數字直放站交織冗余覆蓋方案研究

喬 楨

(北京中鐵建電氣化設計研究院有限公司 北京 100043)

1 概述

我國西南地區多山區，且存在世界獨有的喀斯特地貌形態。在這種復雜的山區地貌中，既有鐵路線路多連續隧道、橋梁、涵洞等。這些地區的既有鐵路無線通信方式仍采用較舊的無線列調技術。近年來，隨著一些項目的策劃實施，對這些地區的既有鐵路無線通信進行了GSM-R系統改造。但是，這些復雜地形會影響鐵路通信GSM-R系統的網絡信號覆蓋，形成弱場區域[1]。針對這種地形條件，GSM-R系統一般采用光纖直放站＋天線或漏纜方式進行補強覆蓋。

相關鐵路規范要求長度不小于3 km的隧道，GSM-R系統無線覆蓋宜采取冗余覆蓋的方案，提高GSM-R系統的通信穩定性。在大多數既有鐵路GSM-R系統改造工程中，既有區間光纜資源十分緊張，通常只為GSM-R系統預留4芯光纖，且不具備既有槽道等條件進行新設光纜。如果新設光纜，會大幅提高工程的整體造價。因此，在這些工程方案設計階段就需要進行充分全面的研究，如何既能充分利用房屋、電源、光纖等既有資源節省投資，又能滿足相關規范及現場實際需求[2]。

2 GSM-R冗余覆蓋可靠性理論分析

鐵路通信GSM-R系統基站采用無線通信的方式覆蓋鐵路沿線，為鐵路各專業提供通信通道，沿線的連續基站通過通信光纜相互物理連通在一起。沿線若干基站可認為是串聯、并聯狀態[3]。對于串聯結構，系統的可用度是各單元可用度的乘積:

式中，ASYS為串聯結構的可用度；Ai為各個單元的可用度。

但是，對于并聯結構，想要計算系統的可用度，需要先計算系統的不可用度:

式中，USYS為串聯結構的不可用度；Ui為各個單元的不可用度。

因此，并聯結構系統的可用度為:

假設單基站覆蓋情況下，基站子系統的可用度為a。對于同站址雙基站冗余覆蓋，一個基站業務中斷時，只要并列的基站可以提供業務，故障基站覆蓋區域內的業務不會中斷，基站子系統的可靠性為:

對于交織站址冗余覆蓋，一個基站業務中斷時，只要相鄰兩個基站可以提供業務，故障基站覆蓋區域的業務不會中斷，基站子系統可靠性為:

從可靠性公式理論分析，我們可以得出，對于提高整個GSM-R系統可靠性來說，同站址雙基站冗余覆蓋的可靠性略高一些。但是，在工程實際當中，往往需要對工程技術可靠性、建設周期、工程造價等多方面進行綜合考量。尤其是涉及既有線改造的工程，工程成本的節省往往需要特別關注。因此，既有鐵路GSM-R改造工程冗余覆蓋往往采用串聯結構。

3 數字直放站優勢及特點分析

實現鐵路沿線GSM-R通信系統[4]無線信號的無縫隙全覆蓋，除了基站以外，更多地是采用性價比較高的移動通信直放站。而傳統的直放站采用的是模擬技術，雖然技術成熟，但存在設備體積大、易受干擾等不穩定因素。隨著技術的進步，近幾年推出了具有更高性能的數字直放站，從而徹底解決模擬直放站中固有存在的諸多技術問題，大大提高直放站在鐵路通信系統中的實用性[5]。

3.1 數字直放站主要技術優勢

數字直放站的主要技術優勢有組網方式靈活，具有更強的帶外噪聲抑制，降低系統噪聲，改善通信質量；具有時延補償功能，各直放站之間可以進行時延同步調整，減少多徑干擾；光信號傳輸引起的損耗不影響射頻信號大小，使得工程調試更簡單；采用大功率的高線性功放，覆蓋能力較強；具備分集接收功能，確保大功率廣覆蓋上下行鏈路平衡，提高了上行覆蓋質量[6]。

采用數字直放站進行弱場覆蓋時，為獲取系統同步，需要把連接的基站輸出屏蔽，僅作信源。

3.2 數字直放站特點

相對于模擬直放站，數字直放站具有眾多先進性和獨特優點。兩者對比如表1。

表1 數字直放站與模擬直放站對比

其中，時延調整和噪聲抑制功能是兩個凸顯的優勢。由此可以簡單地實現一拖多的組網模式，降低系統噪聲，大大改善通信質量；實現小區更遠覆蓋，減少小區間的頻繁切換，時延調整、補償和同步功能，減少多徑干擾[7]。

4 數字直放站拉遠距離時延分析

數字直放站的拉遠距離時延，直接影響到近端機可以串聯的遠端機數量。相關規范中要求的單機時延是18 μs，實際單機時延通?？蛇_15 μs。數字直放站GSM-R系統采用TDMA時分多址技術，每載頻分為8個時隙[8]。時隙之間的保護間隔很小，為消除MS到BTS的傳播時延，GSM系統采用MS提前一定時間來補償時延，時間提前量的取值范圍是0 ～63 bit，每比特 3.7 μs，工程中，最大時間提前量一般取233 μs。數字直放站中，GSM信號在光纖介質中傳播，其傳播速度是空間中傳播速度2/3。

數字直放站采用漏纜進行信號覆蓋，假設漏纜長度為1.5 km，直放站遠端機距基站為L，則:

式(6)中，信號在空氣中傳播速度為0.3 km/μs，漏纜的傳播速度系數為0.88。因此，數字直放站采用漏纜進行信號覆蓋，直放站遠端機到基站的最遠距離為19.1 km，信號覆蓋的最遠距離為20.6 km?？紤]其他因素的影響，工程中直放站遠端機的最大拉遠距離為18.5 km。

5 交織冗余覆蓋組網方案對比

通過以上理論分析，我們結合工程現場的實際情況，研究了數字直放站在GSM-R弱場的幾種組網方案。數字直放站近端機與遠端機設備之間支持星型、鏈型、菊花型、環型、混合型、交織冗余覆蓋等組網方式[9]。

以既有鐵路典型三站兩區間的工程應用需求為例，假設最大站間距為10 km。傳統的三站兩區間考慮到穩定性，多采用環型組網方式。當采用環型組網方式時，中間某一遠端設備出現光路中斷時，該環上其他各個遠端設備仍能通過環路兩端與近端機連接正常工作，保證GSM-R系統連接的不掉線。三站兩區間環型組網方式如圖1所示。

圖1 三站兩區間環型組網

在車站甲、乙、丙內分別設置3個基站BTS1、BTS2、BTS3，近端機 A、B、C 分別與其相連；近端機 A連接A1～A4四個遠端機；近端機B連接B1～B8八個遠端機，分別位于近端機B的兩側；近端機C連接C1～C4四個遠端機。假設，車站甲、乙之間以A4、B1中間點為基站BTS1、BTS2小區的切換點；車站乙、丙以B8、C1中間點為基站BTS2、BTS3小區的切換點。利用數字直放站的光旁路及光環路功能，近端機A、B、C使用2根光纖組成了典型三站兩區間環型組網。該組網方式應用范圍廣泛，占用的光纖資源較少，可連接的遠端機數量較多，系統可靠性較高，單臺設備故障后可通過環回鏈路傳輸信號，不影響其他設備的使用。

但是，在3 km以上長大隧道等特殊地形條件下，弱場無線覆蓋需考慮采用冗余覆蓋方案。實際工程應用中，為防止某個節點的基站BTS或直放站近端機出現故障，提高網絡的可靠性，采用交織冗余覆蓋的組網方式。

5.1 八光口交織冗余覆蓋

由于傳統數字直放站設備無法對單環組網方式內的各個遠端機實現任意主從的定義，因此，需要采用多光口的近端機來實現多區間的交織冗余覆蓋組網[10-12]。如圖2所示，遠端機A1～A4以近端機A頻點作為主信號，近端機B頻點作為從信號；遠端機B1～B4以近端機B頻點作為主信號，近端機A頻點作為從信號；遠端機B5～B8以近端機B頻點作為主信號，近端機C頻點作為從信號；遠端機C1～C4將以近端機C頻點作為主信號，近端機B頻點作為從信號。

圖2 八光口近端機交織冗余覆蓋組網

這種方案近端機B所在站點只需設置1個基站BTS2作為信源，但需要使用特殊的八光口近端機，設備造價較高，且每個區間均需要占用6根光纖。在既有線光纖資源不富裕的情況下，這種方案還可進一步優化。

5.2 同站址雙設備交織冗余覆蓋

與采用八光口近端機方案類似，同站址雙設備實現交織冗余覆蓋。如圖3所示，在車站乙再設置1個基站BTS′2，為近端機 B′提供信源，作為遠端機A1～A4從信號，以及遠端機B1～B4的主信號。

圖3 同站址雙設備實現交織冗余覆蓋組網

這種方案需要使用2臺四光口的近端機B及B′，且每個區間也需要占用6根光纖，使用的光纖資源較多；此外，近端機B和B′所在站點還需提供2個基站BTS設備作為信源。此方案并沒有進一步節省光纖資源，反而增加了設備數量，加大了投資。

5.3 四光口交織冗余覆蓋

針對以上兩種方案，優化后的四光口交織冗余覆蓋組網可以很好地解決以上問題。如圖4所示，該方案遠端機主、從信號同上述兩種方案，只是主、從信號的下行輸出功率相差值任意可調，主從信號功率差值為(6±1)dB。

圖4 四光口交織冗余覆蓋組網

這種方案相對典型環型組網方式，每個區間需占用4根光纖資源，無需增加基站BTS信源設備、也無需更換近端機設備配置，其優點如下:

(1)近端機只需采用四光口即可實現鐵路典型三站兩區間的交織冗余覆蓋，每2個光口組成了一個單環。

(2)相對于方案一的8個光口近端機，4個光口近端機內部的中頻處理FPGA芯片能力降低至少一半，成本降低；相對于方案二的雙近端機，設備成本也降低了一半。

(3)四光口交織冗余覆蓋組網方式只需要在一個區間中占用4根光纖，較好地節省了鐵路區間光纖資源，尤其更加適用于既有線改造的工程。

(4)根據工程現場實際需求，任意一個遠端機均可隨意定義交織主、從屬性。因此，設備安裝便捷，系統組網靈活，設備具有很強的通用性和兼容性。

(5)每個近端機只需要一個基站BTS作為信源，減少了基站分布數量，節省了工程投資。

6 結束語

在工程實際當中，尤其是涉及既有鐵路改造的工程，往往不僅需要對工程技術可靠性方面進行充分考慮，還需要綜合考慮工程進度及成本。因此，如何充分利用既有設施及資源，加快工程進度，節省工程投資在方案設計階段就需要充分全面考慮。

數字直放站具有組網方式靈活、降噪明顯、時延補償、調試方便等主要技術優勢。將這些技術優勢及特點結合工程實際情況，應用實踐，可以較好地滿足現場實際需求。

對比多種交織冗余組網方案，可發現四光口交織冗余方案是一種可節省光纖資源，節約工程投資，且具備高可靠性的組網方案。這種方案在設備造價、光纖資源利用、實施通用性及兼容性、工程總投資方面均具有一定優勢。目前，該組網方案在相關工程得到了實際應用，質量效益雙贏，希望為其他類似工程提供有益的參考。