数字光纤直放站技术在GSM-R改造中的应用

彭学武

(中铁第六勘察设计院集团有限公司电气化设计院分公司，天津 300250)

1 概述

随着我国既有普速铁路GSM-R网络改造工作逐步推进，根据中国铁路总公司运输局关于印发《2017年全路电务系统工作要点》的通知（运电信号函[2017]93号），我国既有铁路无线通信系统改造将推广数字光纤直放站、分布式基站等新型无线网设备的应用。本文以焦柳铁路电气化改造南宁铁路局管内GSM-R系统改造为例，研究既有线进行GSM-R系统改造采用数字光纤直放站技术的解决方案。

2 数字光纤直放站的工作原理

GSM-R数字光纤直放站系统主要由近端机、光纤、远端机、操作维护设备构成，如图1所示[1]。

数字光纤直放站采用软件无线电技术，近端机在GSM-R基站侧将射频信号进行数字化处理，通过光纤传送到远端机，利用远端机的中频数字单元变频还原，经射频单元再生、放大，实现GSM-R基站信号拉远覆盖。

图1 GSM-R数字光纤直放站系统构成示意图Fig.1 Schematic diagram of system structure of GSM-R digital optical repeater

对于下行信号链路，近端机通过耦合器将来自基站主天线的移动通信下行信号馈送入射频单元，将其下变频到中频信号，然后由数字中频单元对中频信号进行数字信号处理，再经光传输单元由光纤传输至远端机。在远端机，信号经光传输单元，由数字中频单元恢复为中频信号，再经射频单元将信号上变频到射频，最后经天线发射至覆盖区域。

对于上行信号链路，来自移动终端的上行信号经远端机射频单元，由下变频器将上行信号变频到中频信号，然后由数字中频单元对中频信号进行数字信号处理，再经光传输单元由光纤传输至近端机。在近端机，信号经光传输单元，由数字中频单元恢复为中频信号，再经射频单元将信号上变频到射频，最后经耦合器送给基站。

具体工作原理如图2所示。

图2 数字光纤直放站工作原理框图Fig.2 Block diagram of working principle of digital optical repeater

3 工程实例

焦柳铁路塘豹至柳州段位于湖南省怀化市、广西自治区柳州市、河池市辖区，线路全长268.116 km，桥梁141座12.18 km，隧道91座32.95 km，桥隧比16.83%。

焦柳铁路塘豹至柳州段沿线地形复杂多变，隧道密集，多山体和丘陵，无线信号在传输过程中受建筑物、地形、地貌等影响，多径干扰造成的信号衰落较严重，易产生覆盖弱场区。

目前焦柳铁路塘豹至柳州段无线通信方案如下。

沿线GSM-R数字移动通信系统基站子系统采用单网覆盖方案，按95%的时间、地点概率下最小可用接收电平为-98 dBm的覆盖设计，新设基站按3载频考虑。

在融安站新设基站控制器BSC、PCU各1套，与南宁局MSC同址设置1套码速变换器TRAU，沿线新设基站设备（BTS）通过2 Mbit/s通道接入融安站新设基站控制器，每3～5个基站组成一个E1环路。

为减少列车运行过程中的小区切换次数以及避免在站区进行小区切换，沿线车站采用合成小区基站，利用双定向天线对铁路沿线做链状覆盖，扩大基站沿铁路线方向的覆盖范围。

在沿线车站设置基站，基站不作为无线信号覆盖，无线信号采用数字光纤直放站覆盖，便于数字光纤直放站的时延调整。

区间复杂地段利用数字光纤直放站加漏泄同轴电缆/天线的方式进行无线信号覆盖。

4 技术方案

1）业务需求

通过GSM-R系统提供语音、数据业务通信平台，焦柳铁路塘豹至柳州段GSM-R系统主要实现以下功能：

GSM-R调度通信系统主要技术条件中规定的列调等各项调度通信功能；

列车车次号校核信息传送；

调度命令信息传送；

调车机车信号和监控信息传送；

列车尾部信息传送；

满足铁路沿线维护人员的通信需求，用于养路、桥隧（守护）、接触网（供电）、水电、电务等部门的区间维护作业通信；

满足公安、抢修、救援等多部门、多工种的应急通信需求。

2）链路预算

根据常用的Okumura-Hata模型，假设直放站最大输出功率为43 dBm，当天线挂高为30 m时，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[2]。

3）方案设计

根据焦柳铁路塘豹至柳州段沿线地形情况，以更村—洛满—福塘两个区间为例，采用数字光纤直放站技术实现无线信号覆盖。

在沿线车站通信机械室设置BTS，全线采用“数字光纤直放站+漏缆/天线”方式进行信号覆盖。

具体方案如图3所示。

图3 数字光纤直放站设计方案Fig.3 Design scheme of digital optical repeater

数字光纤直放站支持星型、链型、环型、混合型组网，焦柳铁路塘豹至柳州段GSM-R无线通信系统可使用光纤资源比较紧张，且对组网可靠性要求较高，故采用环型组网方式。

采用数字光纤直放站进行信号覆盖时，有以下优点。

1）采用数字光传输技术，射频信号传输不随光信号的衰减而衰减，远端机的无线覆盖距离不随光传输距离而改变。

2）采用软件无线电技术，将射频信号进行数字化处理，实时进行各远端机与近端机之间时延调整，避免时延色散干扰，保证覆盖效果。

3）光传输部分为数字化传输，信号的再生和放大过程均不产生光传输噪声；对于射频噪声，数字光纤直放站利用采样技术与自适应滤波器单独对各远端机的上行噪声进行控制，减少各远端机上行噪声的对基站的影响。

4）采用合成小区，可以避免宏基站单个小区覆盖范围小，有效减少切换次数。

5）上行具有接收分集功能，可以平衡系统上、下行链路信号，提高上行信号的抗衰落性。

数字光纤直放站方案也存在问题：多个直放站远端机共用一个基站作为信号源，如果基站故障，将出现较长距离的信号盲区，导致通信中断，需采取电力、设备的冗余配置等措施来加强系统的可靠性。

综上所述，铁路沿线地形复杂时，采用数字光纤直放站不失为一种解决区间弱场的可实施性方案。

5 结束语

本文利用焦柳线南宁局管内更村—洛满—福塘段既有无线列调系统改造GSM-R系统工程为例，重点对数字光纤直放站在GSM-R改造中的应用进行描述分析，旨在提出符合一种可靠又能切合工程实际需求的无线方案，希望为后续工程提供参考。