光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中的適用性研究

王 哲 鐘章隊(duì) 丁建文

GSM－R網(wǎng)絡(luò)沿鐵路線狀覆蓋，列車在運(yùn)行過(guò)程中會(huì)發(fā)生頻繁的越區(qū)切換，其后果就是降低了服務(wù)質(zhì)量。所以減少切換次數(shù)，簡(jiǎn)化切換過(guò)程，避免乒乓切換，及時(shí)快速完成切換，是提高GSM－R越區(qū)切換性能的關(guān)鍵。

1 直放站的問(wèn)題

目前，對(duì)于局部基站密度較小、信號(hào)衰落嚴(yán)重的信號(hào)弱區(qū)或盲區(qū)，采用直放站補(bǔ)充覆蓋。直放站是一種同頻放大設(shè)備，相當(dāng)于一種中繼器，可增強(qiáng)無(wú)線通信信號(hào)，增強(qiáng)射頻信號(hào)功率。雖然鐵路隧道內(nèi)側(cè)壁鋪設(shè)泄漏電纜，采用直放站作信源，可以解決隧道弱場(chǎng)覆蓋問(wèn)題，但仍存在以下缺點(diǎn)。

1．由于直放站對(duì)信號(hào)進(jìn)行了2次轉(zhuǎn)換處理，所以發(fā)送至目標(biāo)區(qū)域的信號(hào)會(huì)有一定程度的失真，同時(shí)會(huì)引入噪聲，傳輸時(shí)延也會(huì)因?yàn)?次變頻而增加。

2．直放站不能與基站設(shè)備共同進(jìn)行網(wǎng)管維護(hù)，一般采用輪巡方式，在設(shè)備告警實(shí)時(shí)性方面較差，查詢狀態(tài)信息速度較慢，基本沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控能力。

3．直放站不能向LTE制式演進(jìn)，不支持?jǐn)U容，需要更加先進(jìn)的技術(shù)代替。

2 光纖拉遠(yuǎn)基站

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)是通過(guò)分布式基站部署實(shí)現(xiàn)的。分布式基站 （DBS）是將基站分成近端設(shè)備和遠(yuǎn)端設(shè)備，即基帶處理單元 （BBU）和射頻拉遠(yuǎn)單元 （RRU），二者之間通過(guò)光纖連接。接口是基于通用公共射頻接口 （CPRI）或開放式基站架構(gòu)（OBASI）接口。

BBU完成基帶處理 （信道編碼、復(fù)用等）、信令處理、本地和遠(yuǎn)程操作維護(hù)，以及NodeB系統(tǒng)的工作狀態(tài)監(jiān)控和告警信息上報(bào)等功能。將繁瑣的維護(hù)工作簡(jiǎn)化至BBU端，便于管理。BBU框架如圖1所示。

RRU是將以前基站功能中的射頻部分分離出來(lái)，安裝在天線端。RRU負(fù)責(zé)無(wú)線信號(hào)的射頻與中頻處理，其內(nèi)部原理如圖2所示。

圖1 BBU框架圖

圖2 RRU原理圖

圖3 單層網(wǎng)覆蓋與光纖拉遠(yuǎn)基站覆蓋下小區(qū)切換對(duì)比示意圖

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)將BBU與RRU分離，一個(gè)BBU可以連接多個(gè)RRU，節(jié)省了成本，同時(shí)由于RRU體積較小，可以靈活分布在鐵路沿線，通過(guò)光纖基站拉遠(yuǎn)、RRU共小區(qū)等關(guān)鍵技術(shù)可以擴(kuò)大覆蓋范圍，解決高速鐵路中切換頻繁問(wèn)題，提高了組網(wǎng)效率。此外，BBU與RRU通過(guò)光纖連接，損耗較低。

多RRU共小區(qū)技術(shù)是基于分布式基站架構(gòu)開發(fā)的。通過(guò)RRU拉遠(yuǎn)，一個(gè)BBU下的多個(gè)Subsite物理上分屬不同站址，邏輯上屬于同一個(gè)小區(qū)。此外，多RRU共小區(qū)技術(shù)還解決了高速環(huán)境下網(wǎng)絡(luò)切換頻繁和弱場(chǎng)覆蓋問(wèn)題。通過(guò)將多個(gè)RRU配置為統(tǒng)一邏輯小區(qū)，同時(shí)使用相同的頻點(diǎn)，可以擴(kuò)大邏輯小區(qū)的覆蓋范圍，不僅可以大幅減少高速列車上移動(dòng)終端的切換頻度，提高高速環(huán)境下的網(wǎng)絡(luò)切換成功率，而且可以有效緩解目前鐵路通信頻率資源緊張的問(wèn)題。同時(shí)，RRU還有星形組網(wǎng)、鏈形組網(wǎng)和環(huán)形組網(wǎng)等方式。RRU共小區(qū)技術(shù)網(wǎng)絡(luò)覆蓋如圖3所示。

光纖拉遠(yuǎn)基站和傳統(tǒng)的光纖直放站相比，主要具有以下優(yōu)點(diǎn)。

1．在傳輸時(shí)延和失真方面，RRU傳輸純基帶信號(hào)，BBU與RRU傳輸過(guò)程中也不會(huì)進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，因此，光纖拉遠(yuǎn)基站可以最大程度減少信號(hào)失真，也不會(huì)引入噪聲和增加傳輸時(shí)延。

2．在監(jiān)控告警方面，光纖拉遠(yuǎn)基站與普通GSM－R基站一樣，采用實(shí)時(shí)監(jiān)控機(jī)制，可以在第一時(shí)間上報(bào)設(shè)備故障，不僅可以監(jiān)控基站自身設(shè)備，還可以對(duì)完整的網(wǎng)絡(luò)性能進(jìn)行監(jiān)控，降低維護(hù)的人工成本。

3．光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)已經(jīng)在3G中得到了廣泛的應(yīng)用部署，各大設(shè)備廠商也在光纖拉遠(yuǎn)基站加大研發(fā)投入，研究在LTE制式中的應(yīng)用。

3 仿真測(cè)試方案

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)雖然在公網(wǎng)中已經(jīng)得到了較為廣泛的應(yīng)用，但是出于鐵路系統(tǒng)安全性等方面考慮，并沒(méi)有在鐵路系統(tǒng)得到應(yīng)用，目前只是在極個(gè)別路段進(jìn)行了試驗(yàn)。針對(duì)這一現(xiàn)狀，提出了無(wú)線光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)測(cè)試方案，并已經(jīng)在北京交通大學(xué)鐵道部GSM－R實(shí)驗(yàn)室開始部署試驗(yàn)。仿真測(cè)試組網(wǎng)如圖4所示。將GSM－R設(shè)備與能夠模擬各種高速鐵路場(chǎng)景的高速無(wú)線信道仿真平臺(tái)相連，組建無(wú)線光纖拉遠(yuǎn)基站高速仿真測(cè)試環(huán)境，進(jìn)行仿真測(cè)試。

圖4 測(cè)試仿真組網(wǎng)圖

測(cè)試平臺(tái)主要基于GSM－R實(shí)驗(yàn)室中興核心網(wǎng)和無(wú)線網(wǎng)絡(luò)，仿真350km／h高速運(yùn)行環(huán)境，將測(cè)試用模塊接入無(wú)線信道仿真系統(tǒng)。

仿真環(huán)境包括4部分：①GSM－R網(wǎng)絡(luò)，含 GSM－R核心 網(wǎng) （HLR／MSC／VLR／SSP／GCR／IWF） 和 無(wú) 線 網(wǎng)（BSC／BTS）；②無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)；③GSM－R終端及QoS測(cè)試系統(tǒng)軟件；④GSM－R QoS地面服務(wù)器及軟件。

無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)由高性能服務(wù)器、信道仿真儀、數(shù)字信號(hào)源、頻譜儀、矢量信號(hào)分析儀、數(shù)據(jù)采集卡及環(huán)形器、衰減器、饋線等硬件設(shè)備構(gòu)成。

仿真的基本原理是將開放的無(wú)線環(huán)境通過(guò)無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，即測(cè)試模塊與無(wú)線基站之間的Um接口不通過(guò)空間信號(hào)傳播，而是將上、下行信號(hào)均通過(guò)射頻線纜接入無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)，由無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)通過(guò)射頻線纜與實(shí)際若干個(gè) （2～4個(gè)）GSM－R基站相連。測(cè)試中通過(guò)控制和設(shè)置無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)，模擬不同場(chǎng)景環(huán)境、速度及干擾等級(jí)條件下的信道，并將現(xiàn)場(chǎng)采集的大尺度電波傳播數(shù)據(jù)導(dǎo)入系統(tǒng)，控制移動(dòng)終端在連續(xù)小區(qū)之間進(jìn)行越區(qū)切換，實(shí)現(xiàn)測(cè)試目標(biāo)。場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)格式處理和歸一化后可導(dǎo)入無(wú)線信道建模與仿真子系統(tǒng)，模擬移動(dòng)終端在不同的小區(qū)間進(jìn)行切換。現(xiàn)場(chǎng)采集的場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)如圖5所示。

圖5 實(shí)測(cè)場(chǎng)強(qiáng)數(shù)據(jù)

圖6為模擬列車在運(yùn)行到不同位置的信號(hào)強(qiáng)度所發(fā)生變化，從而在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境實(shí)現(xiàn)了移動(dòng)臺(tái)越區(qū)切換的全過(guò)程，進(jìn)行小區(qū)切換的性能指標(biāo)分析、高速移動(dòng)對(duì)越區(qū)切換造成的影響分析等。

4 結(jié)論

隨著我國(guó)高速鐵路里程的不斷增加，對(duì)小區(qū)覆蓋要求也日趨強(qiáng)烈。對(duì)光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)在鐵路系統(tǒng)中應(yīng)用進(jìn)行研究，和直放站技術(shù)進(jìn)行對(duì)比，提出了針對(duì)光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)在鐵路高速環(huán)境中應(yīng)用的仿真測(cè)試方案。

光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)具有在公網(wǎng)中成功應(yīng)用的案例，并對(duì)解決高速鐵路中越區(qū)切換頻度過(guò)高、小區(qū)覆蓋范圍較小等問(wèn)題有著明顯優(yōu)勢(shì)。在下一步的工作中，將針對(duì)提出的測(cè)試方案進(jìn)一步深入研究，并在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行仿真測(cè)試，論證光纖拉遠(yuǎn)基站技術(shù)應(yīng)用于鐵路系統(tǒng)的可行性。

圖6 越區(qū)切換模擬

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