模擬光纖直放站在機場800 MHzTETRA系統中的應用研究

摘要：首先，概述了模擬光纖直放站的設備組成、工作原理和設備優點；其次，研究模擬光纖直放站在廈門機場800 MHz 陸地集群無線電（terrestrial trunked radio，TETRA）系統中的應用，著重分析了T3 航站樓西側登機口區域和T4 航站樓東機坪區存在的信號問題及解決思路；最后，結合實際應用案例，提出模擬光纖直放站是我國民航中大型機場800 MHz TETRA 系統建設的首選解決方案。

關鍵詞：模擬光纖直放站；TETRA 系統；同頻干擾；時延

中圖分類號：TN929.5 文獻標識碼：A

0 引言

隨著中國民用航空業的飛速發展，800 MHz 陸地集群無線電（terrestrial trunked radio，TETRA）系統在我國大部分主要機場快速部署并且投入使用，為機場航班業務提供強大的通信保障，大幅提高航班業務的開展能力。但是由于建設成本和系統規模的制約，800 MHz TETRA 系統信號弱，其覆蓋能力難以滿足現有機場保障水平的要求。為解決無線信號覆蓋的盲區、弱區等問題，光纖傳輸技術得到了廣泛應用，以此技術為基礎的光纖直放站產品大量應用于室內分布系統中。

1 模擬光纖直放站簡介

1.1 設備組成

模擬光纖線直放站是指由基站源信號端設備（近端機）和信號覆蓋端設備（遠端機）共同組成的系統，其包括射頻單元和光電單元，射頻單元具有無線信號的接收、放大、濾波、發射等功能；光電單元可以實現射頻信號與光信號之間的相互轉換[1]。

1.2 工作原理

下行通信工作原理：近端機通過饋線耦合接收基站信號，利用雙工器進行濾波等處理后，將電信號轉換成光信號，通過光纖長距離傳輸至遠端機。遠端機將接收的光信號轉換成電信號，恢復為原始的射頻信號，該射頻信號經過驅動放大器、功放等一系列處理，并且通過天線發射以完成區域覆蓋。

上行通信工作原理：遠端機接收移動臺信號，在遠端機進行濾波、去噪和放大等一系列處理后，將電信號轉變為光信號，然后通過光纖長距離傳輸回近端機，近端機再將光信號還原為射頻信號并且輸入基站，實現上行信號接收。

1.3 設備優點

模擬光纖直放站具有結構簡單、投資較少和安裝方便等優點，其可以在不增加基站數量的前提下保證網絡覆蓋，從而實現無線通信系統“小容量、大覆蓋”的目標。

相較于具有同樣效果的微蜂窩系統，模擬光纖直放站的造價更低。與無線直放站相比，模擬光纖直放站采用全光纖傳輸，支持多個遠端設備，信號傳輸衰減小，傳輸距離約為20 km，這與傳統的射頻電纜相比也有明顯的距離優勢；模擬光纖直放站采用全光纖傳輸，傳輸速率可達100 b/s，具有傳輸速率高、抗干擾能力強、傳輸信號質量穩定的優點[2]。

與數字光纖直放站相比，模擬光纖直放站雖然不具備數字處理方面的優勢，但其最大的優點是信號時延更低，能更好地滿足機場800 MHz TETRA系統應用，這也是模擬光纖直放站在民航機場應用的巨大優勢。

2 應用案例背景

廈門機場800 MHz TETRA 系統由基站和室內覆蓋系統兩個部分組成。基站主要覆蓋以跑道為中心且半徑為8 km 內的室外區域；室內覆蓋系統部分則主要覆蓋機場航站樓室內信號盲區和弱區，實現機場所有生產場所800 MHz TETRA 系統信號全覆蓋。

基于機場安全、可靠、高效運營等特點，該系統配置兩套主要基站[ 另有一兩載頻（2BR）基站用于遠處生活區的覆蓋，不涉及機場業務]，基站天線分別安裝在機場中心位置和對機坪覆蓋效果最佳的臨近高層建筑物屋頂上，實現一主一備功能，確保基站在突發故障時，所有室外系統用戶仍可繼續通過另一個基站進行通信，有效保障機場航班生產所需無線通信業務的無縫銜接。

因建筑物對基站信號具有隔離和削弱影響，機場T3 航站樓內、貨站一樓和地下室大部分區域信號十分微弱甚至接收不到信號，因此需要建設一套室內覆蓋系統，以滿足機場航站樓內各生產崗位無線對講工作需求。從室內覆蓋系統建成至今，經多次改造提升，系統運行狀況良好，較好地滿足了規范要求、用戶使用需求和航班生產需要。

該800 MHz TETRA 系統的設計與建設早于T4航站樓，故未考慮后續建設的距基站東側2 km 的T4 航站樓。當時評估T4 航站樓指廊室外區域對基站信號不會有明顯的影響，因此信號覆蓋設計方案沒有考慮T4 航站樓外的機坪，僅針對T4 航站樓室內部分進行設計。由于該部分覆蓋范圍較大，故室內覆蓋采用了三級級聯的組網方式，采用先進的數字光纖直放站。在使用過程中，由于T4 航站樓指廊位于基站和T4 航站樓東機坪之間，以及T4 航站樓指廊與T4 航站樓主體形成的“L”形布局等原因，導致東機坪基站信號弱、電磁環境復雜等，經多次設計測試，最終通過技術改造有效解決了這些問題。

3 應用問題與改造設計淺析

3.1 T3 航站樓西側登機口區域信號弱問題分析

T3 航站樓西側登機口區域設計之初，利用行業經驗模型進行分析，設計采用基站天線實現對講機信號覆蓋，但因該區域航站樓兩側采用大型金屬面板包裹覆蓋且屋頂混凝土結構厚度較大，嚴重影響基站信號覆蓋及對講機發射信號接收。

鑒于上述現狀，通過現場信號測量判定影響區域，再經路徑損耗模型及周邊機房情況分析，從以下幾個方面來確定該無線信號設備選型及安裝方式等。

（1）符合技術改造的弱電機房只有兩間，一間是在西側登機口區域中部；另一間在靠近西側登機口區域的出發夾層，弱電機房距離基站實際線纜路由約450 m，傳輸距離是設備選型的重要參考因素。與射頻線纜相比，光纖具有極低的損耗，通常在波長為1.31 μm 的光信號傳輸中，每千米的損耗不超過0.35 dB，而射頻線纜在傳輸800 MHz 的信號時，每千米的損耗超過40 dB；光纖的石英石材質使得它只傳輸光信號不傳輸電信號，并且不受電磁場環境影響，具有較強的抗干擾能力，適合在機場航站樓復雜的電磁環境下工作。

（2）兩間弱電機房均是密閉空間結構，內層是較厚鋼筋混凝土結構層，外層是航站樓金屬結構層。機房外圍信號質量不佳，不適用于無線設備信號取樣；若是天線安裝在航站樓金屬結構層外，存在安裝距離遠、環境復雜、安裝難度大等問題，這些情況說明采用無線直放站對該區域進行信號覆蓋，存在信號質量不穩定和安裝難度較大等問題。

（3）考慮建設成本，相較于數字光纖直放站，模擬光纖直放站成本較低，具備一定優勢，所以最終確定采用模擬光纖直放站。

經過此次技術改造，T3 航站樓西側登機口區域的信號強度得到極大提升。

3.2 T4 航站樓東機坪區信號問題分析

T4 航站樓自投入使用后，因其指廊金屬建筑結構以及電磁環境較復雜的影響，指廊在基站與T4 航站樓東機坪之間形成一個高30 m、長300 m的金屬屏蔽網，基站信號在T4 航站樓東機坪側信號強度明顯偏弱。故當時首先提出的改造方案是就近將室內覆蓋系統直放站的輸出劃分出一路較強的信號覆蓋機坪。具體實施如下：從室內覆蓋系統級聯第一級（T4 指廊9 號弱電間內）直放站（輸出功率為43 dBm）的輸出端插入一個二功分器，將信號分成兩路（每路功率約為40 dBm），其中一路信號仍供給原室內覆蓋系統，另一路信號則引到機坪相對中間位置的接收/ 發射天線，實現對該機坪覆蓋。

此次改造完成后，對T4 航站樓東機坪進行測試，發現信號強度得到了明顯改善，但在一些區域特別是在室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機坪區域，對講機信號強度達到-80 ～ -70 dB，但對講機存在經常脫網、斷話現象，嚴重影響了對講機通信業務，疑似出現了與主基站信號之間的同頻干擾或多徑干擾。

模擬光纖直放站和數字光纖直放站都用于同頻放大系統，而數字光纖直放站因需要兩次變頻，時延較明顯，盡管信號是從第一級直放站引出的，在該室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機坪區域，形成基站信號與數字光纖直放站存在同頻且信號強度均處于-80 ～ -70 dB 的現象，兩者信號相當，即同頻干擾或多徑干擾現象，導致終端對講機無法正常接收信號。

為解決這個問題，測試3 種克服信號干擾的方案，具體的方案與結果如下。

第1 種：通過調整數字光纖直放站的輸入/ 輸出功率和駐波比等參數，優化對講機信號雙向傳輸，進一步驗證各種參數狀態下對講機的使用情況。測試結果表明無明顯改善。

第2 種：通過調整室外天線安裝高度和輻射角度等參數，以及采用滿足TETRA 協議的其他品牌對講機。測試結果無明顯改善。

第3 種：通過將2BR 基站信號通過數字光纖直放站引入T4 航站樓東機坪區域。該方案雖克服了信號斷續的問題，但它難以承接系統的較大通話業務量，故該方案不可行。

以上3 種測試結果表明，現場確實發生了同頻干擾，而引入遠端小型基站無法滿足業務需求。考慮經濟成本與效益，最終采用模擬光纖直放站搭建并測試，即使用模擬光纖直放站（輸出功率為43 dBm）代替原數字光纖直放站，現場天線覆蓋網絡保持不變。現場測試結果如下：① T4 航站樓東機坪室外天線半徑為50 ～ 150 m 的機坪區域中的對講機信號強度有增強，該區域對講機通話穩定，說明不存在同頻干擾現象；② T4 航站樓東機坪及周邊信號穩定，通話得到了明顯的改善，無同頻干擾現象。

測試通信效果表明，采用模擬光纖直放站的方法是最佳方案，原因包括兩個方面：一方面，增設基站有明顯缺點，如項目成本投入極大、需要再申請額外頻段、建設周期較長；另一方面，數字遠端機信號時延比模擬光纖直放站設備時延（約為1.5 μs）長，這通過實際案例應用也得到進一步驗證。

4 應用場景探討

現有民航無線通信系統承載機場航班生產的即時通信，該系統是機場的核心系統，要求做到信號全面覆蓋、信號穩定、無信號弱區和盲區。而航站樓因特殊的建筑物結構及金屬鋼結構使得信號傳輸畸變，電磁環境變得復雜，實現信號全面有效覆蓋難度加大。考慮投資成本和頻譜資源，機場采用數量疊加方式設置基站的方案并不可取，故在滿足機坪主要通信范圍條件下，采用模擬光纖直放站實現室內覆蓋的方案成為首選。

大規模的室內覆蓋系統采用數字光纖直放站具有獨特的優勢，這通過現有運營商公網覆蓋案例就足以說明，但數字光纖直放站固有的弱點——時延還需要降低。

對于運營商公網的設計，一方面考慮到諸多因素，基站采用的是微蜂窩結構方式，每個公網基站在實際應用中的覆蓋范圍通常只有百米左右，這個強度的信號穿透到建筑物內后，已經可以忽略不計；另一方面，由于手機最大功率不高于200 mW（因為貼身使用，功率過大會對人體產生電磁傷害并且增加終端耗電），為保證上行通信效果，建筑物內室內覆蓋系統中的天線間距不宜過大，這使得天線下行輸出功率較小，這種結構使得室內覆蓋系統和基站幾乎互不干擾。因此，先進的數字光纖直放站可以正常應用在這種場景，不會出現同頻干擾現象。

800 MHz TETRA 系統基站信號能夠大面積覆蓋，其終端對講機最大功率可達1.8 W，即使室內天線間距較大（直線可視距離500 m 以上）也能保證上行通信質量。為保證下行通信效果，天線下行輸出功率也必須達到一定強度，這樣在使用數字光纖直放站的情況下，一旦建筑物隔離度（無線電屏蔽、衰減程度）不足，很容易產生同頻干擾[3]。例如，T3 航站樓3 樓出發廳靠近基站一側部分區域（采用室內數字光纖直放站）與基站僅有一墻之隔，但會出現掉話現象，通過采用模擬光纖直放站并且憑借其低時延優勢，能有效解決該問題。

5 總結

目前，我國民航機場更多傾向于室外機坪區域和室內航站樓區域各自獨立建設基站進行信號覆蓋，但它的缺點是投入成本高、頻譜占用多及安裝要求高。對于類似廈門機場的中大型機場，采用兩個室外機坪主基站加室內模擬光纖直放站的方案，既能較好滿足機場生產無線通信業務需求，又能有效減少資金投入，實現安全、可靠、全面覆蓋的目標，該方案是同規模中大型機場800 MHz TETRA系統建設首選。

參考文獻

[1] 楊帆. 光纖拉遠基站系統及其在高速鐵路中的應用研究[D]. 北京：北京交通大學，2009.

[2] 孫德福. 800 MHz CDMA 光纖直放站設計及實現[D]. 成都：電子科技大學，2004.

[3] 關瑞霞. 直放站的理論研究與干擾分析[D]. 西安：西安電子科技大學，2006.