數字光纖直放站技術在GSM-R改造中的應用

彭學武

(中鐵第六勘察設計院集團有限公司電氣化設計院分公司，天津 300250)

1 概述

隨著我國既有普速鐵路GSM-R網絡改造工作逐步推進，根據中國鐵路總公司運輸局關于印發《2017年全路電務系統工作要點》的通知（運電信號函[2017]93號），我國既有鐵路無線通信系統改造將推廣數字光纖直放站、分布式基站等新型無線網設備的應用。本文以焦柳鐵路電氣化改造南寧鐵路局管內GSM-R系統改造為例，研究既有線進行GSM-R系統改造采用數字光纖直放站技術的解決方案。

2 數字光纖直放站的工作原理

GSM-R數字光纖直放站系統主要由近端機、光纖、遠端機、操作維護設備構成，如圖1所示[1]。

數字光纖直放站采用軟件無線電技術，近端機在GSM-R基站側將射頻信號進行數字化處理，通過光纖傳送到遠端機，利用遠端機的中頻數字單元變頻還原，經射頻單元再生、放大，實現GSM-R基站信號拉遠覆蓋。

圖1 GSM-R數字光纖直放站系統構成示意圖Fig.1 Schematic diagram of system structure of GSM-R digital optical repeater

對于下行信號鏈路，近端機通過耦合器將來自基站主天線的移動通信下行信號饋送入射頻單元，將其下變頻到中頻信號，然后由數字中頻單元對中頻信號進行數字信號處理，再經光傳輸單元由光纖傳輸至遠端機。在遠端機，信號經光傳輸單元，由數字中頻單元恢復為中頻信號，再經射頻單元將信號上變頻到射頻，最后經天線發射至覆蓋區域。

對于上行信號鏈路，來自移動終端的上行信號經遠端機射頻單元，由下變頻器將上行信號變頻到中頻信號，然后由數字中頻單元對中頻信號進行數字信號處理，再經光傳輸單元由光纖傳輸至近端機。在近端機，信號經光傳輸單元，由數字中頻單元恢復為中頻信號，再經射頻單元將信號上變頻到射頻，最后經耦合器送給基站。

具體工作原理如圖2所示。

圖2 數字光纖直放站工作原理框圖Fig.2 Block diagram of working principle of digital optical repeater

3 工程實例

焦柳鐵路塘豹至柳州段位于湖南省懷化市、廣西自治區柳州市、河池市轄區，線路全長268.116 km，橋梁141座12.18 km，隧道91座32.95 km，橋隧比16.83%。

焦柳鐵路塘豹至柳州段沿線地形復雜多變，隧道密集，多山體和丘陵，無線信號在傳輸過程中受建筑物、地形、地貌等影響，多徑干擾造成的信號衰落較嚴重，易產生覆蓋弱場區。

目前焦柳鐵路塘豹至柳州段無線通信方案如下。

沿線GSM-R數字移動通信系統基站子系統采用單網覆蓋方案，按95%的時間、地點概率下最小可用接收電平為-98 dBm的覆蓋設計，新設基站按3載頻考慮。

在融安站新設基站控制器BSC、PCU各1套，與南寧局MSC同址設置1套碼速變換器TRAU，沿線新設基站設備（BTS）通過2 Mbit/s通道接入融安站新設基站控制器，每3～5個基站組成一個E1環路。

為減少列車運行過程中的小區切換次數以及避免在站區進行小區切換，沿線車站采用合成小區基站，利用雙定向天線對鐵路沿線做鏈狀覆蓋，擴大基站沿鐵路線方向的覆蓋范圍。

在沿線車站設置基站，基站不作為無線信號覆蓋，無線信號采用數字光纖直放站覆蓋，便于數字光纖直放站的時延調整。

區間復雜地段利用數字光纖直放站加漏泄同軸電纜/天線的方式進行無線信號覆蓋。

4 技術方案

1）業務需求

通過GSM-R系統提供語音、數據業務通信平臺，焦柳鐵路塘豹至柳州段GSM-R系統主要實現以下功能：

GSM-R調度通信系統主要技術條件中規定的列調等各項調度通信功能；

列車車次號校核信息傳送；

調度命令信息傳送；

調車機車信號和監控信息傳送；

列車尾部信息傳送；

滿足鐵路沿線維護人員的通信需求，用于養路、橋隧（守護）、接觸網（供電）、水電、電務等部門的區間維護作業通信；

滿足公安、搶修、救援等多部門、多工種的應急通信需求。

2）鏈路預算

根據常用的Okumura-Hata模型，假設直放站最大輸出功率為43 dBm，當天線掛高為30 m時，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[2]。

3）方案設計

根據焦柳鐵路塘豹至柳州段沿線地形情況，以更村—洛滿—福塘兩個區間為例，采用數字光纖直放站技術實現無線信號覆蓋。

在沿線車站通信機械室設置BTS，全線采用“數字光纖直放站+漏纜/天線”方式進行信號覆蓋。

具體方案如圖3所示。

圖3 數字光纖直放站設計方案Fig.3 Design scheme of digital optical repeater

數字光纖直放站支持星型、鏈型、環型、混合型組網，焦柳鐵路塘豹至柳州段GSM-R無線通信系統可使用光纖資源比較緊張，且對組網可靠性要求較高，故采用環型組網方式。

采用數字光纖直放站進行信號覆蓋時，有以下優點。

1）采用數字光傳輸技術，射頻信號傳輸不隨光信號的衰減而衰減，遠端機的無線覆蓋距離不隨光傳輸距離而改變。

2）采用軟件無線電技術，將射頻信號進行數字化處理，實時進行各遠端機與近端機之間時延調整，避免時延色散干擾，保證覆蓋效果。

3）光傳輸部分為數字化傳輸，信號的再生和放大過程均不產生光傳輸噪聲；對于射頻噪聲，數字光纖直放站利用采樣技術與自適應濾波器單獨對各遠端機的上行噪聲進行控制，減少各遠端機上行噪聲的對基站的影響。

4）采用合成小區，可以避免宏基站單個小區覆蓋范圍小，有效減少切換次數。

5）上行具有接收分集功能，可以平衡系統上、下行鏈路信號，提高上行信號的抗衰落性。

數字光纖直放站方案也存在問題：多個直放站遠端機共用一個基站作為信號源，如果基站故障，將出現較長距離的信號盲區，導致通信中斷，需采取電力、設備的冗余配置等措施來加強系統的可靠性。

綜上所述，鐵路沿線地形復雜時，采用數字光纖直放站不失為一種解決區間弱場的可實施性方案。

5 結束語

本文利用焦柳線南寧局管內更村—洛滿—福塘段既有無線列調系統改造GSM-R系統工程為例，重點對數字光纖直放站在GSM-R改造中的應用進行描述分析，旨在提出符合一種可靠又能切合工程實際需求的無線方案，希望為后續工程提供參考。