交织冗余备份光纤直放站在GSM-R系统中的应用

刘淑荣

(杭州海康威视数字技术股份有限公司，杭州 310011）

交织冗余备份光纤直放站在GSM-R系统中的应用

刘淑荣

(杭州海康威视数字技术股份有限公司，杭州 310011）

为确保高速列车的行车安全，铁路系统要求全线信号无缝覆盖，提出交织冗余备份直放站在GSM-R系统中的应用，系统组网到关键模块备份等两个层面，为信号无缝覆盖提供可靠性保障。首先介绍光纤直放站的工作原理，其次从系统组网和关键模块备份方面阐述系统的可靠性设计，最后讲述交织冗余备份光纤直放站的漏缆检测功能。

光纤直放站；GSM-R；冗余；备份

1　概述

GSM-R系统是专为铁路通信设计的综合专用数字移动通信系统，与GSM系统相比，增加了铁路通信列车调度、列车控制和支持高速列车等。我国大部分铁路沿线地形复杂，多隧道、山体和坡地，这些地形对GSM-R信号形成阻挡，产生很多覆盖盲区。若使用基站对盲区进行覆盖，会造成极大的投资浪费并使线路运行设备频繁切换，影响通信效果，故GSM-R系统主要采用漏泄同轴电缆中继器、无线直放站、光纤直放站等方式解决盲区覆盖[1]。由于光纤具有资源丰富、传输距离远等优点，GSM-R系统覆盖广泛使用光纤直放站。

为确保高速列车的行车安全，铁路系统要求全线信号无缝覆盖，因此，应用于铁路系统中的光纤直放站必须具有较高的可靠性和稳定性。GSM系统中的光纤直放站近端机、光纤线缆和远端机单点连接，任何一部分出现异常，都无法保证信号覆盖的连续性。本文提出的交织冗余备份光纤直放站从系统组网、关键模块备份两个层面保证系统的可靠性，确保信号覆盖的连续性。

2　光纤直放站的工作原理

光纤直放站主要由近端机、光纤线缆、远端机和天馈线组成[2]。其中近端机起信号中继作用，主要由电源模块、MCU、射频模块和光模块组成；远端机起信号放大作用，主要由电源模块、MCU、射频模块、光模块和功放模块组成。对于下行信号链路，无线信号从基站耦合出来进入近端机，经过射频模块处理及光模块电信号转换为光信号后，通过光纤传输到远端机，远端机通过光模块将光信号转换成电信号，电信号经过射频模块处理及功放模块放大后送入发射天线，覆盖目标区域。对于上行信号链路，移动台（一般是手机）信号通过天线输入到远端机，经过远端机进行射频信号处理后，通过光纤传送到近端机，近端机把信号耦合到基站。具体工作原理如图1所示。

3　交织冗余备份光纤直放站的可靠性设计

交织冗余备份光纤直放站，首先从组网方面确保系统的可靠性。GSM系统中使用的光纤直放站，每台近端机可以连接4台远端机，近端机的输出信号是与其相连远端机的输入信号。交织冗余备份直放站通过增加一对冗余光模块实现每台远端机可以连接两台获取不同基站信号的近端机，即每台远端机有两个输入信号，当其中一个输入信号异常时，远端机仍能提供正常的信号覆盖。具体组网框如图2所示。

其次，交织冗余备份光纤直放站从设备方面确保系统的可靠性，近、远端机的关键模块采用备份方式，确保设备不会因为某一模块的故障导致整个系统的功能异常。备份的关键模块主要有供电模块、通信模块和功放模块。

3.1供电设计

交织冗余备份光纤直放站的近端机安装在机房内，外部供电由机房供电系统保证。远端机安装在室外，通过外接不间断电源(UPS)保证外部供电，UPS外接蓄电池36 V，在市电供电异常情况下，设备仍可正常工作2 h。

直放站近、远端机采用2块电源模块并联同时工作的热备份方式。近端机采用2块小功率的电源模块并联输出28 V电压，分压为6 V供MCU及光模块工作；远端机采用2块大功率的电源模块并联输出28 V电压，其中一路28 V电压供功放模块工作，另一路28 V电压分压为6 V，供MCU及光模块工作。

3.2通信模块备份

交织冗余备份光纤直放站近、远端机各有3个光模块相互匹配使用，分别为主光、备份光和冗余光模块。主光模块和备份光模块用于近、远端机之间的信号传输及近、远端机之间的数据通信，同时，仅有一对光模块处于工作状态。默认情况下，工作光路是主光路。当主光模块故障或光纤断开等原因造成主光路不通时，工作光路自动切换到备份光路。当主光路恢复正常时，工作光路自动切换回主光路。对于设备而言，光路本身无主备之分，人为定义其中一路具有高优先级，成为主光路。

工作光路的判断在远端机上实现，远端机创建2个接收任务和1个发送任务，分别为主光模块接收任务、备份光模块接收任务和发送任务。当主、备光模块均无故障且主、备份光路同时接收到近端机的发送数据时，处理主光路的接收数据，丢弃备份光路收到的数据，判定当前工作光路是主光路；当主光模块故障或主光路接收不到近端机的发送数据时，工作光路切换到备份光路。发送任务每隔2 s检测一次当前的工作光路，如果当前工作光路异常，切换到另一路，并向工作光路发送应答数据包，光路切换流程如图3所示。

主、备光路信号控制通过调整远端机的上、下行信号衰减实现。远端机有个专用的衰减器用于切断不工作光路的上行信号，确保同一时刻只有一个上行信号，避免上行干扰。主光路工作时，衰减器自动配置为30 dBm，切断备份光路上行信号；备份光路工作时，衰减器自动配置为0 dBm，切断主光路上行信号。对于下行信号，通过配置远端机光模块内部的衰减器实现主、备光路的切换。

直放站近、远端机的冗余光模块之间仅进行信号传输，不进行数据通信，MCU通过读取冗余光模块的告警状态判断冗余光路的通断。冗余光路信号比主（备）光路信号小6 dB，远端机外接2根天线，分别输出主（备）光路信号和冗余光路信号，移动台（一般是手机）会自动选择较强的信号作为工作信号。

近端机的主、备光模块同时处于工作状态，分别向远端机的主、备用光模块发送数据并等待远端机的回应，近端机根据远端机回应数据的光模块获知当前的通信光路。若近端机主、备光模块都未收到远端机的回应数据，近端机的主从链路故障告警被触发，近端机主动将该告警上报给监控中心，工作人员采取相应的处理方案。

3.3功放热备份

交织冗余备份光纤直放站远端机具有两个一致的线性功放，同时处于工作状态。两个功放的输出经过电桥合路后，再经过双工器双路输出，MCU实时检测每个功放的工作状态。有一路功放故障时，天线端的输出功率减半，仍能满足一定范围内的覆盖。

4　交织冗余备份光纤直放站漏缆检测功能

GSM-R系统中使用的交织冗余备份光纤直放站同时具有漏缆检测功能。远端机增加一个漏缆检测模块，由信号发生电路和信号检测电路两部分组成。一台远端机发出的检测信号通过漏缆传到相邻远端机的检测信号电路中，检测信号和发出信号的差值即信号在漏缆传输中的实际损耗值，通过对比信号的实际损耗值和理论损耗值来判断漏缆处于正常状态、破损状态或严重破损状态。

5　结束语

本文提出的交织冗余备份光纤直放站已经应用于杭长、甬台温、合福等多条高铁线路，系统运行稳定可靠。交织冗余备份光纤直放站在可靠性方面满足了铁路行车安全的要求，但也存在一定的不足，系统中的直放站是模拟设备，存在上行噪声叠加、传输时延不可控等问题，后续将开发交织冗余备份数字直放站解决现存的问题，提高GSM-R系统中的信号质量。

[1]李玲姣.光纤直放站在GSM-R系统中的应用[J].铁路通信信号工程技术，2010, 7（4）：33-35.

[2]高健，罗华斌.直放站的原理与应用[J].中国无线电，2005，7（7）：30-33.

In order to ensure the safety of high-speed train operation, the railway system is required to cover the entire line with signals. The paper puts forward to use the interleaved redundancy backup repeaters and backup key modules in GSM-R system for ensuring signals seamless coverage. It also introduces the working principles of the fi ber optic repeaters, the reliability design of the system and the detection function of leaky coaxial cables of the repeaters.

optical fi ber repeater; GSM-R; redundancy; backup

10.3969/j.issn.1673-4440.2016.03.010

2015-12-05）