既有線GSM-R改造無線子系統技術方案研究

姚欣楠

列車無線調度通信作為保證鐵路行車安全的主要技術手段之一，在鐵路運輸生產中發揮著重要作用。目前國內絕大部分普速干線仍然采用450 MHz無線列調通信系統，且大部分450 MHz車站電臺已超過改造年限，設備老化陳舊，故障率逐年上升，加之區間中繼設備多樣，運用時間長短不一，又加劇影響了通信系統安全運行，因此迫切需要改造450 MHz無線列調通信系統。

根據工業和信息化部《關于無線電臺站規范化管理若干問題的通知》［1］和中國鐵路總公司《關于調整鐵路專用無線通信業務和頻率有關工作的通知》（鐵總運函〔2014〕31號）［2］的要求，“新建、改建鐵路不再安排450 MHz無線列調系統的設計，應全面采用GSM-R系統”。

GSM-R與450 MHz無線列調的比較見表1。從調制技術、信道數量、業務范圍、抗干擾能力及技術先進性等方面，GSM-R技術均明顯優于450 MHz無線列調。雖然目前主流設備供應商已將生產重心轉移到5G等新興技術產品上，后續很難保證GSM-R相關設備長時間的供應、技術支持和維保服務［3］，但是鐵路下一代移動通信系統還處于技術攻關階段，且短期內很難具備工程應用條件［4］。所以將450 MHz無線列調通信系統改造為GSM-R是當前最合理的選擇。

表1 GSM-R與450 MHz無線列調的比較

目前針對既有線GSM-R改造有3種無線子系統技術方案，通過分析這3種方案的不同特性，可對既有鐵路450 MHz無線列調通信系統的改造提供參考。

1 基站+模擬直放站方案

作為以往基建項目的常用方案，需要在車站和區間設置基站，并在路塹、隧道等弱場區設置模擬直放站加天線/漏纜，對基站信號進行延伸覆蓋。基站+模擬直放站方案示意見圖1。

圖1 基站+模擬直放站方案示意

該方案應用于既有線GSM-R網絡改造工程，主要存在以下幾個問題。

1）從技術層面考慮，模擬直放站解決GSMR系統弱場覆蓋時存在2個固有缺陷：①同信源不同模擬直放站之間（或者基站與其所帶的模擬直放站之間）的多徑時延，容易引起多徑干擾；②單個基站如果帶多個模擬直放站，則多個模擬直放站在基站處會產生上行噪聲疊加。這2個問題除了影響特定區段的通話質量外，還限制了區間模擬直放站的站間距和級聯數量。因此在弱場區較多的區間，當弱場區的間距超過同信源模擬直放站所能滿足的距離時，弱場區一般需要設置區間基站。而設置區間基站會導致頻繁的小區切換和重選，降低個呼、組呼的可靠性，及GPRS（通用分組無線業務）傳輸可靠性，進而降低GSM-R系統的可靠性［5］。

2）從經濟層面考慮，設置區間基站需配置傳輸、電源等配套設施，所需機房面積較大，可能會引起鐵路紅線外的征地；模擬直放站最大發射功率一般為5 W，覆蓋距離有限，因此所需設備數量較多。

2 基站+數字直放站方案

由于數字直放站具有時延調整和上行噪聲抑制功能，最大發射功率可以達到20 W［6］，并且具備上行分集接收功能，因此采用數字直放站可連續覆蓋較大區間范圍。該方案與基站+模擬直放站方案最大的不同，是在站間距不大的情況下，僅在車站設置基站，利用數字直放站取代區間基站。同樣，在路塹、隧道等弱場區，利用數字直放站加天線/漏纜進行覆蓋，實現對基站信號的延伸。由于數字直放站的信號與所連接的基站信號之間存在較大的時延，主要是單機時延和中繼轉發時延，因此數字直放站不能與所連接的基站在覆蓋重疊區域同時使用。采用本方案時，基站射頻端口需經過耦合器后連接假負載，基站僅作為信源不直接提供覆蓋。此外，車站基站處還需設置數字直放站連接天饋系統。在有些車站間距較小的區間，或者不存在弱場的平原區段，僅用車站基站+天線覆蓋即可。基站+數字直放站方案示意見圖2。

圖2 基站+數字直放站方案示意

相對于基站+模擬直放站方案，基站+數字直放站方案在既有線GSM-R網絡改造工程中的技術、經濟優勢非常明顯。

1）技術層面。由于數字直放站具有時延調整和上行噪聲抑制功能，因此可以有效地解決由光纜長度差異引起的多徑干擾，并且一定程度上抑制直放站在基站處的上行噪聲［7］。利用數字直放站代替設置區間基站，整體上減少了切換和重選次數，既有利于提高個呼、組呼的可靠性，也有利于組呼區域劃分和節省組呼信道，提高GPRS傳輸可靠性，從而提高GSM-R系統的可靠性。另外，數字直放站傳輸動態范圍大，基站可以連接的數字直放站個數基本不受限制，可以形成更大的小區范圍，使切換區的選擇更加靈活，有利于解決連續短隧道群場景下適合空間波切換區段少的問題。

2）經濟層面。利用數字直放站代替區間基站，能減少在區間點配置傳輸、電源等配套設施，可充分利用既有450 MHz無線列調中繼機房而減少征地。由于數字直放站發射功率遠高于模擬直放站，特別在長大隧道內或者利用漏纜覆蓋的連續隧道群區域，數字直放站的間距可以達到1.5 km甚至更大，因此所需設備數量比模擬直放站要少。另外，數字直放站近端機和遠端機的連接方式可以采用環型或鏈型連接，需要光纜纖芯數也較少。如GSM-R改造工程中利用貫通短段光纜中的4芯（大于3 km隧道區段實現冗余覆蓋時需要主用環及從用環［8］）就可以滿足區間點的光纖接入需求，一般不需要再敷設多余的數字直放站短段光纜。

3 分布式基站BBU+RRU方案

與傳統的基站+直放站方式相比，BBU+RRU方式在對射頻信號的處理上有很大不同。基站沒有射頻單元，直接把基帶信號轉換成光信號，通過光纖傳輸到遠端，在遠端把光信號恢復成基帶信號后調制成射頻信號，射頻處理單元都集中在遠端［9］。該方案與基站+數字直放站方案相比，在既有線GSM-R改造工程上的應用有很多相似點。比如，僅在車站設置BBU+RRU，區間點設置RRU，車站BBU僅作為信源，不直接覆蓋。另外，在有些車站間距較小，或者不存在弱場的平原區段，僅在車站設置BBU+RRU覆蓋即可，區間不再設置RRU。分布式基站BBU+RRU方案示意見圖3。

圖3 分布式基站BBU+RRU方案示意

數字直放站和分布式基站在公網GSM系統中已應用多年，總的來說，分布式基站性能要優于數字直放站。

1） 數字直放站可以通過上行噪聲抑制功能，減少在基站處的上行噪聲干擾疊加，但不能完全消除；而上行噪聲抑制門限如果設置過高，在下行場強較弱的地方容易出現下行通話困難的情況。而分布式基站由于BBU沒有射頻單元，因此遠端RRU對BBU不存在上行噪聲干擾的問題。

2） 分布式基站同一BBU所帶的不同RRU，可以通過設置為異小區來避免相互間的多徑干擾，因此同一BBU所帶的RRU間距僅考慮覆蓋即可。而同一基站所帶的不同數字直放站無法設置為異小區，因此同信源的數字直放站間距還是會受到由空間波引起的多徑干擾限制。

3） 數字直放站需要單獨設置直放站網管；而分布式基站BBU與RRU共用網管［10］，在網管功能上比數字直放站網管更完善。

當然分布式基站也存在一些缺點，各廠家組網方案差異較大，對光纖的需求不同。如果僅使用4芯光纖，部分廠家分布式基站可支持的區間節點數量有限，在某些區段需要新增短段光纜。部分廠家的分布式基站目前還無法做到單套設備主要板件硬件冗余，只能采用同址雙套設備或異址（交織）備份的方式來滿足冗余要求，增加了對傳輸通道、供電及光纜的需求，工程投資也有所增加，而且雙套設備的復雜性將降低整個系統的可靠性和穩定性［11］。此外，數字直放站可以接到任何基站設備，不存在兼容性問題，選型不受限；而每個分布式基站廠家的BBU與RRU之間協議規范不一致，造成不同廠家的BBU與RRU之間無法兼容使用，選型受限。

根據上下行鏈路預算公式及覆蓋距離計算公式，并結合不同的無線電波傳播環境和天線掛高，假設設備輸出功率為5 W（37 dBm），天線掛高30 m，功分器損耗為6 dB，饋線及接頭損耗為3 dB，發射天線增益為17 dB，上行接收天線增益為17 dB，接收饋線及接頭損耗為3 dB，塔頂功分器損耗為3 dB，并考慮相應附加損耗、設計余量等因素，則計算得出站址位于郊區時覆蓋半徑為2.5 km，位于開闊區時覆蓋半徑超過6 km［12-13］。

4 方案比較

綜上分析，3種方案主要優缺點比較見表2。雖然這3種方案在技術上均可實現，但從工程經濟性、可實施性、系統可靠性等方面比較各有優缺點。基站+模擬直放站方案無論從技術上還是經濟上都有劣勢，因此對于既有線的GSM-R改造，不推薦使用該方案。

表2 3種方案主要優缺點

在丘陵和山區，一般車站間區間中繼設備較多，因此若采用分布式基站，則需要新增區間短段光纜；而數字直放站和部分廠家的分布式基站由于區間可帶節點數較多，一般不需要新增區間短段光纜。因此在這種情況下推薦采用基站+數字直放站方案。

在平原地區，由于分布式基站可以設置為異小區，因此設備間距僅考慮覆蓋即可，一般間距可達12 km；而數字直放站，同小區的設備間距受到多徑時延干擾的限制，一般不超過5 km。在相鄰區間中繼點間距超過5 km的情況下，分布式基站方案不需增加區間中繼設備站點，而數字直放站方案需要在車站配置多套基站和近端機，以實現不同基站的異小區設置。因此這種情況推薦采用BBU+RRU方案。

5 總結

在既有線GSM-R改造時，不僅需要從線路的車站間距、地形特點、既有光纜資源等多個方面進行考慮，同時還要兼顧方案的經濟性、可實施性和產品支持度，方可選定具體的無線子系統方案。