交織冗余備份光纖直放站在GSM-R系統中的應用

劉淑榮

(杭州海康威視數字技術股份有限公司，杭州 310011）

交織冗余備份光纖直放站在GSM-R系統中的應用

劉淑榮

(杭州海康威視數字技術股份有限公司，杭州 310011）

為確保高速列車的行車安全，鐵路系統要求全線信號無縫覆蓋，提出交織冗余備份直放站在GSM-R系統中的應用，系統組網到關鍵模塊備份等兩個層面，為信號無縫覆蓋提供可靠性保障。首先介紹光纖直放站的工作原理，其次從系統組網和關鍵模塊備份方面闡述系統的可靠性設計，最后講述交織冗余備份光纖直放站的漏纜檢測功能。

光纖直放站；GSM-R；冗余；備份

1　概述

GSM-R系統是專為鐵路通信設計的綜合專用數字移動通信系統，與GSM系統相比，增加了鐵路通信列車調度、列車控制和支持高速列車等。我國大部分鐵路沿線地形復雜，多隧道、山體和坡地，這些地形對GSM-R信號形成阻擋，產生很多覆蓋盲區。若使用基站對盲區進行覆蓋，會造成極大的投資浪費并使線路運行設備頻繁切換，影響通信效果，故GSM-R系統主要采用漏泄同軸電纜中繼器、無線直放站、光纖直放站等方式解決盲區覆蓋[1]。由于光纖具有資源豐富、傳輸距離遠等優點，GSM-R系統覆蓋廣泛使用光纖直放站。

為確保高速列車的行車安全，鐵路系統要求全線信號無縫覆蓋，因此，應用于鐵路系統中的光纖直放站必須具有較高的可靠性和穩定性。GSM系統中的光纖直放站近端機、光纖線纜和遠端機單點連接，任何一部分出現異常，都無法保證信號覆蓋的連續性。本文提出的交織冗余備份光纖直放站從系統組網、關鍵模塊備份兩個層面保證系統的可靠性，確保信號覆蓋的連續性。

2　光纖直放站的工作原理

光纖直放站主要由近端機、光纖線纜、遠端機和天饋線組成[2]。其中近端機起信號中繼作用，主要由電源模塊、MCU、射頻模塊和光模塊組成；遠端機起信號放大作用，主要由電源模塊、MCU、射頻模塊、光模塊和功放模塊組成。對于下行信號鏈路，無線信號從基站耦合出來進入近端機，經過射頻模塊處理及光模塊電信號轉換為光信號后，通過光纖傳輸到遠端機，遠端機通過光模塊將光信號轉換成電信號，電信號經過射頻模塊處理及功放模塊放大后送入發射天線，覆蓋目標區域。對于上行信號鏈路，移動臺（一般是手機）信號通過天線輸入到遠端機，經過遠端機進行射頻信號處理后，通過光纖傳送到近端機，近端機把信號耦合到基站。具體工作原理如圖1所示。

3　交織冗余備份光纖直放站的可靠性設計

交織冗余備份光纖直放站，首先從組網方面確保系統的可靠性。GSM系統中使用的光纖直放站，每臺近端機可以連接4臺遠端機，近端機的輸出信號是與其相連遠端機的輸入信號。交織冗余備份直放站通過增加一對冗余光模塊實現每臺遠端機可以連接兩臺獲取不同基站信號的近端機，即每臺遠端機有兩個輸入信號，當其中一個輸入信號異常時，遠端機仍能提供正常的信號覆蓋。具體組網框如圖2所示。

其次，交織冗余備份光纖直放站從設備方面確保系統的可靠性，近、遠端機的關鍵模塊采用備份方式，確保設備不會因為某一模塊的故障導致整個系統的功能異常。備份的關鍵模塊主要有供電模塊、通信模塊和功放模塊。

3.1供電設計

交織冗余備份光纖直放站的近端機安裝在機房內，外部供電由機房供電系統保證。遠端機安裝在室外，通過外接不間斷電源(UPS)保證外部供電，UPS外接蓄電池36 V，在市電供電異常情況下，設備仍可正常工作2 h。

直放站近、遠端機采用2塊電源模塊并聯同時工作的熱備份方式。近端機采用2塊小功率的電源模塊并聯輸出28 V電壓，分壓為6 V供MCU及光模塊工作；遠端機采用2塊大功率的電源模塊并聯輸出28 V電壓，其中一路28 V電壓供功放模塊工作，另一路28 V電壓分壓為6 V，供MCU及光模塊工作。

3.2通信模塊備份

交織冗余備份光纖直放站近、遠端機各有3個光模塊相互匹配使用，分別為主光、備份光和冗余光模塊。主光模塊和備份光模塊用于近、遠端機之間的信號傳輸及近、遠端機之間的數據通信，同時，僅有一對光模塊處于工作狀態。默認情況下，工作光路是主光路。當主光模塊故障或光纖斷開等原因造成主光路不通時，工作光路自動切換到備份光路。當主光路恢復正常時，工作光路自動切換回主光路。對于設備而言，光路本身無主備之分，人為定義其中一路具有高優先級，成為主光路。

工作光路的判斷在遠端機上實現，遠端機創建2個接收任務和1個發送任務，分別為主光模塊接收任務、備份光模塊接收任務和發送任務。當主、備光模塊均無故障且主、備份光路同時接收到近端機的發送數據時，處理主光路的接收數據，丟棄備份光路收到的數據，判定當前工作光路是主光路；當主光模塊故障或主光路接收不到近端機的發送數據時，工作光路切換到備份光路。發送任務每隔2 s檢測一次當前的工作光路，如果當前工作光路異常，切換到另一路，并向工作光路發送應答數據包，光路切換流程如圖3所示。

主、備光路信號控制通過調整遠端機的上、下行信號衰減實現。遠端機有個專用的衰減器用于切斷不工作光路的上行信號，確保同一時刻只有一個上行信號，避免上行干擾。主光路工作時，衰減器自動配置為30 dBm，切斷備份光路上行信號；備份光路工作時，衰減器自動配置為0 dBm，切斷主光路上行信號。對于下行信號，通過配置遠端機光模塊內部的衰減器實現主、備光路的切換。

直放站近、遠端機的冗余光模塊之間僅進行信號傳輸，不進行數據通信，MCU通過讀取冗余光模塊的告警狀態判斷冗余光路的通斷。冗余光路信號比主（備）光路信號小6 dB，遠端機外接2根天線，分別輸出主（備）光路信號和冗余光路信號，移動臺（一般是手機）會自動選擇較強的信號作為工作信號。

近端機的主、備光模塊同時處于工作狀態，分別向遠端機的主、備用光模塊發送數據并等待遠端機的回應，近端機根據遠端機回應數據的光模塊獲知當前的通信光路。若近端機主、備光模塊都未收到遠端機的回應數據，近端機的主從鏈路故障告警被觸發，近端機主動將該告警上報給監控中心，工作人員采取相應的處理方案。

3.3功放熱備份

交織冗余備份光纖直放站遠端機具有兩個一致的線性功放，同時處于工作狀態。兩個功放的輸出經過電橋合路后，再經過雙工器雙路輸出，MCU實時檢測每個功放的工作狀態。有一路功放故障時，天線端的輸出功率減半，仍能滿足一定范圍內的覆蓋。

4　交織冗余備份光纖直放站漏纜檢測功能

GSM-R系統中使用的交織冗余備份光纖直放站同時具有漏纜檢測功能。遠端機增加一個漏纜檢測模塊，由信號發生電路和信號檢測電路兩部分組成。一臺遠端機發出的檢測信號通過漏纜傳到相鄰遠端機的檢測信號電路中，檢測信號和發出信號的差值即信號在漏纜傳輸中的實際損耗值，通過對比信號的實際損耗值和理論損耗值來判斷漏纜處于正常狀態、破損狀態或嚴重破損狀態。

5　結束語

本文提出的交織冗余備份光纖直放站已經應用于杭長、甬臺溫、合福等多條高鐵線路，系統運行穩定可靠。交織冗余備份光纖直放站在可靠性方面滿足了鐵路行車安全的要求，但也存在一定的不足，系統中的直放站是模擬設備，存在上行噪聲疊加、傳輸時延不可控等問題，后續將開發交織冗余備份數字直放站解決現存的問題，提高GSM-R系統中的信號質量。

[1]李玲姣.光纖直放站在GSM-R系統中的應用[J].鐵路通信信號工程技術，2010, 7（4）：33-35.

[2]高健，羅華斌.直放站的原理與應用[J].中國無線電，2005，7（7）：30-33.

In order to ensure the safety of high-speed train operation, the railway system is required to cover the entire line with signals. The paper puts forward to use the interleaved redundancy backup repeaters and backup key modules in GSM-R system for ensuring signals seamless coverage. It also introduces the working principles of the fi ber optic repeaters, the reliability design of the system and the detection function of leaky coaxial cables of the repeaters.

optical fi ber repeater; GSM-R; redundancy; backup

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.010

2015-12-05）