GSM-R交织组网直放站接入基站的容量分析

2011-12-31刘辉

铁路技术创新 2011年2期

■ 刘辉

1 概述

在GSM-R无线通信系统中，为保证铁路沿线特别是山地、隧道、路堑等常规通信盲区的正常通信，通常采用光纤直放站设备对基站信号进行延伸覆盖。使用光纤直放站进行覆盖的优点是投资少、安装方便、对工作环境要求低，可以很快地解决GSM-R通信信号覆盖问题。

由于直放站是有源设备，直放站内部有较多有源放大器件，相关噪声（包括设备本身噪声和环境噪声）经过放大和有效路径损耗后进入基站，常常会提高接收机噪声电平，导致施主基站的接收灵敏度下降。一般来说，由于GSM-R信号要求沿铁路线线状分布，通常一台直放站无法满足信号的覆盖需要，出现一个基站带多个直放站的情况，而在直放站设备较多情况下，其噪声积累效应直接影响施主基站的覆盖和容量。

特别是在高速铁路GSM-R直放站系统中，为保证信号覆盖的稳定性，直放站设备往往要求交织组网，当主从任意一个基站或光纤发生故障时，系统都能保证GSM-R系统的正常覆盖和通信。这种直放站组网方式提升了系统的稳定性，但同时由于基站会同时接收到主、从直放站的上行噪声，在一定程度上加大基站引入的噪声。因此必须对系统中直放站数量及引入噪声进行分析，从而保证基站的接收灵敏度和上行容量。

2 基站及直放站底噪相关计算及公式推导

2.1 基站设备自身噪声计算

基站底噪PBTS=10lg（K×T×B）＋ NFBTS（1）

式中：K——波尔兹曼常数，取1.38×10-23J/K；

T——开氏温度，取常温290 K；

B——信号带宽，GSM-R系统信号带宽 200 kHz；

NFBTS——基站噪声系数。

在GSM-R系统中，10lg（K×T×B）是一个常数，其值为-121 dBm。

2.2 单个直放站引入噪声计算

直放站引入噪声是指直放站所产生的噪声经放大和传输路径损耗后，到达基站接收端口的热噪声电平。

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP＋GREPup-PLoss（2）

式中：NFREP——直放站噪声系数；

GREPup——直放站上行增益；

PLoss——基站到直放站路径衰减值。

基站到直放站路径衰减值可以通过基站输出功率、直放站输出功率、直放站下行增益来计算：

WBS-PLoss＋GREPdown=WREP（3）

式中：WBS——基站输出功率；

WREP——直放站输出功率；GREPdown——直放站下行增益。

合并公式（2），（3）可得：

PIN=10lg（K×T×B）＋NFREP-（GREPdown-GREPup）-（WBS-WREP）（4）

由于10 lg（K×T×B）是一个常数，因此由公式

（4）可得出以下结论：

在理想状况下，单个直放站引入噪声只与直放站本身噪声系数NFREP、下行与上行之间增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）有关。

2.3 引入直放站后对基站噪声的抬升值计算

系统噪声为指数形分布，因此引入单个直放站后对基站噪声的抬升可用以下公式计算：

引入单个直放站后基站噪声抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN/10）/ 10PBTS/10] （5）

引入n个直放站后基站噪声抬升：

ROT=10lg[（10PBTS/10+10PIN1/10+10PIN2/10+10PIN3/10+

……10PINn/10）/10PBTS/10] （6）

在同一系统中，一般使用同一厂商相同配置的直放站设备，由于相同配置直放站引入噪声基本相同，所以公式（6）可以简化为：

ROT=10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] （7）

对于基站来说，通常有一个系统噪声最大恶化值ROTMAX，因此要保证最终基站噪声的抬升值小于系统噪声最大恶化值，即ROT＜ROTMAX，即：

10lg[（10PBTS/10+n×10PIN/10）/ 10PBTS/10] ＜ROTMAX（8）

对公式（8）进行进一步推导，可得：

lg n＜（PBTS-PIN）/10+lg（10ROTMAX/10-1）（9）

将公式（1），（4）代入公式（9）中，可以得到：lg n＜[（NFBTS-NFREP）+（GREPdown-GREPup）+（WBSWREP）]/10+lg（10ROTMAX/10-1）（10）

由公式（10）可得出以下结论：

在理想状况下，一个基站所允许接入的直放站数量只与基站和直放站本身噪声系数的差值（NFBTS-NFREP）、直放站下行与上行之间增益差值（GREPdown-GREPup）、基站和直放站功率差值（WBS-WREP）以及基站允许噪声的最大恶化值有关。

当然，引入直放站后，由于基站噪声抬升，会减小基站及直放站设备的上行通信半径。因此，对直放站数量进行规划后，还需根据相应覆盖要求及现场工程设备的实际情况，对上行通信半径进行计算，以确保GSM-R手机接入系统的可靠性。

3 GSM-R交织组网直放站接入基站实例分析

某隧道长约16 km，隧道口两端各安排一个基站，要求使用直放站和泄漏电缆对整个隧道进行覆盖，每台直放站设备功率为5 W（37 d Bm），要求保证使用直放站后隧道内GSM-R通信信号的无缝覆盖。

通过基站及直放站指标可以确定：基站功率为20 W（43 dBm），自身噪声系数为4，允许噪声恶化3 dB，直放站自身噪声系数为4，主要分配在上行低噪放大器及光模块上。

将相应数据代入公式（10）中，可得：

lg n＜[（4-4）+（GREPdown-GREPup）+（43-37）]/10+lg（103/10-1）（11）

根据公式（11）可得，当直放站下行增益比上行增益大7 dB时，可接入19个远端，当直放站下行增益比上行增益大8 dB时，可接入25个远端。

考虑到隧道内避车洞间距及设备安装方便，对于16 km的隧道，安排设置16个远端，这样每个直放站近端分别带8个主设备和8个从设备。理论上，在这种情况下，只需保证（GREPdown-GREPup）大于7 d B即可，但为了尽量减少直放站设备对基站的噪声影响，在设计中将（GREPdown-GREPup）调整为10 d B，但是在此情况下，上行信号的通信半径会有所降低，因此，还要再计算一下（GREPdown-GREPup）=10 dB时，上行信号是否能满足无缝覆盖的要求。

下行增益GREPdown=37 d B-43 d B=-6 d B，则上行增益GREPup=-6 dB-10 dB=-16 dB。

按图1设置系统增益。泄漏电缆采用1-5/8”辐射型漏缆，以其技术指标为例进行计算，在各频段内的传输损耗和耦合损耗见表1。

网络覆盖及服务质量应达到以下要求：直放站远端机接收灵敏度≥-89 dBm；覆盖区内无线可通率≥99％；

该型泄漏电缆在900 M Hz 频段内传输损耗为27 dB/km，2 m处耦合损耗为84 dB。

泄漏电缆的空间耦合损耗与距离的对应关系为：

LS（dB）=84＋10×lg（d/2）

整个泄漏电缆的损耗（包括传输损耗和空间耦合损耗）的计算公式为：

Loss（dB）=27×S /1 000＋LS=27×S /1 000＋84＋10×lg（d/2）（12）

式中：S ——泄漏电缆长度，m；

d ——用户机离泄漏电缆的距离，m。

GSM-R手机的输出功率为30 dBm，2 m处泄漏电缆的耦合损耗-84 d B，人体阻挡-5 d B，直放站最弱接收场强-89 d Bm。将以上数据代入公式（12），可以得到泄漏电缆的最大覆盖距离S=1 112 m。

根据隧道方案，隧道内单根泄漏电缆最长距离为1 000 m。因此，在现有覆盖距离下，GSM-R手机上行

表1 辐射型泄漏电缆在各频段内的传输损耗和耦合损耗

信号完全可以满足系统接收要求。

4 结束语

由以上理论及实例分析可以得出：只要对基站及直放站系统进行充分的分析和计算，可以很方便地确定基站及直放站系统的分布、位置和数量，并确定当前系统是否满足覆盖全路段的需要。同时，应考虑高速铁路GSM-R直放站交织组网延伸覆盖系统是一个综合性、全方位的覆盖工程，理论计算和试验段测试结果不一定能完全照搬到实际工程中去。例如直放站设备放大器件线性度的恶化、设备内部射频连接线松脱、天馈线系统接头连接工艺不达标、跳线接头松动、无源器件受雨水腐蚀和氧化等，都有可能抬升基站噪声。因此，从系统方案设计开始，在满足系统正常工作情况下，应尽量留出一定储备量，保证系统在恶劣环境下能够正常工作。