光纤直放站在GSM-R系统中的应用

李玲姣

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

铁路无线列车调度通信系统的通信质量直接关系铁路的行车安全。但我国大部分的铁路地处山区及多隧道地区，沿线地形复杂，造成列车无线调度通信系统在这种传播环境中遇到许多弱电场区。为满足弱电场区信号的连续覆盖，解决弱电场区通信问题，现在已采用多种技术方式，如漏泄同轴电缆＋中继器、光纤直放站、无线直放站等。由于目前光纤资源丰富，光纤直放站可靠性高等特点，铁路弱场覆盖解决方案中广泛采用光纤直放站。

1 光纤直放站原理

光纤直放方式系统由近端机、光端机、远端机、天线、漏缆及相关配件组成，其下行信号传输过程为：近端机将基站信号放大，然后送到光端机，转换为光信号通过光纤传送到远端机。远端机把光端机输入的信号进行功率放大，通过天线或漏缆把下行信号覆盖到弱场区。

上行信号传输过程为：移动台信号通过远端天线输入到远端机，将移动台信号放大后送到光端机，转换为光信号通过光纤传送到近端机，然后耦合到基站。如图1所示。

2 链路预算

常用的Ok um u ra-H ata模型的路径损耗中值为：

Lb（ 市 区 ）=69.55+26.16lg(f)-13.82lg(hb)-α(hm)+[44.9-6.55lg(hb)]lg(d)-S(a)

Lb（郊区）=L b(市区)-2[lg(f/28)]2-5.4

L b（开阔区）=L b(市区)-[lg(f/28)]2-2.39[lg(f)]2+9.17lg(f)-23.17

其中GSM-R系统的工作频率f取为930 MHz；机车台天线高度hm取为4 m；移动台天线高度校正因子α(hm)取为6.43；建筑物密度修正因子S(a)，市区、郊区S(a)=0.6 dB，乡村S(a)=-4.95 dB。

设直放站最大输出功率为43 d Bm，发射及接收端馈线及接头损耗共4 d B，功分器损耗为3 d B，发射天线增益为12 d B，设计最小接收电平为-98 d Bm，阴影衰落为12 d B，设计余量为14 d B。基站天线高度hb为30 m，直放站的覆盖范围为城区0.96 km，郊区1.86 km，农村2.79 km。

当采用漏缆覆盖时，根据链路预算，假设漏缆传输损耗为30 d B/km，耦合损耗为68 d B，宽度因子为7 dB，则覆盖距离为1.5 km。

值得注意的是，在隧道区的弱场覆盖设计过程中，经常会出现直放站加挂漏缆后再通过天线覆盖隧道口之后空间范围的情况。由于信号在漏缆传输过程中有一定的衰减，会减小隧道口天线的发射功率，从而影响覆盖距离。如同样采用以上参数，当加挂500 m漏缆后，在未考虑漏缆耦合损耗的情况下，隧道口天线的覆盖范围为城区0.42 km，郊区0.8 km，农村1.19 km。

3 时延分析

GSM-R系统设计规定，当基站信号与直放站信号转换或同一小区的两个直放站之间转换，时延差不大于15 μs。

3.1 基站与直放站均采用全向空间波覆盖

基站与直放站均采用全向空间波覆盖时，一般来说，由于发射功率和天线挂高的不同，直放站覆盖范围比基站小，如图2所示，本文假定图中A点处于二者中点，即D1=D2=0.5D。

BTS空间波信号到达A点的时延为：

B IS射频信号经光纤直放站、光纤和空间到达A点的时延为：

其中 Df=D×5 μs。

两路信号到达A点的时延差为：

可得D≤2.8 km。

该方式不利于发挥基站的覆盖能力。

3.2 基站和光纤直放站间以漏泄同轴电缆连接

图3中A点是时延差最大的地方。

LCX的速比取值0.88，则每公里LCX时延为：3.333/0.88＝3.79 μs。设LCX传输损耗为30 d B/km，基站信号注入LCX电平为40 d Bm，直放站注入LCX电平为33 dBm，可求得：

Tb为BTS信号时延；Tr为BTS射频信号经光纤直放站和光纤的时延；D r为直放站时延，宽带直放站取值1 μs，选频直放站取值5 μs；D f为光纤时延，每公里5 μs；ΔT为时延差，T r与T b的差值，不大于15 μs；对于宽带直放站，D≤2.75 km；对于选频直放站，D≤1.95 km。

3.3 基站以天线方式覆盖、直放站以漏缆方式覆盖

图4中BTS空间波信号到达A点的时延为：

B IS射频信号经光纤直放站、光纤到达A点的时延为：

两路信号到达A点的时延差为：

可得D≤8.4 km。

此方式有利于发挥基站能力。

4 典型应用

弱场覆盖区主要在隧道区域，根据不同类型、不同长度的隧道，需采用不同的隧道覆盖解决方案。

4.1 短隧道

短隧道地区，采用单层网覆盖的方案，如图5所示。

短隧道地区，采用交织单网覆盖的方案，如图6所示。

4.2 中长隧道

中长隧道地区，采用单层网覆盖的方案，如图7所示。

中长隧道地区，采用交织网覆盖的方案，如图8所示。

4.3 长隧道

由于在弱场覆盖设计中，直放站近端机最大可带远端机数为4个。因此，对于单层网覆盖方式，当隧道长度大于10 km时，需要在隧道内放置基站设备，以增加覆盖距离。对于交织覆盖方式，当隧道长度大于3 km时，需要在隧道内放置基站设备，以增加覆盖距离。

5 结束语

随着GSM-R网络的建设，光纤直放站的使用会越来越多，希望在以后的工程实践中，能更好的利用光纤直放站，为铁路通信服务。

[1]钟章队， 李旭， 蒋文怡， 等．铁路综合数字移动通信系统：GSM-R[M]. 北京：中国铁道出版社，2003.

[2]吴克非．中国铁路GSM-R移动通信系统设计指南：光纤直放站在铁路无线通信工程中的应用[M]．北京：中国铁道出版社，2008.

[3]向志华．GSM-R光纤直放站应用简要分析[J]．铁道工程学报，2007(2)：78－83.