分布式基站在我国铁路GSM-R系统中的应用研究

■ 杨锐

分布式基站（DBS）是将基站分成近端设备即无线基带控制（BBU）和远端设备即射频拉远（RRU）两部分，二者之间通过光纤连接，其接口是基于通用公共射频接口（CPRI）或开放式基站架构（OBASI）接口，可以稳定地与主流厂商的设备进行互联。BBU可以安装在合适的机房位置，RRU安装在天线端，这样，将以前的基站模块的射频部分分离出来，通过将BBU与RRU分离，可以将烦琐的维护工作简化到BBU端，一个BBU可以连接多个RRU，既节省空间，又降低设置成本，提高组网效率。同时二者之间采用光纤连接，损耗较低。

1 分布式基站工作原理及技术特点

1.1 射频拉远的工作原理

发送端下行信号经过基带变频、滤波，再经射频滤波，最后经过线性功率放大器后通过发送滤波器传至天馈。接收端将收到的上行信号进行滤波、低噪声放大、射频小信号放大滤波和变频，然后完成模数转换和数字中频处理。RRU系统结构见图1。

RRU与DBS基带部分连接的接口有2种：CPR I及OBASI。RRU与基站控制器（BSC）连接见图2。

1.2 分布式基站技术特点

分布式基站采用分布式架构、多载波技术和高效功放技术，把传统的宏基站设备按照功能划分为2个功能模块：基站的基带、主控、传输、时钟等功能集成在BBU；收发信机、功放等中射频集成在远端射频模块上，射频单元安装在天线端。射频单元与基带单元之间通过光纤连接。RRU有2种类型：传统双密度RRU和多载波RRU。

双密度载频采用单载波功率放大器（SCPA）技术即窄带PA，一块载频板只输出2个频点的射频信号。在SCPA情况下，采用合路器带来信号衰减，使多载波下功放整体效率降低（见图3）。

多载波采用多载波功率放大器（MCPA）技术即引入基于宽带PA，一个载频板支持1～6个频点的动态配置。M CPA情况下，利用同一PA模块对多个载波进行放大（见图4）。

1.3 分布式基站组网

分布式基站RRU与BBU之间支持星形、链形和环形组网方式（见图5）。

1.4 分布式基站的优缺点

分布式基站优点：（1）分布式基站中BBU集中放置，RRU置于室外，RRU环境适应性强。全室外型设计，电压动态范围宽，RRU不需单独设置机房、空调，可安装于室外空地、屋顶、预制水泥杆；（2）BBU容量较大，实现了容量与覆盖之间的转化；（3）多个RRU可共享BBU基带资源，可节省基带投资；（4）分布式基站覆盖技术支持平滑扩容，可通过“扩容不加站”实现对网络的平滑调整；（5）RRU与BBU之间采用光纤连接，可以减少馈缆损耗。

分布式基站存在的问题：（1）分布式基站射频单元出现故障时、更换不如传统基站方便，一般只能直接更换整个RRU设备；（2）RRU设备多为小型化、集成度高的室外型设备，散热不足是RRU的主要问题；（3）RRU和BBU间的光纤无法使用已有的传输网络，只能使用光纤进行传输，基站设备无法实现传输设备对光纤的监控功能。

2 分布式基站在GSM-R系统中的应用

2.1 铁路应用场景研究

我国铁路GSM-R系统最主要的瓶颈在于频率资源不足，目前可供GSM-R系统使用的只有EGSM的4 M b/s带宽，导致很多铁路枢纽地区、并线区段的频率规划困难；采用分布基站技术后可以增大小区的覆盖范围，可使频率复用的距离增大，频率资源利用率提高（见图6）。

目前铁路GSM-R系统承载的最重要业务是CTCS-3级列车控制业务，由于GSM系统的切换会导致电器交换数据（CSD）传输短暂中断，每一次切换都会带来传输干扰，若采用分布式基站，使多个RRU共小区，减少切换次数，适应高速列车通信要求，减少传输干扰对CTCS-3级列控业务的影响。分布式基站RRU共小区见图7。

图4 多载波单元

图5 RRU组网图

图6 分布式基站增加频率复用距离

图7 分布式基站RRU共小区

2.2 铁路线交叉并线区段的无线覆盖

在铁路并线及交叉区段，若采用宏建站覆盖时要控制好基站的切换点及覆盖范围，并对基站选址、网络优化要求较高。如果采用分布式基站RRU共小区的覆盖方式，基站选址和网络优化难度都会大大降低。分布式基站铁路线并线、交叉区段覆盖见图8。

2.3 隧道内的无线覆盖

传统的隧道内覆盖方式均采用光纤直放站+泄漏电缆的方式，在隧道内同样可以采用RRU+泄漏电缆的方式，隧道内可以采用主备用BBU，RRU共小区的方式，可以把切换点控制在隧道之外，同时使用备用BBU提供冗余，提高系统可靠性。RRU隧道内覆盖见图9。

RRU与数字光纤直放站可利用现有成熟的以太网数字光纤传输技术传输基带信号，并共同遵守标准的CPRI和OBSAI接口。使用中可实现RRU和数字光纤直放站的远端机互相替换。

覆盖距离上，两者均可作为基站拉远系统供用，数字光纤直放站用作载波池拉远，RRU可用作基带池拉远。载波池拉远距离取决于小区覆盖半径和光在光纤上的传输速度，数字信号在光纤中传播，其动态范围也较模拟信号大，可以实现远端机更大的信号覆盖；同时，数字信号不随光信号的衰减而衰减，因此其传输（拉远）距离也进一步增加。经计算，最远可达40 km。

维护管理上，RRU是基站设备的一部分，与基站设备同在一套网管中，而直放站设备需要单独设置网管设备，而且目前直放站设备的网管功能都比较差。

组网方式上，RRU作为拉远单元可单独使用，而数字光纤直放站由近端机和远端机组成，实际应用时，近端机是一个，远端机可以是一个或多个，组网上可并联也可串联，组网方式可以多样化，如链形、环形、树形等。

图8 分布式基站铁路线并线、交叉区段覆盖示意图

图9 RRU隧道内覆盖示意图

传输时延上，因为存在2次变频过程，致使数字光纤直放站的传输时延比较大。而RRU直接传送基带信号，时延不明显。

底噪抬升上，数字光纤直放站仅采用模拟数字转换器（ADC）和数字模拟转换器（DAC），此过程只可能引入更多的量化噪声，从而抬升上行噪声。而RRU传输的为纯基带信号，可不用考虑底噪问题。

2.4 分布式基站应用前景

目前国际铁路联盟（UIC）、欧洲铁路通信标准机构（EIRENE）等对分布式基站的应用没有进行明确的定义说明，欧洲铁路也没有分布式基站的应用先例。在我国铁路的联络线、站场等地段分布式基站有部分应用，但在铁路正线、铁路隧道、铁路枢纽地区及高速铁路区段的应用，仍需要通过试验段进行分布式基站的各项功能指标进行测试。目前铁路科研单位已经建成分布式基站的试验环境，通过进一步的测试验证，制定适合我国铁路的分布式基站的规范、标准后，方可进行分布式基站的大规模应用。

3 结束语

通过对分布式基站技术的介绍和铁路典型应用场景的说明，对分布式基站在GSM-R系统中应用的技术方案进行研究分析；分布式基站具有先进的技术和在公网的成功运用案例，并且对解决我国铁路GSM-R无线频率不足、铁路枢纽地区及交叉并线区段的无线覆盖相对于宏基站有着明显优势；希望可以在日后的工程实践中积累更多的经验，通过实际的工程测试数据说明分布式基站适合我国铁路GSM-R系统各种运用场景。

[1] 钟章队，李旭，蒋文怡，等. 铁路GSM-R数字移动通信系统[M]. 北京：中国铁道出版社，2007