光纖直放站原理及在鐵路移動通信的應用

時慶飛

(北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司，北京 100043)

1 概述

2004年初，我國制定了《中長期鐵路網規劃》，計劃到2020年，全國營運里程達到10萬km，其中客運專線1.2萬km、既有線電氣化1.6萬km。在既有線的電氣化改造中，通信線路、設備的改造是其重要組成部分。在列車的幾次大提速中，鐵路移動通信功不可沒。鐵路移動通信中,無線場強覆蓋率是比較重要的技術指標，采用光纖直放站覆蓋是解決區間弱場強覆蓋的重要手段。

光纖直放站具有傳輸距離遠、信號質量高、抗干擾能力強、穩定性好等特點。由于光纜技術日益成熟且價位下調，光纖直放站已經在公網移動通信中得到廣泛的應用。隨著中國鐵路的高速發展，光纖直放站也逐步在鐵路移動通信得到應用，尤其在既有線路的電氣化改造及新建客運專線中大量的應用,主要是GSM-R系統和無線列調系統。

2 光纖直放站構成與工作原理

2.1 光纖直放站構成

光纖直放站主要由近端機（信號源端）和遠端機（弱場強區域端）構成，兩者之間通過光纜相連。

2.2 光纖直放站工作原理

如圖1所示，下行信號：首先從信號源的射頻部分通過耦合器耦合出射頻信號，進入近端主機，把射頻信號轉換成中頻信號并進行放大；然后進入光端機，把電信號轉換成光信號并進行放大；再到波分復用器（與其他業務共用1根光纖），進行光波合路，通過光纜傳到遠端機，先進入波分器，把設備采用的波長（1 550 nm）分離出來；進入光端機，把光信號轉換成電信號，再到遠端主機，把中頻信號轉換成射頻信號并進行放大；最后通過天線發射出去；完成對弱場強區域的覆蓋。

上行信號：遠端站天線接收到移動臺的射頻信號，進入遠端主機把射頻信號進行放大，并轉換為中頻信號，送到光端機將電信號轉換成光信號，進入波分復用器進行光波合路（與其他業務共用1根光纖），再通過光纖傳送到近端站的波分器，進行波長分離，送到光端機，把光信號轉換成電信號，進入近端主機進行信號放大，轉換成射頻信號進入信號源內。

光纖應用分析：圖1采用2根光纖進行傳輸，上下行信號均采用1 550 nm光波長（與其他業務共用光纖），也可不與其他業務共用，自身占用2根光纖。如果光纜芯數緊張，可以采用1根光纖，上下行信號共用1根光纖，分別采用1 310 nm和1 550 nm光波長，采用波分復用器和波分器把2個波長進行合路和分離，節省1芯光纖。

3 光纖直放站組網方式

組網方式主要有并聯方式、串聯方式和串并聯混合方式。

并聯方式的特點：遠端機以星型的方式連接到近端機上，如圖2所示。優點：每臺遠端機到近端機的光路都是獨立的，1臺遠端機故障時不影響其他遠端機；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，并聯方式不存在噪聲積累。缺點：因為每臺遠端機到近端機的光路是獨立的，占用光纜資源。

串聯方式的特點：遠端機以級聯的方式連接到近端機上，如圖3所示，1臺近端機帶1臺遠端機，1臺遠端機再帶遠端機。優點：幾臺遠端機共用1條光路，這樣節省光纜資源。缺點：前端的遠端機故障時影響后端的遠端機的正常工作，這種級聯方式存在噪聲積累。

串并聯混合方式：綜合了并聯和串聯的2種方式，如圖4所示。

一般在鐵路移動通信中，采用并聯方式比較多，其他方式相對比較少。

4 光纖直放站在鐵路移動通信工程的應用

圖5為光纖直放站在鐵路無線列調系統的典型應用。下行：通過耦合器引入車站電臺和解碼器的射頻信號，近端站通過電/光轉換，將射頻信號轉換成光信號，光信號通過光纖傳送到遠端站，遠端站通過光/電轉換，將光信號轉換成射頻信號，并將射頻信號放大后通過天線發射，解決盲區的覆蓋。上行：遠端站天線接收移動臺的射頻信號，將射頻信號放大后進行電/光轉換，將光信號通過光纖傳送到近端站，近端站通過光/電轉換，將光信號還原成射頻信號，通過耦合器送入車站電臺和車次號解碼器。

4.1 天線覆蓋基本數據計算

空間損耗：LS=32.45+20 lgD+20 lgf

下行場強覆蓋計算：

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

其中：

Po——直放站發射功率；

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——移動終端天線增益；

Prm——移動終端接收電平；

La——保護電平儲備；

D——移動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（電氣化區段最小接收電平）。

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

直放站的覆蓋距離除了上面的計算，還與天線掛高、周圍的地形有關，通常天線掛高為20～30m，一般地形比較平坦的區域，直放站最大覆蓋距離為10 km，地形比較復雜的區域也可達到5～6 km。

4.2 應用實例

長荊線（湖北長江埠到荊門的鐵路）全長176.39 km，進行全線電氣化改造，移動通信要求采用無線列調通信系統450 MHz頻段B1制式，進行全線覆蓋，弱場強區域按照電氣化鐵路要求進行補強。原有移動通信現狀：無線列調通信系統為450 MHz頻段C制式，區間內無中繼設備，只覆蓋車站，8個中間站，共有9個區間，最小區間7.03 km，最長區間為26.80 km，其中6個區間超過20 km，2個區間10多km；全線存在大量的弱場強區域；全線地形比較復雜，地勢跌宕起伏，有些區間為丘陵地形，地勢平坦的區間也有不少深挖的路塹和彎道，其中一區段內有1.13 km的隧道。設計方案：車站更換無線列調通信系統450 MHz頻段B1制式電臺，區間弱場強區域采用光纖直放站進行補強，隧道內采用光纖直放站加泄漏電纜進行補強；全線設置了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，在比較大的區間設置了3處直放站進行覆蓋。

[1] TB10006-2005 鐵路運輸通信設計規范[S].

[2] TB/T3052-2002 列車無線調度通信系統制式及主要技術條件[S].

[3] 鐵道部通信信號總公司研究設計院．《鐵路工程項目設計技術手冊》通信[M],北京：中國鐵道出版社，1994.

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