包西铁路GSM-R数字光纤直放站方案研究

2013-01-16李庆

铁道标准设计 2013年12期

李庆

(中铁第一勘察设计院集团有限公司,西安 710043)

随着我国铁路GSM-R网络建设不断发展，铁路沿线的地形较为复杂，大弯道、深路堑、隧道等区域通常是基站天线覆盖的弱场区，这些区域的覆盖一般采用光纤直放站结合天线或漏泄电缆覆盖的方式来解决，光纤直放站目前有模拟光纤直放站和数字光纤直放站两种，目前铁路GSM-R网络在解决区间弱场覆盖时仅采用模拟光纤直放站。针对目前铁路无线通信技术的发展趋势，必须统筹考虑GSM-R系统的无线覆盖建设方案，提出采用GSM-R数字光纤直放站来解决当前铁路GSM-R系统在现场实际应用中存在的技术问题。

1 GSM-R数字光纤直放站现状

目前铁路GSM-R网络所采用的光纤直放站，大都建立在射频和模拟传输技术之上，将射频信号调制到光信号中，通过模拟光纤传输系统在近远端之间进行传输，主要完成对GSM-R信号的低噪声放大，选频滤波、功率放大等功能，在GSM-R提供的4M(885～889 MHz，930～934 MHz)带宽内实现GSM-R无线信号的透明放大转发，达到覆盖盲区或弱信号区的目的[1]。模拟光纤传输的固有特性给工程设计和实际应用过程中带来以下几方面的问题。

(1)传输损耗

射频信号随着光信号的衰减而衰减，近端机和远端机之间光缆距离不同造成近、远端机之间射频通路的损耗不同，造成远端机输出功率以及覆盖范围不同。

(2)上行噪声叠加

对光信号的放大同时也将环境噪声进行了放大，因此上行噪声有一个噪声叠加的过程，随着远端的个数增加而增加，这样就会抬升基站的噪声电平，使基站的接收灵敏度和覆盖范围降低[2]，增加2台直放站远端机后引起基站灵敏度下降值增加1.3dB[3]。现有解决办法是每个基站允许接入的直放站数量受限(一般最多采用1拖4的模式工作)[4]，同时带来基站覆盖距离不能过长的问题，每提高1dB，覆盖距离就会减少33～45 m[5]。

(3)传输时延

GSM-R系统在设计时考虑到了时间色散的问题，并利用均衡技术来克服时间色散。均衡技术是指各种用来处理码间串扰的算法和实现方法。

根据GSM协议，手机接收机均衡器最大均衡能力为4 bit[6]，那么能够处理的时延值=4×3.69 μs≈14.8 μs(GSM的bit速率为270 kb/s，则1 bit时间为3.69 μs)[7]。对于双方信号差大于9 dB且超过4TA(时间窗)的延迟反射信号，均衡器将无法处理，被认为是同频干扰信号，因此，在文献[8]中要求光纤直放站的时延(宽带)≤5 μs。在重叠区域内通信的移动终端将由于同频干扰而使通话质量下降，甚至导致掉话。由于光在光缆中的传播速度比电磁波在空间传播速度慢，再考虑光纤直放站的时延，造成工程设计中基站和第一台光纤直放站之间的距离受限(一般不大于3 km)[9]以及远端机之间的距离不能过远(不大于1.7 km)[7]等问题。

(4)组网

射频信号是直接调制在光信号中进行传输的，当光信号由于分配、耦合等原因引起信号强度降低时，其射频信号同样会降低，这样就造成在星型组网时，直放站远端一般不会超过4个[10]，链型组网时，直放站远端一般不会超过3个(因为还要链型组网，还要考虑光/射频信号的分配比、上行底噪抬升、信号一致性等工程问题)，极大地限制了直放站作为信号延伸设备的使用。

2 解决思路

随着大规模集成电路技术的发展，使得采用数字处理技术的直放站的成本大幅降低，针对模拟光纤直放站在实际应用过程中存在的问题，数字光纤直放站替代模拟光纤直放站必将成为铁路发展的趋势。

数字光纤直放站近端机通过提取基站RF信号进行数字滤波出来、变频、数字协议转换、电光转换，通过光纤传输至远端机并还原为RF信号，通过数字方式补偿近端单元MHU(Master Hub Unit)和远端单元RRU(Remote Radio Unit)之间的光损耗，更好的提高系统效率。

数字光纤直放站系统由近端单元(MHU)和远端单元(RRU)组成，采用光缆作为中继信号传输媒体，具有传输距离远、信号质量好、抗干扰能力强、可靠性高等特点。

(1)传输损耗

与传统模拟光纤直放站相比具有利用数字方式补偿光路损耗。

(2)上行噪声叠加

利用数字处理技术抑制噪声，对数字化后的信号采用DSP进行数字处理，DSP可以实现自动监测信号是GSM脉冲信号还是噪声，只输出GSM脉冲信号，而对噪声则进行滤除，因此可以很好地抑制直放站远端放大器引入的噪声[11]。

(3)传输时延

对远端设备进行时延调整，通过增大单个RRU到MHU时延，使距基站较近的RRU与距基站较远的RRU时延一致，使同扇区远端设备之间重叠信号覆盖区域的时延差小于4TA(时间窗)[12]，从而避免多台远端设备覆盖区域之间产生时间色散的现象，增大了直放站间间距，可以灵活调整直放站和天馈线设置。

(4)组网

近端单元和远端单元之间可采用点对多点星形结构、串行连接(直放站远端可以达到7个)[13]、远端单元之间可进行点对点菊花链结构或混合组网结构。

采用数字信号处理技术的数字光纤直放站，可以方便地实现数字预失真技术，从而大大提高放大器的效率，一般来说能将直放站整机效率从模拟直放站的7%左右提高到15%左右。简单估算，20 W额定输出功率的直放站一年可以节省电费近千元(按1元/度计)[14]。

以下通过现场试验数据来分析数字光纤直放站替代模拟光纤直放站的可能性。

3 试验内容

利用数字光纤直放站替代模拟光纤直放站，系统由近端机、远端机、网管监控设备及传输系统构成。系统构成框图如图1所示。

图1 数字光纤直放站系统构成框图

试验地点选择包西线延安到甘泉北区间(34.532 km)，选取尚家沟基站(编号YA-GQB01)及其相应覆盖区间进行试验。

包西线延安到甘泉北区间GSM-R网络采用单层网络覆盖，设计行车速度200 km/h。

GSM-R数字光纤直放站网管系统通过尚家沟基站DDF架到延安车站DDF架之间2M通道及外围网管接入设备进行监控检测，无需增加别的硬件设备。

现场安装位置示意见图2。

图2 数字光纤直放站现场安装位置示意(单位：m)

近端机安装在尚家沟基站设备机房内标准的19U机柜里，尚家沟基站里程标K508+600，1号远端机安装在尚家沟隧道里的一个设备洞内，里程标K510+892，距离尚家沟基站的近端机2 292 m，设备天线输出端口通过1根射频缆连接到功分器后再接到2条漏缆上，通过漏缆对隧道内进行信号覆盖。

2号远端机安装在杨家湾隧道洞口外的1个设备机房内，里程标K512+200，距离尚家沟基站的近端机3 600 m，距离1号远端机1 308 m，设备天线输出端口通过1根射频缆连接到功分器后，一端连接到杨家湾隧道洞内的漏缆上进行信号覆盖，另一端连接到洞外的定向天线上进行洞外区域的信号覆盖。

4 测试结果及结论

4.1 场强测试

采用软件控制结合人员背负测试设备行走区间的方式，通过软件控制路测手机有规律的呼叫车站GSM-R手机来完成整个区间的场强覆盖测试。

表1是没有倒接试验设备之前现场运行模拟光纤直放站的路测相关指标数据和倒接试验设备之后现场运行GSM-R数字光纤直放站的路测相关指标数据。

4.2 光衰试验

在1号远端机光纤接入处串联接入1个光衰减器，通过调节光衰减器(使用光功率计测量光传输功率)的衰减值为15 dB后再接到远端机光纤接口上，再次使用路测设备进行线路相关指标测试(仅测试1号远端机覆盖区域)，验证GSM-R数字光纤直放站远端机末端信号覆盖不受光传输链路功率衰耗的影响，突出数字光纤直放站对比模拟光纤直放站的巨大优势。串接一个15 dB的光衰减器后的线路相关指标测试数据见表2。

表1 现场试验场强测试路测指标数据

表2 串接1个15 dB的光衰减器后的指标测试数据

测试说明如下：

(1)测试线路方向为远离基站，由尚家沟隧道入口到杨家湾隧道出口，直至下一基站方向；

(2)尚家沟隧道内离1号远端机250 m处(往杨家湾隧道方向)的里程标为K581+100；

(3)出杨家湾隧道至下一基站切换点的里程标为K512+810；

(4)下一基站切换点距离杨家湾隧道出口约600 m，两个基站信号覆盖交叠区通话质量良好，越区切换正常。

4.3 测试对比

通过对比以上数据可知：现场更换成GSM-R数字光纤直放站运行之后，相同测试点的场强E值、时延TA值、通话质量等测试指标和原来运行模拟光纤直放站时相应指标的误差都处在可以接受的范围之内，且人为地在光纤传输链路上加入光衰减后，相同测试点的场强E值、时延TA值、通话质量等测试指标和没有加入光衰减前的指标基本相同(动态测试误差≤2 dB)，经过链路时延调平等网络优化之后的数字传输链路的时延比模拟传输链路的时延更为稳定，更能有效解决在实际应用中多个远端单元RRU之间重叠覆盖区域的时延色散问题。

4.4 试验结论

通过现场试验，可以得到与文献[6，10，12，13]相似的结论：GSM-R数字光纤直放站系统设备可以完全替代原来的模拟光纤直放站设备进行信号覆盖，且在保证光功率满足远端机光模块接收灵敏度范围要求的情况下，近、远端机之间的光纤传输链路不受光功率衰减的影响，即射频不随信号的衰减而衰减，在长距离和多分路传输过程中保持动态范围不变；并能通过调整远端机时延可以良好解决实际应用中多个远端单元RRU之间重叠覆盖区域的时延色散问题，体现了数字光纤直放站对比模拟光纤直放站无比的优越性。

通过以上试验和测试，GSM-R数字光纤直放站系统符合设计要求，能够满足现场实际应用需要。