數(shù)字光纖直放站技術(shù)在GSM-R改造中的應(yīng)用

彭學(xué)武

(中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司電氣化設(shè)計(jì)院分公司，天津 300250)

1 概述

隨著我國既有普速鐵路GSM-R網(wǎng)絡(luò)改造工作逐步推進(jìn)，根據(jù)中國鐵路總公司運(yùn)輸局關(guān)于印發(fā)《2017年全路電務(wù)系統(tǒng)工作要點(diǎn)》的通知（運(yùn)電信號(hào)函[2017]93號(hào)），我國既有鐵路無線通信系統(tǒng)改造將推廣數(shù)字光纖直放站、分布式基站等新型無線網(wǎng)設(shè)備的應(yīng)用。本文以焦柳鐵路電氣化改造南寧鐵路局管內(nèi)GSM-R系統(tǒng)改造為例，研究既有線進(jìn)行GSM-R系統(tǒng)改造采用數(shù)字光纖直放站技術(shù)的解決方案。

2 數(shù)字光纖直放站的工作原理

GSM-R數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)主要由近端機(jī)、光纖、遠(yuǎn)端機(jī)、操作維護(hù)設(shè)備構(gòu)成，如圖1所示[1]。

數(shù)字光纖直放站采用軟件無線電技術(shù)，近端機(jī)在GSM-R基站側(cè)將射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，通過光纖傳送到遠(yuǎn)端機(jī)，利用遠(yuǎn)端機(jī)的中頻數(shù)字單元變頻還原，經(jīng)射頻單元再生、放大，實(shí)現(xiàn)GSM-R基站信號(hào)拉遠(yuǎn)覆蓋。

圖1 GSM-R數(shù)字光纖直放站系統(tǒng)構(gòu)成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure of GSM-R digital optical repeater

對(duì)于下行信號(hào)鏈路，近端機(jī)通過耦合器將來自基站主天線的移動(dòng)通信下行信號(hào)饋送入射頻單元，將其下變頻到中頻信號(hào)，然后由數(shù)字中頻單元對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，再經(jīng)光傳輸單元由光纖傳輸至遠(yuǎn)端機(jī)。在遠(yuǎn)端機(jī)，信號(hào)經(jīng)光傳輸單元，由數(shù)字中頻單元恢復(fù)為中頻信號(hào)，再經(jīng)射頻單元將信號(hào)上變頻到射頻，最后經(jīng)天線發(fā)射至覆蓋區(qū)域。

對(duì)于上行信號(hào)鏈路，來自移動(dòng)終端的上行信號(hào)經(jīng)遠(yuǎn)端機(jī)射頻單元，由下變頻器將上行信號(hào)變頻到中頻信號(hào)，然后由數(shù)字中頻單元對(duì)中頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字信號(hào)處理，再經(jīng)光傳輸單元由光纖傳輸至近端機(jī)。在近端機(jī)，信號(hào)經(jīng)光傳輸單元，由數(shù)字中頻單元恢復(fù)為中頻信號(hào)，再經(jīng)射頻單元將信號(hào)上變頻到射頻，最后經(jīng)耦合器送給基站。

具體工作原理如圖2所示。

圖2 數(shù)字光纖直放站工作原理框圖Fig.2 Block diagram of working principle of digital optical repeater

3 工程實(shí)例

焦柳鐵路塘豹至柳州段位于湖南省懷化市、廣西自治區(qū)柳州市、河池市轄區(qū)，線路全長268.116 km，橋梁141座12.18 km，隧道91座32.95 km，橋隧比16.83%。

焦柳鐵路塘豹至柳州段沿線地形復(fù)雜多變，隧道密集，多山體和丘陵，無線信號(hào)在傳輸過程中受建筑物、地形、地貌等影響，多徑干擾造成的信號(hào)衰落較嚴(yán)重，易產(chǎn)生覆蓋弱場(chǎng)區(qū)。

目前焦柳鐵路塘豹至柳州段無線通信方案如下。

沿線GSM-R數(shù)字移動(dòng)通信系統(tǒng)基站子系統(tǒng)采用單網(wǎng)覆蓋方案，按95%的時(shí)間、地點(diǎn)概率下最小可用接收電平為-98 dBm的覆蓋設(shè)計(jì)，新設(shè)基站按3載頻考慮。

在融安站新設(shè)基站控制器BSC、PCU各1套，與南寧局MSC同址設(shè)置1套碼速變換器TRAU，沿線新設(shè)基站設(shè)備（BTS）通過2 Mbit/s通道接入融安站新設(shè)基站控制器，每3～5個(gè)基站組成一個(gè)E1環(huán)路。

為減少列車運(yùn)行過程中的小區(qū)切換次數(shù)以及避免在站區(qū)進(jìn)行小區(qū)切換，沿線車站采用合成小區(qū)基站，利用雙定向天線對(duì)鐵路沿線做鏈狀覆蓋，擴(kuò)大基站沿鐵路線方向的覆蓋范圍。

在沿線車站設(shè)置基站，基站不作為無線信號(hào)覆蓋，無線信號(hào)采用數(shù)字光纖直放站覆蓋，便于數(shù)字光纖直放站的時(shí)延調(diào)整。

區(qū)間復(fù)雜地段利用數(shù)字光纖直放站加漏泄同軸電纜/天線的方式進(jìn)行無線信號(hào)覆蓋。

4 技術(shù)方案

1）業(yè)務(wù)需求

通過GSM-R系統(tǒng)提供語音、數(shù)據(jù)業(yè)務(wù)通信平臺(tái)，焦柳鐵路塘豹至柳州段GSM-R系統(tǒng)主要實(shí)現(xiàn)以下功能：

GSM-R調(diào)度通信系統(tǒng)主要技術(shù)條件中規(guī)定的列調(diào)等各項(xiàng)調(diào)度通信功能；

列車車次號(hào)校核信息傳送；

調(diào)度命令信息傳送；

調(diào)車機(jī)車信號(hào)和監(jiān)控信息傳送；

列車尾部信息傳送；

滿足鐵路沿線維護(hù)人員的通信需求，用于養(yǎng)路、橋隧（守護(hù)）、接觸網(wǎng)（供電）、水電、電務(wù)等部門的區(qū)間維護(hù)作業(yè)通信；

滿足公安、搶修、救援等多部門、多工種的應(yīng)急通信需求。

2）鏈路預(yù)算

根據(jù)常用的Okumura-Hata模型，假設(shè)直放站最大輸出功率為43 dBm，當(dāng)天線掛高為30 m時(shí)，直放站的覆蓋范圍為城區(qū)0.96 km，郊區(qū)1.86 km，農(nóng)村2.79 km；當(dāng)加掛500 m漏纜后，在未考慮漏纜耦合損耗的情況下，隧道口天線的覆蓋范圍為城區(qū)0.42 km，郊區(qū)0.8 km，農(nóng)村1.19 km[2]。

3）方案設(shè)計(jì)

根據(jù)焦柳鐵路塘豹至柳州段沿線地形情況，以更村—洛滿—福塘兩個(gè)區(qū)間為例，采用數(shù)字光纖直放站技術(shù)實(shí)現(xiàn)無線信號(hào)覆蓋。

在沿線車站通信機(jī)械室設(shè)置BTS，全線采用“數(shù)字光纖直放站+漏纜/天線”方式進(jìn)行信號(hào)覆蓋。

具體方案如圖3所示。

圖3 數(shù)字光纖直放站設(shè)計(jì)方案Fig.3 Design scheme of digital optical repeater

數(shù)字光纖直放站支持星型、鏈型、環(huán)型、混合型組網(wǎng)，焦柳鐵路塘豹至柳州段GSM-R無線通信系統(tǒng)可使用光纖資源比較緊張，且對(duì)組網(wǎng)可靠性要求較高，故采用環(huán)型組網(wǎng)方式。

采用數(shù)字光纖直放站進(jìn)行信號(hào)覆蓋時(shí)，有以下優(yōu)點(diǎn)。

1）采用數(shù)字光傳輸技術(shù)，射頻信號(hào)傳輸不隨光信號(hào)的衰減而衰減，遠(yuǎn)端機(jī)的無線覆蓋距離不隨光傳輸距離而改變。

2）采用軟件無線電技術(shù)，將射頻信號(hào)進(jìn)行數(shù)字化處理，實(shí)時(shí)進(jìn)行各遠(yuǎn)端機(jī)與近端機(jī)之間時(shí)延調(diào)整，避免時(shí)延色散干擾，保證覆蓋效果。

3）光傳輸部分為數(shù)字化傳輸，信號(hào)的再生和放大過程均不產(chǎn)生光傳輸噪聲；對(duì)于射頻噪聲，數(shù)字光纖直放站利用采樣技術(shù)與自適應(yīng)濾波器單獨(dú)對(duì)各遠(yuǎn)端機(jī)的上行噪聲進(jìn)行控制，減少各遠(yuǎn)端機(jī)上行噪聲的對(duì)基站的影響。

4）采用合成小區(qū)，可以避免宏基站單個(gè)小區(qū)覆蓋范圍小，有效減少切換次數(shù)。

5）上行具有接收分集功能，可以平衡系統(tǒng)上、下行鏈路信號(hào)，提高上行信號(hào)的抗衰落性。

數(shù)字光纖直放站方案也存在問題：多個(gè)直放站遠(yuǎn)端機(jī)共用一個(gè)基站作為信號(hào)源，如果基站故障，將出現(xiàn)較長距離的信號(hào)盲區(qū)，導(dǎo)致通信中斷，需采取電力、設(shè)備的冗余配置等措施來加強(qiáng)系統(tǒng)的可靠性。

綜上所述，鐵路沿線地形復(fù)雜時(shí)，采用數(shù)字光纖直放站不失為一種解決區(qū)間弱場(chǎng)的可實(shí)施性方案。

5 結(jié)束語

本文利用焦柳線南寧局管內(nèi)更村—洛滿—福塘段既有無線列調(diào)系統(tǒng)改造GSM-R系統(tǒng)工程為例，重點(diǎn)對(duì)數(shù)字光纖直放站在GSM-R改造中的應(yīng)用進(jìn)行描述分析，旨在提出符合一種可靠又能切合工程實(shí)際需求的無線方案，希望為后續(xù)工程提供參考。