光纖直放站在GSM-R系統中的應用

李玲姣

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

鐵路無線列車調度通信系統的通信質量直接關系鐵路的行車安全。但我國大部分的鐵路地處山區及多隧道地區，沿線地形復雜，造成列車無線調度通信系統在這種傳播環境中遇到許多弱電場區。為滿足弱電場區信號的連續覆蓋，解決弱電場區通信問題，現在已采用多種技術方式，如漏泄同軸電纜＋中繼器、光纖直放站、無線直放站等。由于目前光纖資源豐富，光纖直放站可靠性高等特點，鐵路弱場覆蓋解決方案中廣泛采用光纖直放站。

1 光纖直放站原理

光纖直放方式系統由近端機、光端機、遠端機、天線、漏纜及相關配件組成，其下行信號傳輸過程為：近端機將基站信號放大，然后送到光端機，轉換為光信號通過光纖傳送到遠端機。遠端機把光端機輸入的信號進行功率放大，通過天線或漏纜把下行信號覆蓋到弱場區。

上行信號傳輸過程為：移動臺信號通過遠端天線輸入到遠端機，將移動臺信號放大后送到光端機，轉換為光信號通過光纖傳送到近端機，然后耦合到基站。如圖1所示。

2 鏈路預算

常用的Ok um u ra-H ata模型的路徑損耗中值為：

Lb（ 市 區 ）=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(hb)-α(hm)+[44.9-6.55lg(hb)]lg(d)-S(a)

Lb（郊區）=L b(市區)-2[lg(f/28)]2-5.4

L b（開闊區）=L b(市區)-[lg(f/28)]2-2.39[lg(f)]2+9.17lg(f)-23.17

其中GSM-R系統的工作頻率f取為930 MHz；機車臺天線高度hm取為4 m；移動臺天線高度校正因子α(hm)取為6.43；建筑物密度修正因子S(a)，市區、郊區S(a)=0.6 dB，鄉村S(a)=-4.95 dB。

設直放站最大輸出功率為43 d Bm，發射及接收端饋線及接頭損耗共4 d B，功分器損耗為3 d B，發射天線增益為12 d B，設計最小接收電平為-98 d Bm，陰影衰落為12 d B，設計余量為14 d B。基站天線高度hb為30 m，直放站的覆蓋范圍為城區0.96 km，郊區1.86 km，農村2.79 km。

當采用漏纜覆蓋時，根據鏈路預算，假設漏纜傳輸損耗為30 d B/km，耦合損耗為68 d B，寬度因子為7 dB，則覆蓋距離為1.5 km。

值得注意的是，在隧道區的弱場覆蓋設計過程中，經常會出現直放站加掛漏纜后再通過天線覆蓋隧道口之后空間范圍的情況。由于信號在漏纜傳輸過程中有一定的衰減，會減小隧道口天線的發射功率，從而影響覆蓋距離。如同樣采用以上參數，當加掛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0.42 km，郊區0.8 km，農村1.19 km。

3 時延分析

GSM-R系統設計規定，當基站信號與直放站信號轉換或同一小區的兩個直放站之間轉換，時延差不大于15 μs。

3.1 基站與直放站均采用全向空間波覆蓋

基站與直放站均采用全向空間波覆蓋時，一般來說，由于發射功率和天線掛高的不同，直放站覆蓋范圍比基站小，如圖2所示，本文假定圖中A點處于二者中點，即D1=D2=0.5D。

BTS空間波信號到達A點的時延為：

B IS射頻信號經光纖直放站、光纖和空間到達A點的時延為：

其中 Df=D×5 μs。

兩路信號到達A點的時延差為：

可得D≤2.8 km。

該方式不利于發揮基站的覆蓋能力。

3.2 基站和光纖直放站間以漏泄同軸電纜連接

圖3中A點是時延差最大的地方。

LCX的速比取值0.88，則每公里LCX時延為：3.333/0.88＝3.79 μs。設LCX傳輸損耗為30 d B/km，基站信號注入LCX電平為40 d Bm，直放站注入LCX電平為33 dBm，可求得：

Tb為BTS信號時延；Tr為BTS射頻信號經光纖直放站和光纖的時延；D r為直放站時延，寬帶直放站取值1 μs，選頻直放站取值5 μs；D f為光纖時延，每公里5 μs；ΔT為時延差，T r與T b的差值，不大于15 μs；對于寬帶直放站，D≤2.75 km；對于選頻直放站，D≤1.95 km。

3.3 基站以天線方式覆蓋、直放站以漏纜方式覆蓋

圖4中BTS空間波信號到達A點的時延為：

B IS射頻信號經光纖直放站、光纖到達A點的時延為：

兩路信號到達A點的時延差為：

可得D≤8.4 km。

此方式有利于發揮基站能力。

4 典型應用

弱場覆蓋區主要在隧道區域，根據不同類型、不同長度的隧道，需采用不同的隧道覆蓋解決方案。

4.1 短隧道

短隧道地區，采用單層網覆蓋的方案，如圖5所示。

短隧道地區，采用交織單網覆蓋的方案，如圖6所示。

4.2 中長隧道

中長隧道地區，采用單層網覆蓋的方案，如圖7所示。

中長隧道地區，采用交織網覆蓋的方案，如圖8所示。

4.3 長隧道

由于在弱場覆蓋設計中，直放站近端機最大可帶遠端機數為4個。因此，對于單層網覆蓋方式，當隧道長度大于10 km時，需要在隧道內放置基站設備，以增加覆蓋距離。對于交織覆蓋方式，當隧道長度大于3 km時，需要在隧道內放置基站設備，以增加覆蓋距離。

5 結束語

隨著GSM-R網絡的建設，光纖直放站的使用會越來越多，希望在以后的工程實踐中，能更好的利用光纖直放站，為鐵路通信服務。

[1]鐘章隊， 李旭， 蔣文怡， 等．鐵路綜合數字移動通信系統：GSM-R[M]. 北京：中國鐵道出版社，2003.

[2]吳克非．中國鐵路GSM-R移動通信系統設計指南：光纖直放站在鐵路無線通信工程中的應用[M]．北京：中國鐵道出版社，2008.

[3]向志華．GSM-R光纖直放站應用簡要分析[J]．鐵道工程學報，2007(2)：78－83.