GSM-R弱场覆盖研究

■ 上官兴鑫

GSM-R系统在我国铁路建设中的作用越来越重要，对GSM-R网络设备及网络覆盖设计的要求也在不断提高，设计成功与否对GSM-R网络服务和建设成本具有重大影响。针对GSM-R网络弱场覆盖过程中常见的3个问题进行分析。

1 弱场覆盖冗余要求

高速铁路中，GSM-R网络不但需要保证列车高速运行时能提供高质量的服务及进行正常的小区重选及切换，而且要求出现单点故障时也能保证列车正常运行。GSM-R系统通常采用交织覆盖方式，在弱场覆盖方案设计中建议光纤直放站的组网方式同样按照此原则设计（见图1）。每个远端机均应设计成接收到来自2个基站的信号（主基站和从基站），建议采用主基站信号光缆传输和备用光缆传输设计原则，当主基站信号光缆故障时，主基站信号可以通过备用光缆传输。从属基站信号将通过第三根光纤接口连接到远端机上，确保当主基站宕机后整个隧道中的通信不会中断。主用基站和从属基站均连续工作，但工作在不同载频上。从属基站的输出功率比主用基站约低6 d B（见图2）。正常工作时用户采用主用基站信号，当主用基站宕机后，在隧道中的移动台实时切换到冗余基站上。

采用以上设计思路完全可以满足弱场区段的覆盖方案在以下非连续点故障情况下系统仍能正常工作。

（1）直放站远端机单点故障（光远2），信号场强及切换区域变化见图3。

覆盖：光远1与光远2中点和光远2与光远3中点之间电平下降，其他区域无影响。

图1 弱场覆盖冗余设计

图2 弱场覆盖冗余设计信号场强及切换区域示意图

切换：切换区域左移至光远2附近。

（2）直放站近端机或基站单点故障（光近B或基站B），信号场强及切换区域变化见图4。

覆盖：标段2的覆盖电平下降6 dB。

切换：切换区域移至区间右端与下一个基站信号交叠覆盖区之间。

（3）直放站单个模块故障（电源模块、功放模块、光模块）。

覆盖：不受任何影响。

切换：不受任何影响。

（4）漏缆单点故障（光远3与光远4之间），信号场强及切换区域变化见图5。

覆盖：随漏缆问题点变化。

切换：切换区域不变。

2 信源基站与隧道口远端机距离要求

当隧道口地理环境影响基站选址时，弱场覆盖设计过程中经常遇到图6所示场景。信源基站与隧道口远端机天线相向而设，此时如果来自信源基站与远端机的2路信号时延差大于15μ s，并且同频干扰保护比小于12 d B时将产生多径干扰现象。设计阶段为避免此问题，应对信源基站与隧道口远端机距离要求进行分析。

分析条件设定：光纤直放站系统传输延时1μs；空中电磁波传播3.3μs/km，光纤传播4.8μ s/km；BTS方向延时T 1=D 1×3.3μ s；直放站方向延时T 2=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs；D=D 1+D 2；时延差T=T 2－T 1=D×4.8μs+1μs+D 2×3.3μs-D 1×3.3μs=D×8.1μ s+1μ s- D 1×6.6μ s。

式中：D为信源基站天线与隧道口远端机天线之间距离；D 1为信源基站天线与用户终端之间距离；D 2为隧道口远端机天线与用户终端之间距离。

当满足以下条件时，不会产生多径干扰现象。

（1）T＜15μs。当来自于信源基站与隧道口远端机2路信号时延差小于15μs时，不会产生多径干扰现象。即T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，当D 1越小时T越大，D 1为0时T最大，此时T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s＜15μ s，可得D＜1.72 km，即当信源基站与隧道口第一个远端机距离小于1.72 km时，不会产生多径干扰现象。

图3 远端机单点故障时信号场强及切换区域变化示意图

图4 基站或近端机单点故障时信号场强及切换区域变化示意图

图5 漏缆单点故障时信号场强及切换区域变化示意图

图6 隧道口基站与远端机天线相向而设

（2）T≥15μ s且C/I＞12 d B。当来自于信源基站与隧道口远端机2路信号时延差大于15μ s时，如果该点移动台接收信号的同频干扰保护比大于12 d B，同样不会产生多径干扰现象。当T=D×8.1μ s+1μ s－D 1×6.6μ s≥15μ s时，可得D与D 1关系（见图7）。在D≥1.72 km的横轴任意一点时，D 1取值为垂直于该轴的直线与阴影区域的重叠部分。

在D取值使T≥15μ s时，C/I需要大于12 d B才不会产生多径干扰现象。就移动台接收点C/I进一步分析。

无线信号空间损耗传播模型采用Okum u ra-Hata模型：

Lb=69.55＋26.16 lo g（f）－13.82 lo g（hb）-a（hm）+[44.9-6.55log（hb）]log（D）-S（a）-10.3（1）

式中：f为工作频率，按930 M Hz计算；hb为天线高度，m；hm为机车台天线高度，一般取4 m；a（hm）为移动台天线高度校正因子，按中小城市取值为6.43；D为传播距离，km；S（a）为建筑物密度修正因子，a为建筑物密度。

假设：移动台接收到基站信号强度P 1；移动台接收到远端机信号强度P 2；移动台接收到基站与远端机2路信号强度之差P；基站距远端机距离D；基站距移动台距离D 1。则：

基站天线到移动台信号空间损耗：

Lb（基站）=69.55+26.16log（f）-13.82log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D 1）-S（a）-10.3 （2）

远端机天线到移动台信号空间损耗：

Lb（远端机）=69.55+26.16 log（f）-13.82 log（hb）-a（hm）+[44.9-6.55 log（hb）]log（D-D 1）-S（a）-10.3 （3）

P=P 1-P 2=基站天线端口ERP-Lb（基站）-基站天线端口ERP+ Lb（远端机） （4）

假设此时只有该信源基站与远端机使用该频率信号，则可认为P与C/I相当。

当D取值使得T≥15μ s时，即可根据D与D 1共同判断是否满足P＞12 dB。

假设：基站天线端口ERP为57 d Bm；远端机天线端口ERP为40 dBm；基站及远端机天线高度25 m。

P可进一步简化为：

P=P 1-P 2=（57-Lb（基站））-40+Lb（远端机））=17-35.74log（D 1/D－D 1） （5）

即：

P=17-35.74 log（D 1/D-D 1）＞12 dB （6）

同时需要考虑基站与远端机的信号在D范围内任意点信号强度满足以下条件：P 1=57-Lb（基站）＞-92 dBm；P 2=57-Lb（远端机）＞-92 dBm。

3 上行输入信号动态范围

目前，GSM-R网络中光纤直放站对无线射频信号的耦合采用2种不同方案（见图8，图9），方案A采用约40 dB耦合器，方案B采用相对较小的10 dB耦合器。

图7 D与D1关系变化图

图8 方案A示意图

图9 方案B示意图

2种方案不同点：方案B使用较小耦合器，但在近端机内部通过对下行链路路径增加衰减器减小进入远端机的下行信号。

分析不同方案对上下行信号的影响，其结果见表1。分析条件设定：基站输出信号47 d Bm，耦合器及跳线损耗2 d B，光功分损耗5 d B（假设近端机所带远端机数量小于4个），上行低噪声放大器输出控制启动点－5 d Bm，下行输出信号之前3 dB电桥损耗3 dB。

通过2种方案的对比分析可知，耦合器大小的选择对下行链路没有任何影响，主要对上行输入信号动态范围影响较大。方案A与方案B相比，上行可输入信号的最大值降低了23 dB。

上行输入信号动态范围实际应用影响：

在上行低噪声放大器增益及输出控制启动点一定的情况下，当上行输入信号使上行低噪声放大器输出控制启动后，上行低噪声放大器增益随上行输入信号的增强而降低。网络中只有单个用户使用时不会出现问题，对系统及用户服务没有影响，但在图10的特殊场景中会对用户服务产生较大影响。

列车1自右向左向隧道方向行驶；列车2自左向右向远离隧道方向行驶。如果没有列车1，列车2从C到D之间的上行信号到达基站后刚好满足上行最小接收电平的要求。

（1）在列车1到达B时，列车1的上行输入信号较大，使自动增益控制功能启动；此时列车2到达C，列车2的上行信号到达基站后满足上行最小接收电平的要求。

表1 不同方案对上下行信号影响对比分析

图10 上行输入信号动态范围影响示意图

（2）随着列车1的继续行驶，列车1上行输入信号的增大使上行功放增益逐渐减小；列车2在从C到D的过程中上行信号空间损耗逐步增大，原来设置的上行功放增益刚好保证列车2在D时的上行信号到达基站后满足上行最小接收电平要求，但列车1的上行输入信号使上行功放增益减小，导致基站过早不能识别列车2到达基站的上行信号。