包西鐵路GSM-R數字光纖直放站方案研究

李 慶

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司,西安 710043)

隨著我國鐵路GSM-R網絡建設不斷發展，鐵路沿線的地形較為復雜，大彎道、深路塹、隧道等區域通常是基站天線覆蓋的弱場區，這些區域的覆蓋一般采用光纖直放站結合天線或漏泄電纜覆蓋的方式來解決，光纖直放站目前有模擬光纖直放站和數字光纖直放站兩種，目前鐵路GSM-R網絡在解決區間弱場覆蓋時僅采用模擬光纖直放站。針對目前鐵路無線通信技術的發展趨勢，必須統籌考慮GSM-R系統的無線覆蓋建設方案，提出采用GSM-R數字光纖直放站來解決當前鐵路GSM-R系統在現場實際應用中存在的技術問題。

1 GSM-R數字光纖直放站現狀

目前鐵路GSM-R網絡所采用的光纖直放站，大都建立在射頻和模擬傳輸技術之上，將射頻信號調制到光信號中，通過模擬光纖傳輸系統在近遠端之間進行傳輸，主要完成對GSM-R信號的低噪聲放大，選頻濾波、功率放大等功能，在GSM-R提供的4M(885～889 MHz，930～934 MHz)帶寬內實現GSM-R無線信號的透明放大轉發，達到覆蓋盲區或弱信號區的目的[1]。模擬光纖傳輸的固有特性給工程設計和實際應用過程中帶來以下幾方面的問題。

(1)傳輸損耗

射頻信號隨著光信號的衰減而衰減，近端機和遠端機之間光纜距離不同造成近、遠端機之間射頻通路的損耗不同，造成遠端機輸出功率以及覆蓋范圍不同。

(2)上行噪聲疊加

對光信號的放大同時也將環境噪聲進行了放大，因此上行噪聲有一個噪聲疊加的過程，隨著遠端的個數增加而增加，這樣就會抬升基站的噪聲電平，使基站的接收靈敏度和覆蓋范圍降低[2]，增加2臺直放站遠端機后引起基站靈敏度下降值增加1.3dB[3]。現有解決辦法是每個基站允許接入的直放站數量受限(一般最多采用1拖4的模式工作)[4]，同時帶來基站覆蓋距離不能過長的問題，每提高1dB，覆蓋距離就會減少33～45 m[5]。

(3)傳輸時延

GSM-R系統在設計時考慮到了時間色散的問題，并利用均衡技術來克服時間色散。均衡技術是指各種用來處理碼間串擾的算法和實現方法。

根據GSM協議，手機接收機均衡器最大均衡能力為4 bit[6]，那么能夠處理的時延值=4×3.69 μs≈14.8 μs(GSM的bit速率為270 kb/s，則1 bit時間為3.69 μs)[7]。對于雙方信號差大于9 dB且超過4TA(時間窗)的延遲反射信號，均衡器將無法處理，被認為是同頻干擾信號，因此，在文獻[8]中要求光纖直放站的時延(寬帶)≤5 μs。在重疊區域內通信的移動終端將由于同頻干擾而使通話質量下降，甚至導致掉話。由于光在光纜中的傳播速度比電磁波在空間傳播速度慢，再考慮光纖直放站的時延，造成工程設計中基站和第一臺光纖直放站之間的距離受限(一般不大于3 km)[9]以及遠端機之間的距離不能過遠(不大于1.7 km)[7]等問題。

(4)組網

射頻信號是直接調制在光信號中進行傳輸的，當光信號由于分配、耦合等原因引起信號強度降低時，其射頻信號同樣會降低，這樣就造成在星型組網時，直放站遠端一般不會超過4個[10]，鏈型組網時，直放站遠端一般不會超過3個(因為還要鏈型組網，還要考慮光/射頻信號的分配比、上行底噪抬升、信號一致性等工程問題)，極大地限制了直放站作為信號延伸設備的使用。

2 解決思路

隨著大規模集成電路技術的發展，使得采用數字處理技術的直放站的成本大幅降低，針對模擬光纖直放站在實際應用過程中存在的問題，數字光纖直放站替代模擬光纖直放站必將成為鐵路發展的趨勢。

數字光纖直放站近端機通過提取基站RF信號進行數字濾波出來、變頻、數字協議轉換、電光轉換，通過光纖傳輸至遠端機并還原為RF信號，通過數字方式補償近端單元MHU(Master Hub Unit)和遠端單元RRU(Remote Radio Unit)之間的光損耗，更好的提高系統效率。

數字光纖直放站系統由近端單元(MHU)和遠端單元(RRU)組成，采用光纜作為中繼信號傳輸媒體，具有傳輸距離遠、信號質量好、抗干擾能力強、可靠性高等特點。

(1)傳輸損耗

與傳統模擬光纖直放站相比具有利用數字方式補償光路損耗。

(2)上行噪聲疊加

利用數字處理技術抑制噪聲，對數字化后的信號采用DSP進行數字處理，DSP可以實現自動監測信號是GSM脈沖信號還是噪聲，只輸出GSM脈沖信號，而對噪聲則進行濾除，因此可以很好地抑制直放站遠端放大器引入的噪聲[11]。

(3)傳輸時延

對遠端設備進行時延調整，通過增大單個RRU到MHU時延，使距基站較近的RRU與距基站較遠的RRU時延一致，使同扇區遠端設備之間重疊信號覆蓋區域的時延差小于4TA(時間窗)[12]，從而避免多臺遠端設備覆蓋區域之間產生時間色散的現象，增大了直放站間間距，可以靈活調整直放站和天饋線設置。

(4)組網

近端單元和遠端單元之間可采用點對多點星形結構、串行連接(直放站遠端可以達到7個)[13]、遠端單元之間可進行點對點菊花鏈結構或混合組網結構。

采用數字信號處理技術的數字光纖直放站，可以方便地實現數字預失真技術，從而大大提高放大器的效率，一般來說能將直放站整機效率從模擬直放站的7%左右提高到15%左右。簡單估算，20 W額定輸出功率的直放站一年可以節省電費近千元(按1元/度計)[14]。

以下通過現場試驗數據來分析數字光纖直放站替代模擬光纖直放站的可能性。

3 試驗內容

利用數字光纖直放站替代模擬光纖直放站，系統由近端機、遠端機、網管監控設備及傳輸系統構成。系統構成框圖如圖1所示。

圖1 數字光纖直放站系統構成框圖

試驗地點選擇包西線延安到甘泉北區間(34.532 km)，選取尚家溝基站(編號YA-GQB01)及其相應覆蓋區間進行試驗。

包西線延安到甘泉北區間GSM-R網絡采用單層網絡覆蓋，設計行車速度200 km/h。

GSM-R數字光纖直放站網管系統通過尚家溝基站DDF架到延安車站DDF架之間2M通道及外圍網管接入設備進行監控檢測，無需增加別的硬件設備。

現場安裝位置示意見圖2。

圖2 數字光纖直放站現場安裝位置示意(單位：m)

近端機安裝在尚家溝基站設備機房內標準的19U機柜里，尚家溝基站里程標K508+600，1號遠端機安裝在尚家溝隧道里的一個設備洞內，里程標K510+892，距離尚家溝基站的近端機2 292 m，設備天線輸出端口通過1根射頻纜連接到功分器后再接到2條漏纜上，通過漏纜對隧道內進行信號覆蓋。

2號遠端機安裝在楊家灣隧道洞口外的1個設備機房內，里程標K512+200，距離尚家溝基站的近端機3 600 m，距離1號遠端機1 308 m，設備天線輸出端口通過1根射頻纜連接到功分器后，一端連接到楊家灣隧道洞內的漏纜上進行信號覆蓋，另一端連接到洞外的定向天線上進行洞外區域的信號覆蓋。

4 測試結果及結論

4.1 場強測試

采用軟件控制結合人員背負測試設備行走區間的方式，通過軟件控制路測手機有規律的呼叫車站GSM-R手機來完成整個區間的場強覆蓋測試。

表1是沒有倒接試驗設備之前現場運行模擬光纖直放站的路測相關指標數據和倒接試驗設備之后現場運行GSM-R數字光纖直放站的路測相關指標數據。

4.2 光衰試驗

在1號遠端機光纖接入處串聯接入1個光衰減器，通過調節光衰減器(使用光功率計測量光傳輸功率)的衰減值為15 dB后再接到遠端機光纖接口上，再次使用路測設備進行線路相關指標測試(僅測試1號遠端機覆蓋區域)，驗證GSM-R數字光纖直放站遠端機末端信號覆蓋不受光傳輸鏈路功率衰耗的影響，突出數字光纖直放站對比模擬光纖直放站的巨大優勢。串接一個15 dB的光衰減器后的線路相關指標測試數據見表2。

表1 現場試驗場強測試路測指標數據

表2 串接1個15 dB的光衰減器后的指標測試數據

測試說明如下：

(1)測試線路方向為遠離基站，由尚家溝隧道入口到楊家灣隧道出口，直至下一基站方向；

(2)尚家溝隧道內離1號遠端機250 m處(往楊家灣隧道方向)的里程標為K581+100；

(3)出楊家灣隧道至下一基站切換點的里程標為K512+810；

(4)下一基站切換點距離楊家灣隧道出口約600 m，兩個基站信號覆蓋交疊區通話質量良好，越區切換正常。

4.3 測試對比

通過對比以上數據可知：現場更換成GSM-R數字光纖直放站運行之后，相同測試點的場強E值、時延TA值、通話質量等測試指標和原來運行模擬光纖直放站時相應指標的誤差都處在可以接受的范圍之內，且人為地在光纖傳輸鏈路上加入光衰減后，相同測試點的場強E值、時延TA值、通話質量等測試指標和沒有加入光衰減前的指標基本相同(動態測試誤差≤2 dB)，經過鏈路時延調平等網絡優化之后的數字傳輸鏈路的時延比模擬傳輸鏈路的時延更為穩定，更能有效解決在實際應用中多個遠端單元RRU之間重疊覆蓋區域的時延色散問題。

4.4 試驗結論

通過現場試驗，可以得到與文獻[6，10，12，13]相似的結論：GSM-R數字光纖直放站系統設備可以完全替代原來的模擬光纖直放站設備進行信號覆蓋，且在保證光功率滿足遠端機光模塊接收靈敏度范圍要求的情況下，近、遠端機之間的光纖傳輸鏈路不受光功率衰減的影響，即射頻不隨信號的衰減而衰減，在長距離和多分路傳輸過程中保持動態范圍不變；并能通過調整遠端機時延可以良好解決實際應用中多個遠端單元RRU之間重疊覆蓋區域的時延色散問題，體現了數字光纖直放站對比模擬光纖直放站無比的優越性。

通過以上試驗和測試，GSM-R數字光纖直放站系統符合設計要求，能夠滿足現場實際應用需要。

5 需要進一步研究的問題

(1)本次試驗速度為200 km/h及以下不采用交織冗余覆蓋的線路。在速度250 km/h以上客運專線等需采用交織冗余覆蓋的線路上，數字光纖直放站系統的設備和通道冗余問題還需深入研究。

(2)本次試驗僅測試數字光纖直放站1拖2的模式，未能試驗數字光纖直放站噪聲抑制能力強，支持遠端機數量大的優點，后期還需通過試驗、測試驗證其可實施性。

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