基站與遠(yuǎn)端機(jī)天線相向而設(shè)

（2）T≥15μ s且C/I＞12 d B。當(dāng)來(lái)自于信源基站與隧道口遠(yuǎn)端機(jī)2路信號(hào)時(shí)延差大于15μ s時(shí)，如果該點(diǎn)移動(dòng)臺(tái)接收信號(hào)的同頻干擾保護(hù)比大于12 d B，同樣不會(huì)產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。當(dāng)T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s≥15μ s時(shí)，可得D與D 1關(guān)系（見(jiàn)圖7）。在D≥1.72 km的橫軸任意一點(diǎn)時(shí)，D 1取值為垂直于該軸的直線與陰影區(qū)域的重疊部分。

在D取值使T≥15μ s時(shí)，C/I需要大于12 d B才不會(huì)產(chǎn)生多徑干擾現(xiàn)象。就移動(dòng)臺(tái)接收點(diǎn)C/I進(jìn)一步分析。

無(wú)線信號(hào)空間損耗傳播模型采用Okum u ra-Hata模型：

Lb=69.55＋26.16 lo g（f）－13.82 lo g（hb）-a（hm）+[44.9-6.55log（hb）]log（D）-S（a）-10.3（1）

式中：f為工作頻率，按930 M Hz計(jì)算；hb為天線高度，m；hm為機(jī)車臺(tái)天線高度，一般取4 m；a（hm）為移動(dòng)臺(tái)天線高度校正因子，按中小城市取值為6.43；D為傳播距離，km；S（a）為建筑物密度修正因子，a為建筑物密度。

假設(shè)：移動(dòng)臺(tái)接收到基站信號(hào)強(qiáng)度P 1；移動(dòng)臺(tái)接收到遠(yuǎn)端機(jī)信號(hào)強(qiáng)度P 2；移動(dòng)臺(tái)接收到基站與遠(yuǎn)端機(jī)2路信號(hào)強(qiáng)度之差P；基站距遠(yuǎn)端機(jī)距離D；基站距移動(dòng)臺(tái)距離D 1。則：

基站天線到移動(dòng)臺(tái)信號(hào)空間損耗：

Lb（基站）=69.55+26.16log（f）-13.82log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D 1）-S（a）-10.3 （2）

遠(yuǎn)端機(jī)天線到移動(dòng)臺(tái)信號(hào)空間損耗：

Lb（遠(yuǎn)端機(jī)）=69.55+26.16 log（f）-13.82 log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D-D 1）-S（a）-10.3 （3）

P=P 1-P 2=基站天線端口ERP-Lb（基站）-基站天線端口ERP+ Lb（遠(yuǎn)端機(jī)） （4）

假設(shè)此時(shí)只有該信源基站與遠(yuǎn)端機(jī)使用該頻率信號(hào)，則可認(rèn)為P與C/I相當(dāng)。

當(dāng)D取值使得T≥15μ s時(shí)，即可根據(jù)D與D 1共同判斷是否滿足P＞12 dB。

假設(shè)：基站天線端口ERP為57 d Bm；遠(yuǎn)端機(jī)天線端口ERP為40 dBm；基站及遠(yuǎn)端機(jī)天線高度25 m。

P可進(jìn)一步簡(jiǎn)化為：

P=P 1-P 2=（57-Lb（基站））-40+Lb（遠(yuǎn)端機(jī)））=17-35.74log（D 1/D－D 1） （5）

即：

P=17-35.74 log（D 1/D-D 1）＞12 dB （6）

同時(shí)需要考慮基站與遠(yuǎn)端機(jī)的信號(hào)在D范圍內(nèi)任意點(diǎn)信號(hào)強(qiáng)度滿足以下條件：P 1=57-Lb（基站）＞-92 dBm；P 2=57-Lb（遠(yuǎn)端機(jī)）＞-92 dBm。

3 上行輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍

目前，GSM-R網(wǎng)絡(luò)中光纖直放站對(duì)無(wú)線射頻信號(hào)的耦合采用2種不同方案（見(jiàn)圖8，圖9），方案A采用約40 dB耦合器，方案B采用相對(duì)較小的10 dB耦合器。

圖7 D與D1關(guān)系變化圖

圖8 方案A示意圖

圖9 方案B示意圖

2種方案不同點(diǎn)：方案B使用較小耦合器，但在近端機(jī)內(nèi)部通過(guò)對(duì)下行鏈路路徑增加衰減器減小進(jìn)入遠(yuǎn)端機(jī)的下行信號(hào)。

分析不同方案對(duì)上下行信號(hào)的影響，其結(jié)果見(jiàn)表1。分析條件設(shè)定：基站輸出信號(hào)47 d Bm，耦合器及跳線損耗2 d B，光功分損耗5 d B（假設(shè)近端機(jī)所帶遠(yuǎn)端機(jī)數(shù)量小于4個(gè)），上行低噪聲放大器輸出控制啟動(dòng)點(diǎn)－5 d Bm，下行輸出信號(hào)之前3 dB電橋損耗3 dB。

通過(guò)2種方案的對(duì)比分析可知，耦合器大小的選擇對(duì)下行鏈路沒(méi)有任何影響，主要對(duì)上行輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍影響較大。方案A與方案B相比，上行可輸入信號(hào)的最大值降低了23 dB。

上行輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍實(shí)際應(yīng)用影響：

在上行低噪聲放大器增益及輸出控制啟動(dòng)點(diǎn)一定的情況下，當(dāng)上行輸入信號(hào)使上行低噪聲放大器輸出控制啟動(dòng)后，上行低噪聲放大器增益隨上行輸入信號(hào)的增強(qiáng)而降低。網(wǎng)絡(luò)中只有單個(gè)用戶使用時(shí)不會(huì)出現(xiàn)問(wèn)題，對(duì)系統(tǒng)及用戶服務(wù)沒(méi)有影響，但在圖10的特殊場(chǎng)景中會(huì)對(duì)用戶服務(wù)產(chǎn)生較大影響。

列車1自右向左向隧道方向行駛；列車2自左向右向遠(yuǎn)離隧道方向行駛。如果沒(méi)有列車1，列車2從C到D之間的上行信號(hào)到達(dá)基站后剛好滿足上行最小接收電平的要求。

（1）在列車1到達(dá)B時(shí)，列車1的上行輸入信號(hào)較大，使自動(dòng)增益控制功能啟動(dòng)；此時(shí)列車2到達(dá)C，列車2的上行信號(hào)到達(dá)基站后滿足上行最小接收電平的要求。

表1 不同方案對(duì)上下行信號(hào)影響對(duì)比分析

圖10 上行輸入信號(hào)動(dòng)態(tài)范圍影響示意圖

（2）隨著列車1的繼續(xù)行駛，列車1上行輸入信號(hào)的增大使上行功放增益逐漸減??；列車2在從C到D的過(guò)程中上行信號(hào)空間損耗逐步增大，原來(lái)設(shè)置的上行功放增益剛好保證列車2在D時(shí)的上行信號(hào)到達(dá)基站后滿足上行最小接收電平要求，但列車1的上行輸入信號(hào)使上行功放增益減小，導(dǎo)致基站過(guò)早不能識(shí)別列車2到達(dá)基站的上行信號(hào)。