小功率光纤直放站在铁路GSM-R移动通信系统中的应用

2010-05-08陈宏达

铁路通信信号工程技术 2010年6期

陈宏达

（中铁工程设计咨询集团有限公司，北京 100055）

金融海啸蔓延全球的今天，新建铁路成为我国拉动内需的重要手段，作为铁路建设的重要内容之一，GSM-R网络建设也取得了重大进展。GSM-R移动通信系统的建设离不开光纤直放站，现行技术规范要求室外光纤直放站的标称输出功率最小为1 W，国内工程中，往往“一刀切”，统一采用5 W及以上的较大功率直放站。下面针对工程实例，结合国外小功率直放站的应用经验，探讨在我国铁路GSM-R移动通信系统中采用小功率光纤直放站的可行性。

表1 Ⅲ型电缆电气性能

1 理论分析

实际工程中，GSM-R移动通信系统场强覆盖盲区一般出现在丘陵和路堑地段、隧道区段（包括短隧道、长大隧道、隧道群等）、长大区间（包括长大桥梁、泄洪区等）、城区以及大型站房、地下通道、调度所等处。以上各种弱场地段除长大隧道、长大区间外，多数为短段，一般只有几百米甚至几十米，采用“光纤直放站+漏泄电缆或天线”的方法不需传输系统，施工方便，投资少。

（1）采用漏缆时的场强预测

根据铁道部《铁路通信漏泄同轴电缆》（TB/T3201-2008）的规定，GSM-R移动通信系统所采用的Ⅲ型电缆电气性能如表1所示。

现行技术规范《GSM-R数字移动通信网设备技术规范第五部分：中继传输系统（V1.0）》要求室外光纤直放站的标称输出功率为1、2、5、10、20 W（容差±2 dB范围内）。目前，我国GSM-R移动通信系统多采用1-5/8 in漏缆，下面计算直放站输出功率为20 W、移动台语音单元及数据单元最大输出功率均按8 W考虑情况下的传输距离，如表2、3所示。

续表

表2 直放站（输出功率20 W）上下行链路预算表（1-5/8 in 漏缆覆盖）

按照上面的计算方法可以得出使用1-5/8 in漏缆时，直放站在不同输出功率情况下的传输距离，如表3所示。

表3 直放站传输距离表（1-5/8 in漏缆覆盖）

通过以上计算可以看出,采用“光纤直放站+漏泄电缆”的方法进行弱场补盲时,即使直放站采用较小的输出功率,其覆盖距离也比较远。由于已经考虑了功分器损耗,当直放站输出向两边覆盖时,其覆盖距离增加一倍,完全可以满足现有工程中多数弱场的覆盖。

（2）采用天线时的场强预测

下面计算采用“光纤直放站+天线”的方法进行弱场补盲时，在直放站输出功率为20 W、移动台语音单元及数据单元最大输出功率均按8 W考虑情况下的设计允许路径损耗值，如表4所示。

按照上面的计算方法可以得出直放站在不同输出功率情况下的设计允许路径损耗值,然后采用Okumura-Hata模型,根据上述计算结果预测直放站天线高度分别为10、20、30 m,移动台天线高度为4 m的情况下，直放站的覆盖距离，如表5所示。

表4 直放站（输出功率20 W）上下行链路预算表（天线覆盖）

表5 直放站传输距离表（天线覆盖）

通过以上近似计算可以得出,采用“光纤直放站+天线”的方法进行弱场补盲时,当移动台数据单元、语音单元均按8 W考虑的情况下，即使直放站输出功率为23 dBm，单天线最短也可覆盖290多米。由于已经考虑了功分器损耗, 当直放站采用双定向天线向两边覆盖时,其覆盖距离增加一倍，加之铁路走向呈平直线状，两侧建筑、树木等遮挡物也与之有一定距离，实际的覆盖距离会更远。

从以上近似计算中还可以看出，当直放站输出功率大于37 dBm时，其覆盖范围不再随输出功率而增大，说明此时覆盖距离受移动台输出功率限制，因此，可以认为直放站输出功率（每载波）的有效取值最大为37 dBm。值得提出的是，计算中并没有考虑直放站的上行噪声，如考虑此因素，直放站输出功率（每载波）的有效取值最大应为33 dBm左右。高于此值，理论上说，不会再有更好的覆盖效果，上行噪声的问题在采用漏缆时的场强预测计算中也同样存在。

综上所述，直放站采用较小输出功率时的天线覆盖范围完全可以满足现有工程中多数弱场的覆盖。

2 实例分析

（1）设计实例分析

某客运专线，铁路两侧地形为城区，沿线区间地形为郊区和农村，共设隧道3座，GSM-R移动通信系统基站子系统采用普通单网覆盖方式，其直放站布置的相对位置如表6所示。

表6 某线GSM-R移动通信系统直放站布置相对位置表

由表6可知，本案中漏缆覆盖弱场的最大距离为980 m（490×2），天线覆盖明区间弱场的最大距离为几百米，采用小功率直放站完全可以满足覆盖要求。

（2）工程实例分析

目前，我国已有多条铁路开通GSM-R移动通信系统，如武广线、大秦线、胶济线和青藏线等，上述铁路GSM-R移动通信系统开通直放站实际输出功率多数为1 W以下。以某线为例,列车运行速度大于280 km/h, GSM-R移动通信系统基站子系统采用单网交织覆盖方式,我们截取一小段开通后输出功率较小的“光纤直放站+漏缆覆盖”的无线场强测试图，如图1所示。

图1所示直放站输出功率均为0.3 W,考虑到直放站上下行链路平衡及隧道内避车洞间距等因素，在满足交织覆盖的情况下,直放站的设置间距为1 km。从图1中可以看出，系统场强值均在-80 dBm以上。

再截取一小段同一工程中，开通后输出功率较小的“光纤直放站+天线”的无线场强测试图，如图2所示。

图2所示两处直放站输出功率均为0.5 W, 天线增益均为15 dBi，天线挂高分别为20、25 m，直放站设置位置均为路堑，要求直放站补盲距离分别约为500、700 m（图中未表示基站的设置情况）。从图中可以看出，系统场强值均在-80 dBm以上。

综上所述，实际工程中，直放站采用较小输出功率的覆盖效果多数情况下可以满足系统需要。

3 结论

在我国GSM-R移动通信系统中，根据实际情况采用室外小功率光纤直放站是可行的，可以满足国内工程多数弱场的需要。采用小功率直放站有以下几点好处。

（1）由于标称输出功率较小，直放站的功放器件、射频器件、电源器件等价格便宜，可以大大降低设备成本，同时，设备体积变小，设备外壳成本也随之降低。

（2）为满足现行技术标准中直放站工作频带内、外互调干扰最大值要求，目前使用的直放站功放器件大多采用“回退”技术，这无疑使功放器件工作在较高功率下，采用小功率直放站可以从整体上降低功放器件功率，减少发热量，从而提高设备的可靠性。

（3）小功率直放站可以有效减轻对自由空间的频率污染，满足环保要求。

（4）由于小功率直放站设备重量减轻，设备体积变小，在一定程度上降低了劳动强度，为现场施工带来方便。

4 存在问题

（1）我国GSM-R移动通信系统中，普遍使用的移动台语音单元标称输出功率为8 W，而数据单元多为2 W，目前只有Segem和Kapsch等少数厂家生产的移动台数据单元标称输出功率为8 W，也就是说如果移动台数据单元按2 W考虑时，若要保证数据业务畅通，则直放站的覆盖范围会在一定程度上缩小，这一点应该引起注意。

（2）在上下行链路平衡的设计思路下, 国内各厂家直放站能否满足在不同列车运行速度下的设计最小接收电平值要求。

理论计算中，以直放站输出功率20 W为例,为满足上下行链路平衡，直放站设计最小接收电平按列车运行速度分别为-102、-99、-96 dBm。粗略计算一下，GSM-R移动通信系统频道间隔为200 kHz，噪声功率谱密度为-174 dBm/Hz，那么200 kHz带宽内的噪声信号功率约为-121 dBm，再考虑12 dBm的信噪比以及95%的时间地点概率，直放站的最小接收电平很难达到理论计算值要求，此时，保证上下行链路平衡的唯一办法就是下调直放站输出功率，因此，将直放站的标称输出功率设置为20 W是否有意义值得深入探讨。